X波段氮化鎵小型化T/R組件的設計與實現

肖 寧，秦立峰，張 選，程顯平

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

X波段氮化鎵小型化T/R組件的設計與實現

肖 寧，秦立峰，張 選，程顯平

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

針對高功率T/R組件的小型化問題，提出了一種X波段氮化鎵(GaN)小型化T/R組件的設計與實現方法。在小型化尺寸內實現了4個收發通道，內部包含了318個元器件。對組件復雜功能及由此帶來的工藝裝配問題和熱問題進行了闡述與分析。研制出了采用多功能芯片技術、多層復合基板技術和多芯片組裝(MCM)技術的組件，內部高度集成，實現了小型化。測試結果表明，組件尺寸為65 mm×60 mm×8.5 mm，發射輸出功率≥30 W，實現了小型化和良好的電氣性能。

T/R組件；X波段；多功能芯片；多層復合基板；多芯片組裝；氮化鎵；小型化

AbstractAiming at the problems on miniaturization of high-power T/R module,design and implementation methods of miniaturized X-band GaN T/R module are presented.The T/R module contains 4 transmitting and receiving channels in a miniaturized dimension,which is built up by 318 devices.Assembly process and thermal problems are analyzed,which are brought by complicated function.Multifunctional transmit/receive chip,microwave composite substrate and MCM technologies are used to make the T/R module integrated and miniaturized.Tests show that the dimension of the T/R module is 65 mm×60 mm×8.5 mm,the output power of the transmitting channel can reach at least 30 W.The electrical and structural properties are technically satisfied.

KeywordsT/R module;X-band;multifunctional chip;microwave composite substrate;MCM technology;GaN;miniaturized

0 引言

T/R組件是構成有源相控陣雷達天線的基礎，是有源相控陣雷達的核心部件[1]。T/R組件的功能主要包括：發射信號的放大、接收信號的放大、天線波束掃描所需要的相移及波束控制等。在整個雷達系統中，T/R組件是整機系統成本高低的決定性因素[2]。高性能、高可靠的T/R組件是雷達的核心部件。X波段的相控陣雷達由于波長短，探測精度高，并且天線口徑小，重量輕，廣泛應用于各種探測、制導及成像系統[3]。因此，對X波段T/R組件的研制非常重要[4]。

多功能芯片技術[5]在T/R組件中的應用越來越廣泛。T/R多功能芯片單片中集成了5～8種芯片，有效地降低了成本，提高了可生產性與可靠性。

與LTCC基板相比，多層復合基板[6]具有如下優點：生產加工成本低，約為LTCC基板成本的1/4～1/10；可以生產大尺寸幅面基板，面積比LTCC擴大5～10倍，可滿足電路組裝要求；組裝工藝性好。

MCM技術[7]的發展使得組件體積顯著減小，實現了多通道輸出。通過合理的設置工藝流程，可以成功地解決了數百只芯片的裝配問題，提高成品率。

本文提出了一種X波段GaN小型化T/R組件，相比較傳統的X波段高功率T/R組件，使用了多功能芯片，采用多層互聯復合基板技術和MCM技術，具有體積小、散熱良好和可靠性高等特點。

1 總體設計方案

X波段GaN小型化T/R組件，每個通道均由1∶4功分器、多功能芯片、接收支路、發射支路和環行器組成。單芯片實現多功能微波電路是T/R組件技術的發展趨勢，高度的集成化可以顯著提高T/R組件的一致性，降低成本，縮小體積，增加可靠性，從而提高整體的系統性能[8]。T/R多功能芯片內部集成數控移相、數控衰減、收發開關、接收與發射放大、串并轉換等多種功能，使得T/R組件的每個通道僅由5只芯片組成，既節約了成本，又簡化了裝配。組件原理框圖如圖1所示。

圖1 組件原理

2 技術特點和難點

針對X波段GaN小型化T/R組件功能復雜、4通道外形尺寸僅有65 mm×60 mm×8.5 mm、輸出功率達到30 W等設計難點，在電路設計、工藝設計和結構設計上分別采取了先進的措施，將318只元器件合理地安排在腔體內，避免了各器件間的相互干擾與串擾，并能實現穩定的高功率輸出和良好的散熱。

2.1 小型化結構設計與電磁兼容設計

針對現有結構，對T/R組件的散熱和減重綜合做出了考慮。首先要求盒體有良好的熱傳導。考慮到重量和精度，盒體采用了硬鋁合金LY12材料(密度2.7 g/cm3)，并采用了精密加工方法。另外T/R組件殼體采用密封結構，在設計上保證產品的電磁兼容性。組件三維結構圖如圖2所示。

圖2 組件三維結構

T/R組件內部微波傳輸通道使用了大量微帶線，傳輸線間會在空間內相互耦合影響。為解決這一技術難點，在規定的外形尺寸范圍內將通道間做了單獨的分腔，設計了間距9.5 mm的腔體可以有效地防止器件間的相互干擾。腔體的諧振波長由下式得到[9]：

式中，λ0為波長；a、b和c為腔體的長、寬和高；m、n和p分別為場沿a、b和c分布的半駐波個數。

2.2 功率設計與熱設計

新型的第三代半導體 GaN 功率管具有很多優點：結溫高、抗輻射和效率高等[10]。T/R組件要求發射功率大于30 W，放大器工作狀態設計為飽和工作，要求前級驅動放大部分的增益和輸出動態使末級功率放大部分工作在飽和區。選用了GaN功率單片作為T/R功放，所用空間顯著小于使用多路GaAs功率單片合成或內匹配功率管作為末級功放的電路。

組件輸出功率不僅影響雷達系統的威力還影響組件效率。組件效率計算公式如下[11]：

式中，Pouti為組件單個通道輸出峰值功率；Pin為組件輸入功率；r為占空比；I1為 +5 V電源電流；I2為 -5 V電源電流；Ii為單通道工作時+28 V電源電流。

T/R組件最高發射功率超過了30 W，為了解決組件的散熱問題，首先盡量提高T/R組件的發射效率，然后著力改善組件的散熱環境。同時采用熱分析軟件仿真，針對最惡劣的僅靠熱輻射的散熱環境建立組件的熱仿真模型，分析T/R組件的穩態溫度分布和散熱狀況。熱仿真模型、芯片結溫仿真結果如圖3和表1所示。

圖3 熱仿真模型

仿真結果表明，當工作溫度為+65 ℃時，各芯片均工作在安全工作結溫范圍內。

3 關鍵技術

3.1 多層互聯復合基板技術

由于組件工作頻率高，且4個T/R通道集中在一個腔體內同時工作，因此各個接收和發射通道之間、低頻電路和微波電路間的相互干擾和信號串擾非常嚴重[12]。為此在T/R組件內部基板上采用了多層互連復合基板，通過3層走線布局進行數字微波隔離、濾波和電磁屏蔽等措施來解決T/R信號串擾問題，而且實現了T/R組件的小型化設計。多層互連復合基板示意圖如圖4所示。

圖4 多層互連復合基板示意

3.2 MCM技術

MCM技術的主要優勢如下[13]：

① 更小的體積和尺寸；

② 更高的數據速率和信號完整性；

③ 更高的可靠性(尤其是在惡劣環境條件下)；

④ 更低的功耗和成本；

⑤ 更靈活的設計方式。

在 MCM 微組裝電路設計中，為保證T/R組件的微波傳輸性能，需實現高密度多層基板以及射頻芯片與微波組件外部封裝腔體的有效燒結，以實現基板和芯片的良好接地和散熱[14]。

微帶線的特性阻抗Zo與基板相對介電常數εr板厚h微帶線寬W導帶厚度T(可忽略) 的計算經驗公式為[15]:

當W/h<1時，

當W/h>1時，

式中，Zf為自由空間的波阻抗；εeff為有效介電常數。

芯片與微帶線之間的連接使用金絲鍵合線。為了保證T/R組件的性能，降低連接失配帶來的影響，對金絲鍵合進行了三維仿真。仿真結果如圖5所示，匹配電路在通帶內插損小于0.1 dB，回波損耗小于-35 dB。

圖5 金絲鍵合匹配仿真模型仿真結果

4 測試結果分析

X波段GaN小型化T/R組件尺寸為65 mm×60 mm×8.5 mm，發射輸出功率≥30 W，發射效率≥28%，接收通道增益≥23 dB，噪聲系數≤2.7 dB，相位一致性≤10°。實物測試曲線如圖6所示。X波段GaN小型化T/R組件實物圖如圖7所示。

圖6 實物測試曲線

圖7 X波段GaN小型化T/R組件實物

與以往類似項目對比，X波段GaN小型化T/R組件在輸出功率相當的前提下，單通道尺寸減小了65%。X波段GaN小型化T/R組件與傳統X波段T/R組件數據對比如表2所示。

表2 數據對比

組件尺寸/mm發射功率/W接收增益/dBX波段GaN小型化T/R組件65×60×8.5(4通道)≥30≥23傳統組件80×28×10.5(1通道)≥3≥21

5 結束語

X波段GaN小型化T/R組件有完善的工藝措施來保證，體積小，性能好，可靠性高。該T/R組件在電性能指標和結構性能指標方面都已經過測試，達到了總體技術要求。T/R組件的小型化、多通道化是雷達系統的發展需求，該T/R組件的研制對雷達系統的發展起到了一定的推動作用。

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DesignandImplementationofMiniaturizedX-bandGaNT/RModule

XIAO Ning,QIN Li-feng,ZHANG Xuan,CHENG Xian-ping

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

TN958.92

A

1003-3106(2017)11-0063-04

肖寧男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波T/R組件。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.14

肖寧，秦立峰，張選，等.X波段氮化鎵小型化T/R組件的設計與實現[J].無線電工程,2017,47(11):63-66.[XIAO Ning,QIN Lifeng,ZHANG Xuan,et al.Design and Implementation of Miniaturized X-band GaN T/R Module[J].Radio Engineering,2017,47(11):63-66.]

2017-04-20

國家部委基金資助項目。

秦立峰男，(1989—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波T/R組件。