一種X頻段多通道10 W瓦片收發組件設計 *

劉 僑 ，宮振慧，賈 雙

(中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所，江蘇 無錫 214063)

0 引 言

收發組件是相控陣雷達中的核心部件，成本占整套雷達的50%以上，主要完成小信號的接收和大信號的發射。為了滿足現代雷達小型化需求，收發組件采用三維堆疊瓦片形式，較平面式收發組件縮小50%以上，無論是尺寸還是重量都有巨大的優勢。

根據報道，中國電科14所和55所的瓦片組件已經實現量產，功率均集中在瓦級，區別在于前者的組件內部沒有環行器，后者的組件已經集成在一起。國外的瓦片組件報道較少，目前已知的雷神公司的瓦片組件已經交付使用，4通道輸出功率不超過5 W。

本文給出了一種X頻段16通道、高密度收發組件的設計。組件輸出功率為10 W，6位移相和衰減，內部垂直互聯部分采用橢圓同軸結構實現射頻信號的低損傳輸。

1 收發組件原理

TR組件收發分時工作，原理框圖如圖1所示。接收狀態時小信號經由環行器、限幅器、低噪聲放大器、多功能芯片、功分器進入后面的低功率處理單元；發射狀態時小信號經由功分器、多功能芯片、驅動放大器、功率放大器和環行器輸出到輻射器，最后由陣面將能量輻射出去。

圖1 TR組件原理框圖

多功能芯片由開關、移相器、衰減器和放大器組成。由于組件分時工作，這些器件可以收發共用。一般衰減和移相位數為6位，在接收和發射態完成信號的快速變換，實現波束控制等功能。

TR組件主要指標要求輸出功率10 W，噪聲系數小于3.5 dB，移相均方小于5°，衰減均方小于1 dB。一個集合口，16個收發通道。天線口使用環行器實現收發切換，同時散熱面緊貼集合口。

2 收發組件設計

2.1 收發電路設計

組件的三維爆炸圖如圖2所示。TR組件散熱面緊貼集合口，功率放大器需焊接在散熱面上(圖2中部件1上部)。低噪聲放大器和環行器緊靠天線口(圖2中部件5位置)，保證噪聲系數能滿足指標要求。整個組件輸入輸出口的接插件均為玻璃燒結結構，同時結構件通過激光焊接來保證整個組件氣密性。

圖2 組件三維爆炸圖

TR組件一致性非常重要，包括相位以及幅度的一致性。電路版圖盡量對稱設計，同時在鏈路上設計調相器以及固定衰減器，通過微調來保證每個通道的一致性。

本設計接收鏈路增益為20 dB，發射鏈路增益為28 dB，鏈路內置了衰減器，實際局部增益更大。功放芯片熱耗很大，若熱量沒法及時導出，功放的功率以及效率都會下降，嚴重情況下會燒毀芯片。在電路設計中，功放需要直接貼在散熱面上；同時多功能芯片和低噪聲放大器芯片間容易串擾，需要做好隔離。

組件由兩塊電路板組成，分別為多功能功分發射板以及環行接收板，均為射頻電路壓合板，板間通過毛紐扣實現垂直互聯，布局如圖3所示。

圖3 多功能功分發射板環行接收板

多功能功分發射板緊貼散熱冷板，大功率功放焊接在這塊冷板上，如圖4中A3所示。考慮信號屏蔽，射頻電路采用帶狀線形式，電路局部挖腔，芯片均下沉在腔體內避免信號出現串擾。其中多功能芯片A1和驅放A2設計在一個腔體內，功放則在另一個單獨的腔體內。

圖4 A區域內芯片分布圖

在圖5中，B1為功分器裸片，尺寸很小，帶內插損為0.5 dB，隔離度大于22 dB。功分器粘接在小腔體內，通過金絲鍵合方式與帶狀線相連。

圖5 B區域內芯片分布圖

接收環行板器件布局在圖6中給出，主要由環行器和低噪放組成。D1、D2、D3分別為環行器、限幅器、低噪放，D4為天線口。芯片通過導電膠粘接在小腔體內，環行器粘接在結構件上，通過金絲鍵合與帶狀線相連。射頻走線為了湊相位導致折彎較多，保證組件每個通道的相位一致性。

圖6 D區域內芯片分布圖

2.2 垂直互聯設計

垂直互聯框架具體形式如圖7所示，內置垂直互聯同軸，同時在每個通道位置 “凹”型挖槽，給芯片預留空間同時也能起到通道間的隔離作用。

圖7 垂直互聯框架

組件垂直互聯采用毛紐扣加介質柱的同軸形式來實現。介質采用聚四氟乙烯，不僅體積小，還可以保證良好的微波傳輸性能。

毛紐扣直徑為0.508 mm，壓縮狀態下會膨脹10%，仿真模型如圖8所示。

圖8 毛紐扣垂直過渡模型

帶狀線到毛紐扣之間的過渡由于空間緊湊，介質柱采用橢圓結構，與一般的圓形同軸相比，在某個方向上尺寸減小，但是在另一個方向會變大較多，具體尺寸較隨意，只需要保證是50 Ω的特性阻抗就行。通過HFSS軟件建模仿真，仿真結果表明其性能很好，整個頻段內S11和S22均在-40 dB以下。

3 結構工藝實現

X頻段收發組件兩層印制材料均為微波多層板。兼顧熱膨脹系數的匹配、導熱性、激光焊接性能、重量等方面的要求，收發組件結構件材料選擇如表1所示。

表1 組件結構件材料選型

為滿足組件產品氣密性要求，產品對外接口SMP、SSMP接頭、15芯矩形插座均采用玻璃燒結的密封器件,并采用回流焊工藝實現氣密；結構件間采用激光焊工藝實現氣密，即多功能功分發射板蓋板及環行接收板蓋板進行激光焊接實現密封。

整個工藝設計主要涵蓋射頻基板大面積接地互連、元件及連接器的組裝與焊接、芯片共晶焊接、芯片環氧粘接、芯片鍵合互連、板間垂直互聯、激光密封焊接及三防處理等。

射頻基板可采用成熟的共晶燒結工藝，進行電路板與組件盒體間的焊接；可采用共晶焊接的工藝，實現高功率芯片與鉬銅載體互聯，構成高功放芯片組件的部件，實現良好散熱的效果；片式阻容元件、接插件均采用成熟的再流焊接的工藝方法與多層板及盒體互聯；高功放芯片組件采用低溫焊膏焊接至盒體；其余芯片及部件均采用導電膠進行膠接；芯片、微帶板等之間互聯采用金絲或金帶的引線鍵合工藝；盒體整體密封采用激光焊接，滿足國軍標氣密性要求；最后進行整體組件的“三防”及打標處理，保證產品的長期高可靠使用的要求。

組件實物如圖9所示，上下兩個15芯接插件，分別為供電和控制接口。一個集合口采用SMP接插件，16個天線口采用SSMP接插件。整個組件尺寸為66 mm×84 mm×12 mm。

圖9 TR組件實物圖

4 實測結果

組件的效率受發射輸出功率影響很大。組件內部GaN功放的輸出功率為42 dBm，毛紐扣損耗為0.5 dB，環行器在X頻段的中心頻點損耗為0.6 dB，兩個邊帶會惡化到0.8 dB，實測結果見表2。

表2 TR組件實測結果

測試條件在實驗室進行，儀器主要為是德科技的矢量網絡分析儀N5244A、信號源E8257D和功率計N1911A等。

組件測試數據均為最差指標。組件輸出功率為10 W，噪聲系數優于3.2 dB，同時均方也滿足系統要求。組件質量140 g，滿足指標要求。

5 結 論

組件尺寸較小，同時內置了環行隔離組件，整個組件內部芯片的布局就顯得尤為關鍵。組件測試結果良好，可以滿足系統的使用要求。但是在裝配以及測試過程中，毛紐扣的報廢率有點高，這個問題還有待研究和改進。