C 波段四通道高性能定標(biāo)T/R 組件設(shè)計(jì)

周演飛，彭高森

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

引言

T/R 組件作為有源相燮陣?yán)走_(dá)的核心部件，主要功能：發(fā)射時(shí)完成激勵(lì)信號(hào)的功率放大至天線單元輻射出去；接收時(shí)完成回波弱信號(hào)的低噪聲放大至接收機(jī)；通過燮制收發(fā)通道的幅相實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描功能。T/R 組件的性能指標(biāo)決定了雷達(dá)系統(tǒng)的能力，高可靠、大功率、高效率、小型化及低成本已經(jīng)成為高性能T/R 組件的重要標(biāo)簽。

T/R 組件在星載SAR 領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，在監(jiān)測海洋目標(biāo)以及成像等方面，C 波段有著更好的性能[1]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輸出高功率、高效率的C 波段多通道輕小型T/R 組件有重要意義。為實(shí)現(xiàn)對收發(fā)通道精確的校正，需要在T/R 組件內(nèi)集成小型定標(biāo)耦合器，用于采集收發(fā)通道的幅相信息。高性能的定標(biāo)耦合器通常具有弱耦合、高定向性且端口駐波小等特點(diǎn)，發(fā)射定標(biāo)時(shí)，耦合發(fā)射信號(hào)從定標(biāo)口輸出；接收定標(biāo)時(shí)，信號(hào)從定標(biāo)口輸入，耦合到接收通道[2]。為了減少定標(biāo)端口數(shù)量，定標(biāo)耦合器采用兩通道合成設(shè)計(jì)。定標(biāo)T/R 組件原理框圖見圖1。定標(biāo)耦合器放置在環(huán)行器與天線端口之間，兩路耦合對稱設(shè)計(jì)，確保幅相一致，通過合成網(wǎng)絡(luò)至定標(biāo)口。本研究設(shè)計(jì)一款輸出功率超過50W，具有高效率和高定向性耦合功能的C 波段四通道T/R 組件。

圖1 定標(biāo)T/R 組件原理框圖

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 收發(fā)鏈路

為減少射頻器件使用，做集成度更高的設(shè)計(jì)，采用“三芯片”設(shè)計(jì)方案：限幅低噪放芯片、多功能芯片和末級(jí)功率放大器。需合理分配收發(fā)鏈路增益以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，標(biāo)分解見圖2。收發(fā)通道分時(shí)工作，多功能芯片滿足6bit 幅度和6bit 相位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，又集成了驅(qū)動(dòng)放大器，在發(fā)射時(shí)，DPA 直接推動(dòng)末級(jí)功放到飽和狀態(tài)，節(jié)省了驅(qū)動(dòng)放大器芯片。限幅低噪聲放大器將外來不友好的大功率信號(hào)反射至環(huán)行隔離器的燮載電阻吸收，保護(hù)接收鏈路。末級(jí)功放采用GaN 功率管芯內(nèi)匹配和功率合成技術(shù)，將管芯和匹配電路燒結(jié)在金屬載體上，在X 波段及以下具有低成本、高輸出功率和高效率的優(yōu)勢。

圖2 收發(fā)鏈路分解

高效率的T/R 組件，需要做好末級(jí)功放的輸出匹配，功率放大器輸出經(jīng)常受匹配的影響較大，導(dǎo)致發(fā)射效率降低，需要在環(huán)行隔離器與末級(jí)功放之間增加一段過渡線，增加調(diào)試小島，將金絲的匹配考慮進(jìn)去，改善輸出匹配。

通過鏈路分析，T/R 組件輸出功率50 W，接收單通道增益25.9 dB，噪聲系數(shù)2 dB。

1.2 多層基板與封裝

多層基板材料應(yīng)具有傳輸損耗小、散熱好和布線密度高等特點(diǎn)。低溫共燒陶瓷LTCC 填充和鍍覆為金銀混合材料體系，高頻性能好，多作為星載T/R 組件的基板。同樣具有布線密度高的氧化鋁高溫共燒陶瓷HTCC，以鎢金屬作為填孔和印刷導(dǎo)體，在1 600 ℃左右完成共燒，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高[3]，具有明顯的低成本優(yōu)勢，缺點(diǎn)是高頻性能較LTCC 差。

設(shè)計(jì)15 層HTCC 基板，單層厚度選擇0.12 mm，介電常數(shù)9.6。布線時(shí)需要做到對射頻信號(hào)、燮制信號(hào)和脈動(dòng)電源信號(hào)之間的相互隔離和屏蔽，避免信號(hào)間的耦合和串?dāng)_。電子封裝材料需要能與HTCC 基板熱膨脹系數(shù)相匹配，且滿足高熱導(dǎo)率，高抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也要重量輕，機(jī)加和密封性能好。目前常用的封裝材料有可伐、鋁合金、鈦合金和硅鋁合金等，可伐和鈦合金優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能與陶瓷熱膨脹匹配，缺點(diǎn)在于熱導(dǎo)率差，無法滿足末級(jí)功放的散熱要求，鋁合金導(dǎo)熱性能好，但熱膨脹系數(shù)比陶瓷基板高太多，容易分層開裂，只有硅鋁合金能滿足要求。盒體和蓋板分別用27%Si-Al 和50%Si-Al 材料，可做到熱匹配和抗拉強(qiáng)度的兼顧。組件內(nèi)部的GaAs 和GaN 芯片是氫敏感器件。硅鋁盒體在生產(chǎn)加工過程中，氫氣會(huì)吸附在金屬內(nèi)部，在封蓋后的密閉空間下，氫氣緩慢揮發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部氣氛氫含量升高，會(huì)導(dǎo)致芯片性能下降，因此需要做好硅鋁盒體的除氫措施。

2 仿真設(shè)計(jì)

2.1 傳輸線

微帶傳輸線會(huì)使表層空間等不到充分利用，帶狀線埋在內(nèi)層，與芯片互連處，陶瓷基板需要挖腔處理，降低了基板可靠性，選擇微帶線- 帶狀線- 微帶線的傳輸方式，表面空間既能充分使用，還能起到電磁屏蔽，減小通道間耦合和空間電磁輻射。該傳輸線存在多處不連續(xù)，需要優(yōu)化端口駐波，建立仿真模型見圖3。

圖3 傳輸線仿真模型

鎢金屬電阻率大導(dǎo)致高頻特性差，信號(hào)頻率越高，傳輸損耗越大，仿真結(jié)果：6 GHz 以下，傳輸損耗小于0.3 dB，鏈路上有3 處該類型傳輸線，傳輸損耗約1 dB。優(yōu)化端口匹配，仿真駐波小于1.05，端口得到良好的匹配。T/R 組件工作在脈沖工作條件下，需要足夠的儲(chǔ)能電容以提供大的峰值電流，在帶狀線的上表面空間，需要放置儲(chǔ)能電容，為末級(jí)功放提供穩(wěn)定的電壓，保證發(fā)射功率頂降。

2.2 定標(biāo)耦合器

耦合器作為微波電路的基本單元，平行線微帶耦合器常應(yīng)用于弱耦合場合，結(jié)構(gòu)簡單，可方便的嵌入到T/R 組件[4]。非對稱電路耦合可減小電路尺寸，這對于T/R 組件的小型化至關(guān)重要。通常弱耦合電路要得到較高的定向性是很困難的，通過增加叉指補(bǔ)償提高定向性。建立仿真模型見圖4。

圖4 定標(biāo)耦合器仿真模型

定標(biāo)耦合器由平行耦合線和合成器兩部分組成，將電阻模型代入仿真。吸收燮載為100 Ω，隔離電阻為200 Ω，為保證兩路耦合的幅相一致性，采用對稱式設(shè)計(jì)，選用Rogers RT6002 陶瓷基板。通過優(yōu)化參數(shù)，仿真結(jié)果見圖5。

圖5 耦合度和隔離度仿真結(jié)果

從仿真曲線看出，C 波段1 GHz 帶寬的耦合度為32.2±0.5 dB，定向性大于30 dB，仿真結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

2.3 腔體設(shè)計(jì)

為避免通道間相互干擾，引發(fā)腔體諧振或鏈路自激，將收發(fā)通道進(jìn)行分腔處理。設(shè)計(jì)分腔見圖6。

圖6 腔體分腔設(shè)計(jì)

避免腔體本征諧振頻率落在工作頻率帶內(nèi)或附近，設(shè)計(jì)隔墻盡可能的長，隔墻高度與蓋板齊平，兩定標(biāo)耦合器也從中間隔開，防止互擾。仿真最低的諧振頻率為8.25 GHz，遠(yuǎn)超工作頻帶，從設(shè)計(jì)上消除腔體自激和通道相互耦合的風(fēng)險(xiǎn)。

3 實(shí)物與測試

采用微組裝工藝完成T/R 組件的裝配，實(shí)物見圖7。

圖7 T/R 組件實(shí)物

T/R 組件本體尺寸74 mm×70 mm×11 mm，重量150 g，射頻端口采用SSMA 射頻連接器。T/R 組件的耦合指標(biāo)可以通過接收通道測量。耦合度和定向性的實(shí)測結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 耦合度實(shí)測數(shù)據(jù)

圖9 定向性實(shí)測數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)得知，4 個(gè)通道的耦合度指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)一致，對比仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)，耦合度兩者基本吻合，定向性實(shí)測也大于20 dB，滿足指標(biāo)要求。耦合相位實(shí)測一致性僅±2°，定標(biāo)端口駐波小于1.2，定標(biāo)耦合器的通道一致性好。耦合度實(shí)測曲線帶內(nèi)有微小起伏，究其原因，仿真模型的端口完全匹配，而在實(shí)際端口受環(huán)行隔離器端口駐波的影響。C 波段600MHz 的工作帶寬，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)測試見表1。

表1 關(guān)鍵指標(biāo)測試

組件實(shí)測性能優(yōu)，輸出功率高，噪聲低，尤其是組件效率很高，全頻帶超過48%，屬于高效率T/R 組件，移相精度和衰減精度優(yōu)于雷達(dá)使用要求。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高功率和高效率四通道C 波段T/R組件，通過嵌入弱耦合、高定向性的合成定標(biāo)耦合器，可做到接收和發(fā)射的精準(zhǔn)內(nèi)定標(biāo)。同時(shí)，采用低成本和集成化設(shè)計(jì)，減小射頻芯片數(shù)量及互聯(lián)，生產(chǎn)裝配成品率更高，通道間幅相一致性更好。為進(jìn)一步的應(yīng)用在星載SAR 平臺(tái)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。