微波寬頻段高性能高集成T/R組件設計

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088)

0 引言

基于有源電掃天線的相控陣雷達具有探測距離遠、效率高、可靠性高、維修性好、波束靈活和波瓣特性更好、性能高的陣列信號處理、雷達資源管理靈活以及抗干擾能力更高等一系列優點，將會占據越來越多的應用平臺和領域[1-2]?，F代先進防御平臺要求雷達系統兼有電子戰和通信功能，這個日益增長的多功能一體化需求要求有源電掃天線系統能夠工作在雷達多個頻段帶寬上[3-4]。單X波段和單Ku波段的相控陣雷達系統已實現工程化；相比較而言，研發X-Ku波段的微波寬波段相控陣雷達系統不僅可以實現雷達、電子戰、通信的多功能一體化，同時還可以提高雷達的跟蹤精度、成像精度和抗干擾能力。X-Ku波段寬頻段T/R組件是X-Ku波段寬帶相控陣雷達系統的核心部件和關鍵技術之一，其性能好壞直接影響寬帶雷達系統的威力、精度、識別能力等技術戰術指標；其穩定性、可靠性和可維修性能的優劣，很大程度上決定了整個雷達系統的使用和維護費用；因而，X-Ku波段T/R組件的關鍵技術攻關和可工程化對寬頻段雷達系統至關重要。

國外在此頻段的T/R組件起步很早，技術成熟，以6～18 GHz工作頻段為代表，已大量應用于電子對抗領域；但6～18 GHz T/R組件的功率、效率、幅相精度等性能指標暫無法滿足雷達跟蹤和成像識別要求[5]。國內10～12 GHz、15～17 GHz、14～18 GHz的T/R組件已達到工程化應用水平；6～18 GHz T/R組件技術水平基本已趕上國外先進水平，但也同樣存在性能指標無法滿足雷達跟蹤和成像識別要求。總體上說，現有傳統寬帶T/R組件存在功率不夠大、效率不夠高、穩定性不夠好、移相衰減精度不夠高和體積尺寸不夠小等問題，因此需要開展X-Ku波段10～18 GHz T/R組件的關鍵技術攻關，以增大組件輸出功率、提高效率、提高組件幅相精度和集成度。

本文設計的X-Ku波段10～18 GHz T/R組件采用MCM(多芯片組裝)工藝技術[6]，為提高效率、減小體積和重量，將8個通道集成在同一個模塊內，構成一個寬帶八通道T/R組件；電源、波控信號合理共用；應用GaAs多功能芯片設計技術，將數控移相器、數控衰減器、開關、驅動控制電路、放大器等集成在一個GaAs芯片上，大大減少了組件內部的MMIC芯片數量，減小了體積和重量的同時提高了可靠性；應用GaN功率放大器實現大功率高效率輸出。

本文先后闡述了X-Ku波段10～18 GHz T/R組件集成架構設計、收發通道設計、公共支路設計、結構及高效散熱設計、工藝設計與制造等方面詳細設計方案，最后給出了組件主要技術指標的測試結果。

1 設計方案

1.1 組件集成架構設計

有源相控陣雷達系統中的T/R組件需要完成發射(T)和接收(R)兩個主要功能，因此T/R組件組成上主要包含發射通道、接收通道、控制以及接口公共支路(含電源調制、開關驅動、串并轉換、射頻輸入輸出、低頻連接器等)等3個部分。發射通道主要完成射頻激勵信號的功率放大；接收通道主要完成天線接收回波信號的低噪聲放大，同時滿足接收機的幅度要求；組件的收發開關切換及相位、衰減的控制由控制部分完成，以實現對信號的幅度、相位的調整控制。

為實現寬頻段有源陣面和組件自身的高集成，結合天線單元間距、子陣單元數、組件接口數和結構散熱的考慮，如圖1所示，本組件采用八通道集成，收發通道復制；8個收發通道共用殼體、射頻輸入連接器和低頻連接器，通過低頻連接器提供組件所需的電源及控制信號。組件內部采用 1∶8功分器進行8個收發通道的信號分配和合成；每個收發通道各自獨立使用一個射頻輸出連接器，并與天線陣面進行盲插互連。組件采用八通道一體化集成架構，有利于相控陣雷達設計和有源陣面功能擴充。

圖1 X-Ku波段八通道T/R組件外形示意圖

如圖2所示，收發通道采用“5芯片(限幅器、低噪聲放大器、幅相多功能芯片、驅動放大器、功率放大器)+環行隔離器”的高集成MCM架構；其中，GaAs幅相多功能芯片，集成了開關、移相、衰減、放大等功能。該集成架構采用高集成多功能芯片減少了芯片間互連，提高了集成度、指標一致性，也降低了后續量產成本。收發通道采用模塊化LTCC(低溫陶瓷材料)設計；通道前端的功分饋電網絡采用LTCC整板設計，將8個通道的功分電路、控制信號分配電路、儲能電路、電路驅動電路、接口電路布局在同一個多層基板中；組件功分電路采用內埋帶線功分器，以留出更多表層空間用于放置控制和電源器件，并減少信號輻射，提高了功能和布版集成度。功分饋電網絡的LTCC整板設計減少了板間拼接帶來的電路失配，降低了組裝工藝要求。

圖2 T/R組件單通道原理框圖

組件具體設計主要包括收發通道設計、公共支路設計、結構與高效散熱設計等。

1.2 收發通道設計

為實現組件寬帶電性能指標，本文充分利用場路聯合仿真技術和關鍵單元驗證電路，實現了寬帶電路單元設計的精細化。在設計思路上，先通過矢量網絡分析儀等儀表對組件主要選用器件進行在片測試，采集獲取器件二端口S參數形成S2P文件；再通過三維電磁場仿真軟件HFSS提取無源網絡的S參數；最后通過ADS仿真軟件平臺建立基于組件全鏈路的S參數仿真模型來設計并優化寬帶匹配電路[7]。T/R組件全鏈路仿真模型如圖3所示，其中限幅器、低噪聲放大器、驅動放大器、幅相多功能芯片、末級放大器、環行隔離器等器件采用實測的二端口S參數提取模型帶入。所有器件和電路設計時都在高端和低端預留了一定的頻率范圍以保證帶內平坦度。接收支路進行帶內增益補償設計，即按增益隨頻率正斜率變化和負斜率變化相抵消進行設計以實現良好的帶內平坦度指標。

(a)發射鏈路

1.2.1 發射通道設計

發射通道決定了組件功率、效率、穩定性等關鍵指標和功能，通道中關鍵元器件的方案選型和級聯電路設計尤為重要。首先是末級功率放大器的選型和設計，為實現組件直接輸出功率達到20 W(43 dBm)的指標要求，考慮到輸出端環行器、微帶線及裝配所引入的損耗，則末級功率放大器輸出功率需要達到44.1 dBm以上。

半導體功率放大器件已歷經三代的發展，其中Si LDMOS功率放大器生產成本低、批量能力大，但性能接近器件工作的極限，特別是在S波段應用效率偏低，抗過載能力較差，無法應用于X-Ku頻段。GaAs PHEMT功率放大器批量應用性能好，生產成本低，但最高安全工作結溫只有175 ℃，在高頻、寬帶、大功率方面應用性能指標接近器件工作的極限。作為第三代寬禁帶半導體功率器件，GaN HEMT采用AlGaN/GaN異質結，具有優異的微波性能；以半絕緣SiC為襯底，具有良好的導熱性能；高輸出功率密度、高安全工作結溫適合于制作大功率器件；高輸出阻抗有利于實現寬帶匹配；高工作電壓有利于高效率、EMC和簡化的電源系統；因而，GaN HEMT在高頻、大功率、高效、寬帶等應用場合優勢明顯[8]。故從產品性能、國產化、工程化、應用牽引等方面綜合考慮，選用GaN HEMT MMIC功率放大器。器件廠家采用GaN外延材料設計和生長技術、高精度元器件模型提取技術、MMIC芯片電路設計技術、GaN功率器件穩定性設計及驗證技術，實現了X-Ku波段GaN寬帶功率放大器的穩定功能和高性能指標(輸出功率≥44.3 dBm，附加效率≥35.5%)。

其次是天線口收發切換開關的選擇和設計。限于器件材料和工藝水平，傳統寬帶T/R組件一般采用大功率開關來實現天線口的收發切換；但有源陣面工作時，開關的性能指標和系統保護功能作用不及環行隔離器，主要是當有源陣面工作在發射大掃描角或發射天線單元損壞時，天線單元駐波惡化嚴重，采用開關時天線單元反射回的信號易產生負載牽引導致功放性能下降、甚至燒毀；相比于開關，環行隔離器具有更好的駐波和收發隔離度，對組件穩定性和功率、效率等指標實現更有利。采用常規技術設計的環行隔離器無法在X-Ku波段寬帶內實現鏈路的插損、駐波、尺寸等指標要求，本文選用了一種基于MEMS(微電子機械系統)技術的環行隔離器。與傳統帶線或微帶式環行器相比，MEMS環行器具有尺寸小、精度高、一致性好、可批量化生產等優點[9]?？紤]到有源陣面上組件安裝后相互緊貼，非磁屏蔽的鐵氧體器件會因為磁泄漏而相互影響，因此環行隔離器應具有磁屏蔽功能。最終小型化MEMS環行隔離器實現了全帶寬內單節正向插損低于0.6 dB、駐波優于1.4、耐功率50 W(脈沖)的良好指標。

再次是組件穩定性設計，要避免組件出現自激和腔體效應。發射通道的穩定性設計是其中的重點和難點。組件輸出功率大，發射子鏈路凈功率增益高達37 dB，潛在收發通道增益約73.2 dB，再加上組件內部布局緊湊，GaN功率器件飽和深度深，寬帶器件駐波不夠好等易導致組件出現自激和腔體效應等穩定性問題。特別是在低溫工作情況下增益、功率等影響會更加嚴重。本組件設計上采用各通道間大隔筋、通道內收發間小隔筋的方式增加空間隔離；增大高增益器件間的空間隔離并避開敏感區域，利用功分網絡帶狀線內埋設計減小色散，采用寬帶電路匹配及補償設計等措施實現穩定性設計；并利用HFSS仿真軟件對組件腔體進行電磁場仿真分析，使得腔體的潛在本振諧振頻率不落在工作頻帶內，最終通過迭代和優化，確定了內部腔體結構和布局。同時，設計中組件鏈路增益較高，若收發通道形成正反饋在同時工作狀態下會引起自激，因此采用鏈路隔離及時序上的防自激設計；組件的饋電時序上，使收發通道工作在絕對的分時狀態。電源的完整性設計對T/R組件的正常、穩定工作也至關重要。造成電源不穩定的因素主要在于兩個方面：一是器件高速開關狀態下，瞬態的交變電流過大；二是電流回路上存在的電感。本文通過優化T/R組件內部的接地方式，尤其是LTCC內部的接地，在多層布線結構要求和地平面阻抗之間找到平衡點，采用對各種電源之間進行地隔離等措施改善電源之間的干擾。

1.2.2 接收通道設計

噪聲系數是接收通道的核心指標，在系統帶寬確定的狀態下，噪聲系數決定了系統的臨界靈敏度。接收支路需要實現幅度加權功能，所以相比于發射通道，在接收通道需增加數控衰減調節功能(通過幅相多功能芯片來實現)。為了降低整個T/R組件的噪聲系數，設計中需要對限幅器插損、低噪放大器的噪聲系數指標提出較高要求；同時低噪聲放大器的增益需要足夠高，以減少后級級聯對組件噪聲系數的惡化[10]。接收通道的具體增益分配如圖4所示。

圖4 接收通道鏈路增益分配

根據噪聲系數計算公式：

(1)

結合接收鏈路器件指標，可計算得T/R組件的噪聲系數為3.44 dB。

1.3 公共支路設計

組件公共支路上的幅相和工作時序控制是通過波控電路來實現。如圖5所示，T/R波控芯片主要實現串并轉換和數據鎖存功能；同時為簡化T/R組件控制接口，增強組件的工作可靠性，波控芯片具有邏輯保護、負壓保護、故障反饋等功能。

圖5 T/R波控芯片功能原理圖

1.4 結構和散熱設計

T/R組件主要由殼體、蓋板、多層電路板、輸入/輸出連接器等結構件組成，其中收發通道多層電路板和功分多層電路板分別焊接在組件殼體上，組件用螺釘固定在冷板上。為實現組件的小型化、高密度組裝，減小組件的體積重量，組件內部將采用LTCC基板，實現微波與低頻控制、電源混合布線，大大縮小組件電路布局尺寸；同時，LTCC的熱膨脹系數與GaAs芯片較為匹配，可簡化后期的組裝工藝[11]。組件殼體材料的選擇主要考慮材料密度、與LTCC基板熱匹配性、熱導率，同時考慮材料的比剛強度、加工性能和可焊性等；目前可供選用的材料主要有可伐合金、AlSi、AlSiC、鋁合金等。由于AlSi在重量上有優勢且導熱性好，與LTCC的熱匹配性更好，易批量加工等優點，本文最終選用AlSi。整個組件殼體一體化加工成形。

八通道T/R組件的熱量主要來自8個末級功率放大器芯片，在發射大脈寬工作時，功率芯片的熱流密度峰值近200 W/cm2，強迫風冷的散熱方式無法保證組件長時間正常工作，所以采用水冷散熱方式把功率放大器芯片所產生的熱量通過水冷散熱器迅速高效地傳遞到T/R組件的安裝底板上。為實現高效散熱，本文采用了280 ℃的Au80Sn20焊料將功率芯片共晶焊接在熱導率較高且膨脹系數與芯片相匹配的鉬銅載體上，再采用154 ℃的低溫焊料將鉬銅載體裝焊在殼體上，從而使功率芯片與殼體間形成一個快速散熱的通道。而其他小功率單片電路和非功率芯片對散熱要求較低，直接采用導電膠粘接于LTCC基板上。如圖6所示，組件安裝在集成化散熱板上，模塊化熱板設計采用了高效微通道冷板技術、高導熱材料技術、低界面接觸熱阻技術和一體化流道拓撲系統的集成設計技術。熱仿真表明，在占空比30%、冷卻液入口溫度35 ℃工作狀態下，T/R組件末級功率放大器處的殼溫88.0 ℃，器件熱阻1.6 ℃/W，T/R組件殼溫最高處的末級功放芯片結溫為88.0 ℃+1.6 ℃/W×12.8 W=108.48 ℃，低于GaN芯片最高結溫220 ℃的I級降額120 ℃要求(Tjm-100 ℃)。因此，本文的散熱設計能夠滿足器件高可靠工作要求。

圖6 組件熱設計結構示意圖

2 組裝工藝

本組件在工藝設計上，采用水平互聯設計，所有連接器都在組件的兩端，避免了垂直互聯設計的制造難度，改善了組裝可制造性。同時通過八通道模塊化設計，通道裝配自動流水化作業，采用AlSi盒體類零件精密加工技術、AlSi合金零件表面鍍覆技術、高精度微帶板設計及制造技術、LTCC電路基板設計及制造技術等確保了組件的可制造性成品率。

3 主要指標與測試結果

根據上述設計，研制了X-Ku波段寬頻段八通道T/R組件，如圖7所示。組件的性能測試結果見表1，主要測試曲線如圖8～12所示，其中f0=14 GHz。

圖7 T/R組件實物

表1 寬頻段T/R組件主要指標測試結果

圖8 發射輸出功率仿真和測試結果

圖9 接收增益仿真和測試結果

圖10 噪聲系數測試結果

圖11 移相精度測試結果

圖12 衰減精度測試結果

由圖8～9可知，發射輸出功率和接收增益等指標實測值與仿真值吻合度較好。其中，發射輸出功率實測值比仿真值略小0.5 dB左右，產生偏差的主要原因是實物中功放輸出端環行器、射頻連接器的失配比仿真情形嚴重。接收增益實測值比仿真值低1.0 dB左右，偏差主要來自實物鏈路芯片級間阻抗失配和功分網絡長微線帶來的更大損耗。

由表1和圖8～12可知，組件全頻帶內輸出功率≥23.9 W、噪聲系數≤3.52 dB、移相精度≤3.90°(RMS)、衰減精度≤0.94 dB(RMS)、駐波≤1.98、效率≥23%；并通過了老煉、力學、熱學等篩選和分組環境試驗，可滿足多功能雷達系統的應用需求。

4 結束語

本文針對寬頻段有源相控陣雷達對T/R組件的迫切需求，在突破八通道組件架構設計技術、基于LTCC整板的高密度集成設計技術、寬帶GaN功放高可靠高效率及散熱設計技術、高頻寬帶高隔離防腔體效應設計技術、組件模塊化設計及可制造性設計技術等關鍵技術基礎上，設計并研制出一款10～18 GHz寬頻段八通道T/R組件，組件實物通過相關篩選、環境試驗和陣面應用驗證。該組件將工作帶寬由之前的14～18 GHz拓展到10～18 GHz，輸出功率由之前的10 W量級提高到20 W量級，噪聲系數由之前的4.3 dB提升到3.52 dB；效率以及幅相精度指標明顯好于常規6～18 GHz T/R組件指標，可滿足多功能雷達系統的需求。本組件具有高頻、寬帶、高效、高集成的特性，可作為一類標準寬帶T/R組件推廣應用到新型綜合傳感器雷達系統、多功能綜合電子系統等中，應用前景廣闊。下一步將開展組件的片式化研究以應用于共形平臺雷達系統中，即采用3D微系統技術，信號內部通過疊層架構實現微波垂直互聯；收發通道采用“3芯片(限幅低噪聲放大器、幅相多功能芯片、功率放大器)”的高集成架構；外部接口采用RF-BGA；具有更高集成度和低剖面優點，可滿足未來有源共形陣列系統高密度布陣和低剖面的需求。