Ka波段高功率T／R組件的研制

宋 靜， 唐 亮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥230031）

1 引言

隨著毫米波段基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)不斷取得的重大進(jìn)展，毫米波段有源相控陣?yán)走_(dá)的性能獲得了極大的提升。而作為其核心部件的T／R組件，不僅占整部雷達(dá)成本的70%以上，而且其性能指標(biāo)的好壞將直接影響相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)能力、收發(fā)波束副瓣大小、指向精度和作用距離等技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。故指標(biāo)優(yōu)良、性能可靠的毫米波T／R組件是毫米波段有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

在國(guó)外，毫米波T／R組件研制已十分深入，并且有著成功運(yùn)用的例子，如美軍軍事衛(wèi)星通信用的44GHz毫米波有源相控陣發(fā)射天線陣的T／R組件，其組件功率輸出為28dBm，T／R組件總效率為21%～23%。在國(guó)內(nèi)，各大研究院所和高校也廣泛開(kāi)展了毫米波T／R組件的技術(shù)研究，本文介紹了一款應(yīng)用于星載環(huán)境中、高功率輸出的Ka波段T／R組件，從其電訊、工藝和結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方面進(jìn)行論述。

2 組件設(shè)計(jì)

A.組件方案

有源相控陣?yán)走_(dá)中的T／R組件主要是完成發(fā)射信號(hào)的大功率放大和接收信號(hào)的低噪聲放大，能實(shí)現(xiàn)波束對(duì)收／發(fā)信號(hào)進(jìn)行幅度和相位的控制，并根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)不同的極化方式。圖1為此Ka波段T／R組件工作原理框圖。

鑒于星載應(yīng)用平臺(tái)對(duì)有效載荷的要求，該組件需具備體積小、重量輕、性能指標(biāo)高、一致性好的特點(diǎn)，故在Ka波段T／R組件的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了單片集成電路（MMIC）和多芯片組裝（MCM）相結(jié)合的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以上特性。

圖1 T／R組件工作原理框圖

而在各項(xiàng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，輸出功率是該組件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。根據(jù)MMIC工藝特性，功率芯片的輸出能力隨工作頻率的升高而下降，為達(dá)到3.5W輸出功率的要求，組件的發(fā)射通道末級(jí)需由兩只功率放大器芯片合成輸出。

B、功率合成設(shè)計(jì)

在T／R組件設(shè)計(jì)中考慮功率合成，就必須對(duì)合成器的設(shè)計(jì)、功率芯片的一致性以及工藝裝連的對(duì)稱性提出很高要求。

其中Ka波段合成器的設(shè)計(jì)，既要考慮到合成效率，又要關(guān)注8mm波長(zhǎng)尺寸所帶來(lái)的影響，以及組件設(shè)計(jì)中必須考慮的小型化要求和易于平面集成特性。滿足這些要求的合成電路形式有基片集成波導(dǎo)合成電路和Wilkinson合成電路兩種，比較它們的尺寸大小、性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)難易程度，在設(shè)計(jì)中選擇了Wilkinson合成電路。同時(shí)鑒于隔離電阻的尺寸與8mm波長(zhǎng)相近以及工藝裝配的準(zhǔn)確性，為避免隔離電阻的不利影響，在 Wilkinson電路的設(shè)計(jì)中去除隔離電阻，為改進(jìn)型Wilkinson電路。

Wilkinson電路的設(shè)計(jì)選擇RT／Duriod 5880軟基板材料，按Ka波段最低TM模截止頻率選擇最佳基片厚度0.254mm，導(dǎo)體厚度18um，損耗角正切值為0.0009。通過(guò)軟件仿真可以計(jì)算出兩段50Ω微帶線線寬為 W1＝0.77mm，70.7Ω的線寬為W2＝0.43mm。按照上面的初始參數(shù)，利用HFSS仿真的結(jié)果計(jì)算，如圖2所示，在Ka波段，兩臂的功分比：端口二為－3.13dB，端口三為－3.11dB，合成端口一的駐波為1.23，端口二、三的駐波均在1.9以下，兩臂的隔離度在－13dB以下。

圖2 改進(jìn)型Wilkson電路

同時(shí)，在工藝裝連的過(guò)程中，金絲鍵合的質(zhì)量對(duì)功率放大器芯片的性能有較大的影響，金絲鍵合的高度應(yīng)盡可能地小，以減小金絲的高頻輻射效應(yīng)。同時(shí)，源極采用多根長(zhǎng)度小于0.2mm并聯(lián)金絲，使得引入的等效電感小于0.02nH，防止源極連接不良造成的潛在不穩(wěn)定現(xiàn)象。

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)，兩片功率芯片的合成輸出功率實(shí)測(cè)值為5W。

C、結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

考慮基板熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率的匹配以及盒體氣密性等因素，選擇Kovar材料作為組件結(jié)構(gòu)的盒體材料。

在組件的微組裝方面，所有的裸芯片全部采用焊接工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，未采用導(dǎo)電膠，避免因?qū)щ娔z配膠、固化等因素而造成導(dǎo)電性的離散和因?qū)щ娔z的穩(wěn)定性原因而造成的早期失效，從而避免造成T／R組件性能的離散和不穩(wěn)定，確保T／R組件在各種環(huán)境條件下都能正常穩(wěn)定的工作。其中，需要散熱的功率放大器芯片，則是通過(guò)Au80Sn20焊料在300℃溫度下以共晶焊工藝焊接在鉬銅載體后，再焊接至Kovar盒體所鑲嵌的散熱性能良好的無(wú)氧銅熱沉位置。

此外，基板材料也采用焊接工藝，保證與盒底材料85%以上的釬著率。在芯片與微帶板之間的射頻互連采用金絲熱壓焊，其他低頻信號(hào)之間的互連則采用金絲球焊。最終的Kovar盒體采用平行縫焊工藝實(shí)現(xiàn)組件氣密性設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

Ka波段T／R組件的測(cè)試采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)GPIB總線將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)源、峰值功率計(jì)等連接到計(jì)算機(jī)上，自動(dòng)設(shè)置測(cè)試參數(shù)，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，提高測(cè)試效率。

圖3為該組件的實(shí)物照片，圖4為組件的發(fā)射功率的測(cè)試曲線圖。

圖3 Ka波段高功率T／R組件照片

圖4 Ka波段高功率T／R組件發(fā)射功率測(cè)試曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)功率合成技術(shù)的研究，該Ka波段T／R組件實(shí)現(xiàn)了3.5W高功率輸出，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。而作為有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一，T／R組件的設(shè)計(jì)越來(lái)越引起重視。要研制出具有批量、性能穩(wěn)定可靠且一致性優(yōu)良的T／R組件，需要電訊、結(jié)構(gòu)和工藝的密切配合。當(dāng)電路的關(guān)鍵技術(shù)突破以后，批生產(chǎn)的制造技術(shù)則變得更為重要。

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