T/R組件核心技術(shù)最新發(fā)展綜述(一)

吳禮群，孫再吉

(南京電子器件研究所，南京 210016)

0 引言

以固態(tài)T/R組件為核心的有源相控陣(AESA)技術(shù)在雷達、電子戰(zhàn)、制導武器和通信等領(lǐng)域都得到了廣泛應用。固態(tài)有源相控陣雷達具有快速電掃描、數(shù)字波束形成和空間功率合成等優(yōu)點，可同時完成預警、跟蹤、制導和火力控制等多種功能，具有非常強的多批目標處理功能，是現(xiàn)代作戰(zhàn)體系依賴的先進裝備。迄今為止，各種地面防空、艦船防御、導彈制導、炮位偵察、機載火控和靶場測量等普遍采用了有源相控陣雷達技術(shù)。無論是何種用途的有源相控陣雷達，其每個或數(shù)個輻射單元后均接有一個固態(tài)T/R組件，一部有源相控陣雷達，少者需幾十數(shù)百，多則要成千上萬個T/R組件，T/R組件的性能直接決定了雷達整機的各項指標，可見T/R組件是固態(tài)有源相控陣雷達的核心。

GaAs微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)和微波多芯片組件(MMCM)技術(shù)成為有源相控陣雷達T/R組件發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。隨著以SiC和GaN為代表的第三代半導體器件和電路的發(fā)展及新的MMCM技術(shù)的應用，將會使有源相控陣雷達用T/R組件構(gòu)成及功能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

1 T/R組件及其核心技術(shù)

T/R組件是現(xiàn)代雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分，因此美國DARPA/MTO十分重視對新一代有源相控陣(AESA)T/R組件使然技術(shù)的研發(fā)，在近幾年中相繼推出 WBGS－RF、ABCS、SMART、ISIS－CTD 和 SWIFT等諸多計劃［1］。

2005年執(zhí)行的寬禁帶半導體－射頻(WBGSRF)計劃旨在研發(fā)高功率、高效率的GaN基MMIC，以此來推動雷達系統(tǒng)進一步降低功耗，延長工作壽命和簡化組件的散熱系統(tǒng)。該計劃第二階段的目標是解決SiC襯底GaN HEMT器件的可制造性、成品率和可靠性等問題，該階段的目標在2008年4月份已全面實現(xiàn)，特別是器件可靠性得到了有效解決，為工程化應用奠定了基礎(chǔ)，其中Raytheon/Cree團隊實現(xiàn)的可靠性指標150℃結(jié)溫下MTTF 1×107小時，Northrop Grumman團隊實現(xiàn)了 MTTF 1.9×109小時。2009年～2010年是計劃的第三階段，該階段的目標是研發(fā)SiC襯底GaN MMIC T/R組件。計劃最終實現(xiàn)目標是:工作時間超過106小時，工作溫度達150℃，而輸出功率退化小于1 dB的GaN T/R組件。

根據(jù)目前的報道說明第三階段是由Triquint公司領(lǐng)導的，該計劃至少到2010年5月還在進行，其成果在2011年的國際微波會議上也有所披露。Triquint公司除了進行該計劃外，還接受了2009年開始實施的NEXT計劃的合同。一般認為，NEXT計劃是WBGS—RF計劃的繼續(xù)。通過NEXT計劃的實施，有望利用GaN材料，把RF和混合信號電路的性能提升到更高層次，包括有源混頻器，D/A、A/D轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字合成器等，進一步推動新一代T/R組件技術(shù)的發(fā)展。

1.1 MMIC 技術(shù)

美國DARPA MMIC計劃的成功執(zhí)行，給軍用微波系統(tǒng)產(chǎn)生了劃時代的影響。而推動MMIC技術(shù)的關(guān)鍵因素是:① 晶片、外延生長和離子注入等材料技術(shù)的進步，GaAs、InP和GaN等一代又一代半導體材料的應用與開發(fā);② 光學光刻、遠紫外光刻和電子束光刻等光刻技術(shù)的發(fā)展促進了微細加工技術(shù)的進步;③ 成熟的GaAs MESFET、HEMT和HBT技術(shù)提供了各種高性能的有源器件;④表征有源器件和無源器件的模型，以及微波電路CAD的開發(fā);⑤ 先進封裝技術(shù)和在片測試等支撐技術(shù)的開發(fā)應用。

1.1.1 功率放大器MMIC

功率放大器MMIC在T/R組件中的主要功能是將信號電平進行放大，達到預定的單元發(fā)射功率電平。為了同時滿足高功率和高效率的要求，電路中的器件特別是末級器件多工作在非線性狀態(tài)。MMIC功率放大器在T/R組件中是公認的最關(guān)鍵的電路，其關(guān)鍵指標為功率、效率、帶寬及工作電壓等。對T/R組件可靠性影響最大的也是功率放大器MMIC。

目前國外研發(fā)生產(chǎn)PA MMIC產(chǎn)品比較知名的公司主要有MA/COM、TriQuint和UMS等公司。TriQuint公司在國際上屬于領(lǐng)先地位，尤其在寬帶大功率方面有多款性能領(lǐng)先的功率放大器芯片。TriQuint公司推出的一款X波段的功率芯片TGA9083最為典型:頻率范圍 6.5 GHz～11 GHz，最大輸出功率大于9 W，效率40%。M/A-COM公司最近推出的產(chǎn)品MAAPGM 0079-DIE，頻率范圍7.5 GHz～ 10.5 GHz，輸出功率大于 17 W，效率30%［2］。

1.1.2 低噪聲放大器MMIC

低噪聲放大器用在T/R組件中主要作用是將接收到的微弱信號進行放大。噪聲系數(shù)是其最重要的性能指標，對系統(tǒng)的接收靈敏度產(chǎn)生影響。通常接收系統(tǒng)中的低噪聲放大器電路中的器件處于線性工作狀態(tài)。

就相控陣雷達而言，動態(tài)范圍和工作頻段指標對多任務(wù)系統(tǒng)極為重要。在亞毫米波成像焦平面技術(shù)(SWIFT)項目中，驗證了InP器件的特征頻率大于500 GHz。該項目的目標是開發(fā)出50 mW的信號源，以及在340 GHz頻率下，噪聲系數(shù)(NF)小于8 dB的LNA MMIC;LNA MMIC目前的水平是工作頻率為270 GHz，增益為11.5 dB。研發(fā)人員將進一步降低LNA MMIC的噪聲系數(shù)、提高動態(tài)范圍和提高工作頻率，有助于研發(fā)的T/R組件適用于極小的移動平臺［3］。

1.1.3 移相器MMIC

在AESA體制中，為大量輻射單元提供不同相位的微波信號。在T/R組件中主要有三種移相器設(shè)計方案。①用PIN開關(guān)二極管實現(xiàn)的數(shù)字式移相器;②用MMIC實現(xiàn)的數(shù)字式移相器;③ 用矢量調(diào)制器實現(xiàn)的移相器。

MMIC移相器產(chǎn)品的主流工藝加工技術(shù)為0.5 μm PHEMT 和 0.25 μm PHEMT 技術(shù)。0.25 μm PHEMT技術(shù)具有較低的開關(guān)插入損耗和較高的頻率性能，0.5 μm PHEMT技術(shù)具有較低的成本。N位數(shù)控移相器采用N位電路級連的方式排布，按控制提供步進為(360°/2N)的2N種狀態(tài)的相移量。數(shù)控移相器的主要技術(shù)指標有:位數(shù)、工作頻帶、相移精度、插入損耗、各態(tài)幅度變化和電壓駐波比等。諾·格公司曾演示過一種垂直集成的8 GHz 3D MMIC移相器，采用了一種共有7層金屬層的5層苯并環(huán)丁烯(BCB)工藝。這種多層技術(shù)與該公司的0.15 μm GaN HEMT技術(shù)完全兼容，使得MMIC實現(xiàn)超小型化，顯著減小了MMIC的尺寸和成本。這一技術(shù)的重要優(yōu)點是實現(xiàn)了保持高隔離度的3D MMIC的垂直集成組件［4］。

采用MEMS開關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)低損耗移相器MMIC也是當前的發(fā)展趨勢之一。用MEMS開關(guān)取代固態(tài)開關(guān)的移相器，其性能得以大大改善。RF MEMS移相器的損耗在任一頻段下都很小，比同類固態(tài)移相器至少小3～7 dB。這意味著T/R組件中可減少一個或兩個放大級。

1.2 MMCM 技術(shù)

微波毫米波多芯片組件(MMCM)是為滿足相控陣雷達T/R組件小型化需求而逐步發(fā)展和成熟起來的一種新型組裝技術(shù)。微波T/R組件對小型化有著嚴格的要求。隨著雷達工作頻率的不斷提高，波長越來越短，必須減小T/R組件的截面尺寸。如X波段T/R組件的截面尺寸必須控制在十幾毫米量級甚至更小。微波T/R組件的小型化取決于兩大關(guān)鍵技術(shù):一是成熟的固態(tài)MMIC技術(shù)，二是組裝n個MMIC的MMCM封裝技術(shù)。

1.2.1 LTCC 多層基板

LTCC在所有微波多層互連基板技術(shù)中是最成熟的，在MMCM中也是使用最頻繁的一種技術(shù)，主要用于高速、高頻系統(tǒng)。采用生瓷片為基板材料，以導漿料絲網(wǎng)印刷成走線和填充層際互連通孔。布線完成后的生瓷片逐層堆疊、熱壓，然后在氣體中燒結(jié)。

共燒陶瓷多層基板的發(fā)展非常迅速，其重點是低溫共燒陶瓷型。共燒陶瓷多層基板將來的應用領(lǐng)域主要為:高頻應用、新型陶瓷材料、埋置無源元件、細間距互連和熱控制技術(shù)。

在未來幾年，LTCC無源器件的高密度集成將進一步快速發(fā)展，由數(shù)百乃至數(shù)千個無源器件構(gòu)成的毫米波無源集成器件，如X波段的128單元的平面天線陣等。細線技術(shù)也將成為共燒陶瓷的發(fā)展趨勢，未來的目標是使導電帶的寬度和間距小于25 μm。隨著細線技術(shù)的發(fā)展，這個目標將會達到。未來軍事系統(tǒng)中要求的共燒陶瓷多層基板能工作在40 GHz～60 GHz的高頻范圍內(nèi)，LTCC材料很快能達到此要求。

LTCC技術(shù)可以應用于制作濾波器、壓控振蕩器(VCO)、功率放大器、鎖相環(huán)路(PLL)和天線等。

1.2.2 微波高密度互連(MHDI)

MHDI技術(shù)是在20世紀80年代末由美國Lockhead Martin公司與GE公司聯(lián)合開發(fā)的一項關(guān)于聚酰亞胺/金屬薄膜多層(TFML)互連系統(tǒng)的實用化研究，研究的初衷是用薄膜工藝的多層互連來替代早期MMCM中的金絲連線，從而提高互連密度并具有可重復性和可生產(chǎn)性。20世紀90年代初、中期趨于成熟，具有高成品率、低成本和無引線鍵合的特點。

在MMCM的互連技術(shù)中主要采用倒裝芯片(FC)和微波高密度互連(MHDI)技術(shù)。所謂“芯片朝上”(face up或chip first)，還是“芯片朝下”(face down或chip last)的討論，其實質(zhì)是以MHDI為代表的芯片朝上工藝與FC為代表的芯片朝下工藝的討論。

FC和MHDI兩種技術(shù)的比較，在熱特性方面，MHDI的芯片直接置于熱通孔上，再加上使用AIN多層陶瓷，其導熱性能肯定比FC好;而認同F(xiàn)C的科技人員認為，芯片發(fā)熱區(qū)是在表面，芯片朝下可不通過導熱較差的GaAs材料而直接通過金或銀凸點到達基板。在對比實驗中，“朝上”的GaAs芯片中結(jié)溫上升了14.9℃，而“朝下”的僅上升8.9℃。在可生產(chǎn)性方面，F(xiàn)C占優(yōu)勢。FC是基板和芯片分離的工藝，直到后道才將它們裝為一體，可以控制各自的成品率，而提高組件的成品率。

MHDI技術(shù)可看作為MMCM的專用芯片互連技術(shù)，一般不用于單芯片模塊。MHDI的特殊性在于互連電路和安裝基板在空間上分離了。芯片首先貼裝在基板上，基板主要完成支撐和散熱作用?；ミB電路是在眾多芯片表面上逐層制作的，所以又稱為“芯片先行(chip first approach)”。

2 T/R組件發(fā)展中的新技術(shù)

由于 T/R組件的關(guān)鍵性作用，DARPA/MTO十分重視對新一代AESA T/R組件使然技術(shù)的研發(fā)，所涉項目從器件、材料到封裝無所不包。從器件材料來講，重點是第三代(寬禁帶)半導體器件和MMIC的研發(fā)，以實現(xiàn)新一代高功率、高效率的MMIC。其工作頻率、帶寬都將比目前的 GaAs MMIC有大幅提升，并能有效降低功耗。在封裝方面，主要是研發(fā)新型圓片級異構(gòu)集成(heterogeneously integrated)技術(shù)，該技術(shù)可將不同的子陣列合成在一起，且不影響系統(tǒng)性能。DARPA/MTO各項目的研發(fā)戰(zhàn)略可歸納為兩點:① 大幅提高單個器件、MMIC的技術(shù)水平，使各類T/R組件發(fā)生革命性變化;②研發(fā)新的集成方案，在提高性能的同時使體積、重量和成本方面取得突破。

近幾年來DARPA/MTO推出了多項計劃支持三維圓片集成T/R組件的研發(fā)，采用高度集成的多功能模塊形成可縮放的子陣，進而實現(xiàn)更大規(guī)模陣列和低成本小型陣列。在 MTO的相關(guān)計劃中，WBGS－RF計劃目的是研發(fā)高功率、高效率的SiC基GaN器件和芯片;ISIS－CTD計劃的目的是超低功耗ABCS材料及其LNA的研發(fā);SMART計劃的目的是研究T/R組件自身集成技術(shù)和T/R組件與天線陣列的集成技術(shù)，這些集成技術(shù)將進一步促進T/R組件內(nèi)的異構(gòu)集成，已有MMIC間的圓片級規(guī)模集成(如，將GaN PA、ABCS LNA與InP ADC的集成)。SWIFT計劃的執(zhí)行促進InP器件及芯片的研發(fā)，使低成本毫米波陣列和更高頻率陣列成為可能;COSMOS計劃的目的是實現(xiàn)多種化合物半導體器件與VLSI CMOS器件集成，在單個芯片上實現(xiàn)更為復雜的電路，該計劃也將推動WIS技術(shù)的發(fā)展，而異構(gòu)集成電路的實現(xiàn)大大拓寬了集成電路的應用范圍［5］。

2.1 GaN微波功率器件

目前全世界GaN功率MMIC的研究主要集中在X波段、毫米波及寬帶等熱門應用上。

2007年美國TriQuint半導體公司研發(fā)了一種在微波毫米波頻率實現(xiàn)高功率、高附加效率和低噪聲的AlGaN/GaN HEMTS。該器件以SiC材料為襯底，采用0.25 μm柵長的凹槽柵結(jié)構(gòu)。在10 GHz、20 GHz和35 GHz下分別獲得的功率附加效率為62%、57%和47%。在10 GHz、30 V偏壓下的功率附加效率是67%，功率增益為11.3 dB，功率密度為5.6 W/mm。該器件在26 GHz下的噪聲系數(shù)為1.4 dB，在 18 GHz時為 1.0 dB。從各種性能看，與迄今報道的GaAs PHEMT相當，但在相同頻段上的輸出功率密度是PHEMT器件的4～5倍［6］。

采用寬禁帶GaN和SiC MMIC芯片可使T/R組件的功率增加1個量級。GaAs T/R組件被5～10倍于其功率的GaN或SiC T/R組件所替代，有利于提升現(xiàn)有AESA的性能［7］。

2011年國際微波會議上Triquint團隊所在的BAE公司報道了DMS 328-2(DFP)型號，工作在2～20 GHz的超寬帶GaN功率MMIC，該功率MMIC性能指標為:輸出功率最大值21.6 W、最小值16.0 W，功率附加效率最大值35.7%、平均值25.9%。2～20 GHz超寬帶GaN功率MMIC的研制成功使得2～20 GHz超寬帶GaN T/R組件的研制成為可能，也充分展示了GaN HEMT在超寬帶、大功率應用中的廣闊前景［8］。

此外，2011年9月日本富士通實驗室在互聯(lián)網(wǎng)宣布，該實驗室已經(jīng)成功開發(fā)出號稱世界第一枚覆蓋C～Ku波段的采用GaN HEMT技術(shù)的T/R組件。該組件的特征是輸出10 W的功率，可以在C～Ku波段(即6 GHz～18 GHz)的帶寬內(nèi)工作。

2.2 RF－MEMS技術(shù)

MEMS在相控陣天線中的應用有多種，其中之一是用MEMS實現(xiàn)移相器的相移功能和實現(xiàn)寬帶相控陣雷達要求的實時延遲線(TTD，true time Delay)或時間延遲單元(TDU，time delay unit)。由于MEMS工藝是一種基于微機械(micro machine)的技術(shù)，所以可以融合到3D MMIC之中［9］。MEMS在相控陣天線及其他RF電路中的應用是MEMS開關(guān)及移相器、低損微帶傳輸線、微機電天線(MEM－tenna)和相控陣可重構(gòu)天線等。

2.2.1 MEMS 開關(guān)器件

通過DARPA的RF MEMS改進項目的贊助，美國Radant MEMS公司研發(fā)了一種采用懸臂梁的三端器件。這種器件采用全金屬、表面微切削加工工藝在高阻硅基片上制成。完整的模片尺寸僅為1.5 mm2，包含一大小為 100 μm ×50 μm 的 MEMS。模片的大部分被傳輸線、鍵合片和壓頂占用。所取得的一項重要成就是在晶片大小的氣密封裝中封裝這些開關(guān)，要做到既滿足低成本和氣密性要求，又要使其射頻性能的影響最小。該公司的低頻MEMS開關(guān)在50 Ω系統(tǒng)中的典型串聯(lián)插損在10 GHz時為0.25 dB。其他 MEMS開關(guān)的工作帶寬很寬，1.5 mm2模片內(nèi)單個 MEMS開關(guān)在 DC至40 GHz范圍內(nèi)的插損小于 0.5 dB。海軍研究實驗室(NRL)用Radant MEMS公司的這種開關(guān)在18個月連續(xù)可靠性測試中完成了9000多億次開關(guān)循環(huán)測試［10］。

2.2.2 相控陣可重構(gòu)天線

可重構(gòu)天線是MEMS的另一重要研究項目。基于MEMS的可重構(gòu)天線亦稱為可重構(gòu)孔徑，DARPA支持可重構(gòu)孔徑(RECAP)項目的目標有:① 演示電子可重構(gòu)天線概念的可行性;②動態(tài)自適應改變天線方向圖;③實現(xiàn)大于倍頻程的帶寬覆蓋。動態(tài)地、自適應地改變相控陣天線的方向圖是提高雷達與目標環(huán)境、雜波環(huán)境、電磁環(huán)境匹配的關(guān)鍵。至于實現(xiàn)大于倍頻程的帶寬覆蓋則是實現(xiàn)多波段雷達的關(guān)鍵。這些都是雷達研究的前沿課題［11］。

可重構(gòu)天線孔徑研究項目的一個重要目的是提高相控陣雷達的信號帶寬，隨著工作信號頻率的大范圍變化或信號頻段的變化，天線單元的拓撲圖形也應隨之發(fā)生變化。

在RECAP項目中另一個重要課題是超寬帶天線(UWB percolating antenna)設(shè)計。承擔該項目的是GTRI。其目標是研制寬帶可重構(gòu)天線的核心技術(shù)與集成方法，包括超寬帶砂濾型天線設(shè)計，磁激活的MEMS開關(guān)。寬頻帶地平面與光子禁帶結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，并要建立一個用于信號偵察與衛(wèi)星通信的可重構(gòu)天線孔徑，它的工作頻段覆蓋范圍應從0.8 ～12 GHz擴展至0.2 ～30 GHz。

2.2.3 盒式結(jié)構(gòu)MEMS陣列天線

盒式結(jié)構(gòu)陣列并非是一個新概念，實際是大家熟知的一個列線陣(也可以是一個行線陣)，每個列線陣包括多個天線單元，實驗中為8個天線單元，每一天線單元有一個MEMS移相器，因此這一列線陣可以在仰角方向進行相控掃描;每一個列線陣包含一個T/R組件，在發(fā)射工作狀態(tài)下，T/R組件中固態(tài)發(fā)射機的輸出功率經(jīng)功率分配網(wǎng)絡(luò)將發(fā)射信號分配給列線陣中的各個單元。多個盒式列線陣組裝在一起，構(gòu)成整個天線。這種天線系統(tǒng)實際上是子天線陣級別上的有源相控陣天線系統(tǒng)，其中移相器的開關(guān)、T/R組件中的放大器、天線單元、微波功率分配網(wǎng)絡(luò)等均是用大規(guī)模集成電路工藝集成為一個整體。

盒式結(jié)構(gòu)的行線陣的多層結(jié)構(gòu)約為0.25英寸(1英寸=25.4 mm)，多層結(jié)構(gòu)的底層是T/R組件層，由下而上分別為射頻微帶分配網(wǎng)絡(luò)層、無源與有源陣列天線單元層和陣列保護層。這是一種“瓦片式陣列(tile array)”多層結(jié)構(gòu)，各層疊加在一起構(gòu)成一個完整的線陣系統(tǒng)。

2.3 共形天線陣列［12］

共形天線陣列是當前天線技術(shù)中最重要的發(fā)展之一，將對有源相控陣雷達、電子戰(zhàn)和通信等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響，同時對平臺的設(shè)計也將帶來一次革命。

目前已嘗試在飛機的機翼上蒙上X波段的天線陣列，也正在研究其他頻率的陣列，如 VHF、UHF、S、X、Ku和Ka等波段。由于考慮器件對高功率微波攻擊的易損性，設(shè)計者采用GaN材料制作T/R組件的HPA和LNA。

共面組裝T/R子陣的概念導致圓片規(guī)模集成(WSI)，而WSI的成功關(guān)鍵在于大面積下的高成品率，且圓片生產(chǎn)階段必須完成密封保護工藝。

美國空軍正在進行的共形天線項目主要有兩項，一是“結(jié)構(gòu)一體化X波段陣列(SIXA)”項目，另一個是“傳感器飛機共形低波段天線結(jié)構(gòu)(SCLAS)”項目。

SIXA項目中雷聲公司和波音公司都將獨立設(shè)計并制造出長20英尺(1英尺=0.3048 m)的共形天線，作為飛機機翼的一部分，在約3平方英尺的范圍內(nèi)安裝有源器件。S－CLAS項目是為美國空軍研究實驗室的傳感器飛機設(shè)計共形陣列，諾·格公司將在傳感器飛機的大型機翼上研制一個由25個單元組成的UHF結(jié)構(gòu)一體化陣列。在兩個項目中都在研究機翼彎曲對陣列性能的影響及彎曲補償技術(shù)。