C波段高集成高功率GaN T/R模塊研究

李小春

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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C波段高集成高功率GaN T/R模塊研究

李小春

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

采用ADS軟件仿真設計了一種基于GaAs小信號單片微波集成電路(MMIC)、GaN大功率MMIC和多層復合介質板的C波段小型化發射/接收(T/R)模塊，實現了微波信號的放大、收發控制、數字幅相控制及+28 V高壓電源調制的一體化，具有小體積、輕量化、低噪聲、高功率、高效率等特點。TR模塊尺寸為33 mm×65 mm×10 mm，在C波段實現指標為：發射功率50 W，功率附加效率28%，接收增益37 dB，噪聲系數3 dB。

GaN功放芯片；單片微波集成電路；發射/接收模塊

0 引 言

多年來，國內外硅(Si)、砷化鎵(GaAs)固態功放技術發展日益成熟，其高功率輸出條件下的高效率問題比較突出[1-2]。而在雷達、通信、遙控遙測等應用領域中又需要高功率、高效率、小型化、高擊穿電壓特性的器件[3]。GaN器件具有高擊穿場強、高截止頻率、高功率、高熱導率、高電子遷移率等特點，為滿足這一高性能器件的設計提供了可能[4]。

隨著技術的進步和人們對電子設備小型化的需求，印制電路板(PCB)的導線互連密度不斷提高，PCB也從最初的單面到雙面發展到現在的多層板[5]。層與層之間的電氣互連則一般通過金屬化的通孔、盲孔或埋孔來實現，具有工期短、成本低等優勢。

本文介紹的C波段小型化收發模塊，基于多層復合介質板工藝技術，采用自主研發的GaN功放芯片，在33 mm×65 mm×10 mm的小體積范圍內實現了發射功率大于50 W，功率附加效率大于28%。在縮小體積的同時，實現了模塊的低成本、小型化。

1 TR模塊設計

模塊由電源與微波兩大部分組成，分別布局到盒體的上層和下層腔體，之間的互聯采用鍵合引線進行垂直互聯。微波通道部分包括接收支路和發射支路。發射支路實現信號的相位控制、功率放大輸出，接收支路實現信號的低噪聲放大、數字幅相控制等功能，并且集成了大功率限幅器以防止發射泄露信號燒毀前級低噪放和提高模塊的抗燒毀能力。電源部分實現穩壓、濾波、儲能、電源調制等功能[6-7]。

在選材方面微波通道部分的所有元器件,電源部分除阻容元件及個別二極管外均選用無封裝芯片，以實現模塊的小型化。

1.1 TR模塊原理

小型化TR模塊原理圖如圖1所示。進入模塊接收通道的射頻信號經過環形器、高功率限幅器、低噪聲放大器、收發切換開關、數控移相器后輸出。發射信號通過移相器、驅動放大器、隔離器和功率放大器后經環形器輸出，隔離器起到前后級匹配，提高級間隔離，防止自激的作用。

圖1 TR模塊原理圖

使用Agilent公司的ADS電路系統仿真軟件對收發鏈路進行系統仿真。射頻鏈路微帶線采用RT5880作為基板，相對介電常數2.2，損耗角正切0.000 9。仿真電路中用到的有源器件S參數模型采用器件廠家提供的S參數模型，環形器的S參數通過測試獲得。在仿真中加入微帶鍵合線模型，通過仿真優化設計合理的匹配電路，在接收通道獲得增益最平坦響應，發射通道獲得最高效率響應。

1.2 TR模塊制作

小型化TR模塊控制電路采用6層PCB板，射頻鏈路基板選用RT5880，電源及控制基板選用FR4材料，采用回流焊工藝將其燒結到盒體上。電源控制板采用多層混壓板，對控制電路進行高密度布線，并對表面進行鍍厚金處理，與微波鏈路的電連接通過鍵合工藝實現。控制電路中所用的CMOS電路芯片直接粘結到PCB基板上，與表貼器件進行高密度混合裝配。

射頻小信號GaAs MMIC芯片通過過渡層直接粘結在盒體上。大功率GaN芯片先將其燒結到熱膨脹系數與其相匹配的載體上，再通過螺釘緊固到盒體上。射頻端口為可拆卸SMA接頭，內部絕緣子和J30J微矩形控制接口高溫燒結到盒體上。如圖2所示為C波段小型化TR模塊實物照片，模塊尺寸為33 mm×65 mm×10 mm。

圖2 C波段小型化TR模塊實物照片

2 仿真測試結果對比

C波段TR模塊發射通道小信號增益曲線如圖3所示。設計頻帶內仿真測試增益保持一致，吻合較好。

圖3 發射小信號增益曲線

發射通道輸出功率隨頻率變化曲線如圖4所示。設計頻帶內仿真測試發射功率基本保持一致，吻合較好。

圖4 發射輸出功率隨頻率變化曲線

發射通道功率附加效率隨頻率變化曲線如圖5所示。設計頻帶內仿真測試發射功率附加效率趨勢保持一致，吻合較好。

圖5 發射輸出功率隨頻率變化曲線

接收增益隨頻率變化曲線如圖6所示。設計頻帶內仿真測試結果保持一致，吻合很好。

圖6 接收增益隨頻率變化曲線

接收噪聲系數隨頻率變化曲線如圖7所示。設計頻帶內仿真測試噪聲系數保持一致，吻合較好。

圖7 噪聲系數隨頻率變化曲線

3 結束語

本文采用ADS系統仿真軟件仿真并設計制作

了一款小尺寸的C波段高功率GaN TR模塊。仿真結果和實測結果吻合較好。

該模塊采用GaAS小信號芯片、GaN 大功率芯片和多層復合介質板，在極小的體積內實現了預期技術指標，提高了模塊的集成度，順應了當代產品的小型化高集成的趨勢，能為類似產品的小型化設計提供參考。

[1] HAUHE M S，WOOLDRIDGE J J.High density packaging of X-band active array modules[J].IEEE Transaction Components,Packaging,and Manufacturing Technology,1997,4(3):672-679.

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Study of C Band High Integration & High Power GaN T/R Module

LI Xiao-chun

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

This paper uses ADS software to simulate and design a C band miniaturization transmit/receive (T/R) module based on GaAs small signal monolithic microwave integrated circuit (MMIC),GaN large power MMIC and multilayer composite medium board,which realizes the integration of microwave signal amplification,T/R control,digital magnitude and phase control,high voltage +28 V modulation,takes advantage of small volume,light weight,low noise,high power and high efficiency.The size of T/R module is 33 mm×65 mm×10 mm,and the module can realize: transmitting power 50 W，power additional efficiency 28%，receiving gain 37 dB,noise coefficient 3 dB at C-band.

GaN power amplifier chip；monolithic microwave integrated circuit；transmit/receive module

2016-03-24

TN803.5

B

CN32-1413(2016)04-0110-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.024