一種寬帶高性能T/R組件的設(shè)計(jì)

王立發(fā)，秦立峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051)

一種寬帶高性能T/R組件的設(shè)計(jì)

王立發(fā)，秦立峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051)

介紹了一種寬帶高性能T/R組件。該組件通過(guò)合理的分腔設(shè)計(jì)，減小了低頻控制信號(hào)與微波信號(hào)的串?dāng)_，同時(shí)充分利用有效空間，減小了組件的尺寸。使用T型結(jié)優(yōu)化鍵合匹配，使得組件微波信號(hào)在帶內(nèi)具有更小的插損及帶內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)越的傳輸性能。組件采用多芯片微組裝技術(shù)，減小了體積和重量，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的裝配工藝，實(shí)現(xiàn)了組件的可批產(chǎn)性。組件包含4個(gè)獨(dú)立收發(fā)通道，每個(gè)通道包含6位移相及6位衰減功能，具有寬帶、低噪聲、高功率以及良好的幅相性能。

分腔設(shè)計(jì)； T型結(jié)； 鍵合匹配； 獨(dú)立收發(fā)； 寬帶高性能

0 引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制天線波束進(jìn)行掃描的雷達(dá)系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-3]。有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中每一路天線對(duì)應(yīng)一個(gè)T/R收發(fā)，因此T/R組件的性能優(yōu)劣對(duì)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要[4-5]。隨著時(shí)代的進(jìn)步，對(duì)T/R組件的指標(biāo)要求越來(lái)越嚴(yán)格，所以對(duì)于寬帶、高性能、小型化T/R組件的研究意義重大。

本文設(shè)計(jì)了一款Ku波段多通道收發(fā)組件，該組件設(shè)計(jì)利用分腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)與低頻控制信號(hào)的隔離，同時(shí)分腔結(jié)構(gòu)能夠更合理利用有效空間，減小T/R組件的尺寸，有利于小型化設(shè)計(jì)； 利用三維仿真軟件匹配寬帶駐波，保證了組件整個(gè)寬帶帶內(nèi)良好的平坦度； 使用多芯片微組裝技術(shù)，有效減小組件體積，保證組件產(chǎn)品一致性。最終實(shí)現(xiàn)寬帶、高性能、小尺寸、高可靠性的可批產(chǎn)T/R組件。

1 工作原理

組件包含四個(gè)單獨(dú)可控收發(fā)通道、一分四功分器以及電源電路。組件每個(gè)收發(fā)通道包含幅相多功能芯片、推動(dòng)放大器、末級(jí)放大器、低噪聲放大器、限幅器以及環(huán)形器，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的移相及功率輸出，接收信號(hào)的放大及移相衰減功能。組件中一分四功分器由兩級(jí)一分二功分器芯片實(shí)現(xiàn)，使用兩級(jí)一分二功分器芯片較單級(jí)一分四功分器芯片設(shè)計(jì)走線更加靈活，同時(shí)端口駐波及隔離特性更好，保證了每個(gè)通道相位及幅度的一致性。電源電路主要包含負(fù)壓保護(hù)電路、放大器的漏壓調(diào)制以及放大器的柵壓控制。組件的原理框圖如圖1所示。

圖1 T/R組件原理框圖

2 T/R組件的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于組件工作帶寬較寬(12～17 GHz)，且指標(biāo)要求較高，為滿足指標(biāo)要求，采用微波信號(hào)與控制信號(hào)分腔處理形式，使用金屬隔墻完成控制信號(hào)與微波信號(hào)的隔離，使微波信號(hào)性能更加優(yōu)越[6-7]。同時(shí)合理設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)，充分利用有效空間，減小組件的尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。

腔體分為上下兩部分，下層腔體放置控制板電路，上層腔體布置微波板電路。電源控制板電路使用多層環(huán)氧板制作，獨(dú)立完成該電路板貼裝后，通過(guò)螺釘將其緊固到盒體。微波板為雙面微波板材，使用焊料燒結(jié)到盒體，保證良好的接地性能。腔體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

微波傳輸腔體近似為矩形，可認(rèn)為是一節(jié)矩形波導(dǎo)，為避免不必要的腔體諧振及多模傳輸，要求其工作頻率應(yīng)低于其截止頻率[8]：

圖2 腔體結(jié)構(gòu)示意圖

f

其中：c為光速；a為矩形波導(dǎo)寬邊尺寸。

組件最高工作頻率為17 GHz，由式(1)可計(jì)算得到a=8.8 mm，由于要求設(shè)計(jì)天線間距為16.5 mm，故通道內(nèi)通過(guò)使用金屬隔墻實(shí)現(xiàn)腔體寬度小于8.8 mm要求。

單通道腔體示意圖如圖3所示。

圖3 單通道腔體示意圖

2.2 鏈路設(shè)計(jì)

根據(jù)組件指標(biāo)要求，對(duì)微波鏈路做如下指標(biāo)分解，以滿足要求。

由圖1可知，功分網(wǎng)絡(luò)置于公共端口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)等幅同相的分配。每個(gè)通道發(fā)射和接收共用1個(gè)幅相多功能芯片，該芯片集成6位數(shù)控移相器、6位數(shù)控衰減器、串轉(zhuǎn)并電路以及三態(tài)開關(guān)。該高度集成化芯片可明顯減小組件尺寸，提高產(chǎn)品一致性，提升產(chǎn)品可靠性。

接收支路鏈路分析如圖4所示。從天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)雙節(jié)環(huán)形器、限幅器到達(dá)低噪聲放大器端口，信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入幅相多功能芯片進(jìn)行移相衰減功能，最終經(jīng)過(guò)功分器到達(dá)集合端口。

圖4 接收支路鏈路計(jì)算

根據(jù)理論計(jì)算, 組件設(shè)計(jì)增益為25 dB(指標(biāo)要求設(shè)計(jì)增益≥24 dB)，噪聲系數(shù)為2.94 dB(指標(biāo)要求噪聲系數(shù)≤3.5 dB)。

發(fā)射支路鏈路計(jì)算如圖5所示。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)功率分配進(jìn)入幅相多功能芯片實(shí)現(xiàn)移相功能，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器及功率放大器進(jìn)行功率放大，最終通過(guò)天線發(fā)射信號(hào)。

圖5 發(fā)射支路鏈路計(jì)算

根據(jù)理論計(jì)算，在注入功率為7 dBm時(shí)，推動(dòng)放大器飽和輸出，其輸出功率為24 dBm，功率放大芯片的功率增益為20 dB，所以輸入功率為24 dBm時(shí)功率放大器飽和輸出，最終輸出功率大于41 dBm。

由于該組件工作帶寬較寬且指標(biāo)要求較高，如果不對(duì)金絲鍵合線作匹配設(shè)計(jì)，則其接收增益帶內(nèi)平坦度較差(≥2.5 dB)，發(fā)射輸出功率帶內(nèi)起伏較大(≥2 dB)。T型結(jié)微帶線可等效為L(zhǎng)C匹配，有效改善由金絲鍵合引起的端口失配問(wèn)題。同時(shí)合理設(shè)置T型結(jié)微帶線參數(shù)，適當(dāng)調(diào)整各鍵合位置匹配性，使得組件在整個(gè)帶內(nèi)具有更優(yōu)異的性能[9-12]。

在使用長(zhǎng)度、直徑、拱高、數(shù)量等參數(shù)相同的金絲條件下，使用T型結(jié)匹配與未使用T型結(jié)匹配的仿真對(duì)比曲線如圖6所示。圖6(a)是使用T型結(jié)匹配與未使用T型結(jié)鍵后的插入損耗仿真曲線圖，通過(guò)仿真結(jié)果曲線可以看出，通過(guò)采用T型結(jié)進(jìn)行鍵合匹配，可以使高頻處的插入損耗由0.2 dB減小至0.13 dB; 圖6(b)是使用T型結(jié)匹配與未使用T型結(jié)鍵合的端口駐波仿真曲線圖，通過(guò)仿真結(jié)果曲線可以看出，采用T型結(jié)進(jìn)行鍵合匹配，可以使帶內(nèi)的駐波減小8 dB以上。

圖6 T型結(jié)仿真對(duì)比曲線

可以看出，使用T型結(jié)進(jìn)行匹配可以明顯改善鍵合金絲端口駐波，減小帶內(nèi)損耗，提升帶內(nèi)增益平坦度，使組件具有更優(yōu)異性能。

2.3 組裝工藝設(shè)計(jì)

由于組件功能復(fù)雜，涉及的元器件種類及數(shù)量都較多，包含裸芯片、接插頭以及其他貼裝元器件，為保證組件優(yōu)越的性能和產(chǎn)品的可生產(chǎn)性，避免二次熔融現(xiàn)象[13-15]，設(shè)計(jì)合理且成熟的工藝溫度梯度至關(guān)重要。工藝流程如圖7所示。

圖7 組裝工藝流程圖

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)完成寬帶高性能T/R組件的制作，最終測(cè)試曲線如圖8所示。

圖8 測(cè)試結(jié)果曲線

可以看出，該組件在整個(gè)5 GHz帶寬內(nèi)，接收增益平坦度小于±0.5 dB，移相精度(RMS)小于4.5°，衰減精度(RMS)小于1 dB，發(fā)射輸出功率大于41 dBm，功率帶內(nèi)起伏小于1 dB，組件效率大于20%。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)合理設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)，避免低頻信號(hào)干擾射頻信號(hào)，同時(shí)有效利用組件空間。組件使用高集成度多功能芯片，實(shí)現(xiàn)組件小型化、一致性及可靠性設(shè)計(jì)。利用T型結(jié)匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)增益及功率的良好平坦度。通過(guò)多芯片微組裝技術(shù)，合理設(shè)置裝配工藝，實(shí)現(xiàn)組件的可批產(chǎn)性。

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Design of Broadband and Highperformance T/R Module

Wang Lifa, Qin Lifeng

(The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

The broadband and highperformance T/R module is described. The interference between the low frequency control signals and the microwave signals is reduced by reasonable cavity design, and the effective space is fully utilized, so the size of the module is reduced. Using the T type junction to optimize the key matching, the microwave signal of the module is provided with a smaller insertion loss and the band fluctuation, and the better transmission performance is achieved. In order to reduce the volume and weight, multi-chip module(MCM) technique is adopted to the module. At the same time, the manufacture of the module is possible by reasonable fabricate technics. The module includes 4 independent transceiver channels, each channel contains a 6-bit phaser and a 6-bit attenuation, it has wide-band, low-noise, high-power and good performance of amplitude and phase.

cavity design; T-shaped microstrip; bonding match; independent transceiver; broadband highperformance

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.006

2016-08-29

王立發(fā)(1981-)，男，河北邢臺(tái)人，博士，研究方向?yàn)槲⒉ㄊ瞻l(fā)組件。

TN722.75

A

1673-5048(2016)06-0025-04