ka頻段片式一體化發(fā)射組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

T/R組件是有源相控陣天線的關(guān)鍵部件，與傳統(tǒng)磚式T/R相比，片式T/R組件具有低廓線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易于進(jìn)行天線的共形設(shè)計(jì)。片式T/R組件在減輕重量，減少體積方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。

在ka頻段實(shí)現(xiàn)寬角掃描，輻射單元的間距非常小，片式組件在在兩個(gè)方向上均受格距限制。垂直互聯(lián)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)和低頻信號(hào)在多個(gè)亞層間傳輸，是實(shí)現(xiàn)片式組件的關(guān)鍵[2]。相控陣組件內(nèi)通常需要集成移相、衰減、功率放大、電源調(diào)制等功能，只有采用高密度裝配工藝才能在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量不同功能芯片集成。

一體化發(fā)射組件將天線陣列和發(fā)射模塊綜合考慮，最大限度的減少輻射單元與發(fā)射模塊輸出間的損耗，改善不同輻射單元幅度相位的一致性。采用垂直互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輻射單元與發(fā)射模塊垂直互聯(lián)，射頻信號(hào)的垂直饋入，低頻信號(hào)的層間互聯(lián)。通過多功能芯片技術(shù)、多芯片組件技術(shù)將功率放大、功分、移相、衰減、串并轉(zhuǎn)換等芯片集成在一個(gè)組件內(nèi),使傳統(tǒng)的磚式組件的體積大大縮小,從而實(shí)現(xiàn)組件高性能、小型化、輕量化[3]。

1 一體化發(fā)射組件結(jié)構(gòu)及原理

ka頻段片式一體化發(fā)射組件對(duì)輻射陣要求包括：±35°掃描、26±0.5 GHz工作頻率、圓極化、低副瓣，綜合考慮以上指標(biāo)本設(shè)計(jì)采用微帶貼片天線。對(duì)于微帶貼片天線帶寬窄的缺點(diǎn)，采用介質(zhì)支撐的特殊結(jié)構(gòu)，使得天線的工作帶寬有效展寬。通過陣面綜合及考慮輻射單元間的互耦效應(yīng)，確定輻射單元間距為10 mm。

將具有同樣的功能和接口的通道集成在同一封裝中，共用電源和控制信號(hào)，可以提高單元面積的使用效率。圖1為一體化發(fā)射組件原理框圖，該組件將16個(gè)通道集成，每個(gè)通道包括了功分器、驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器、數(shù)控移相衰減器、末級(jí)功率放大器以及串并轉(zhuǎn)換電路。

圖1 一體化發(fā)射組件原理框圖

圖2為組件結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次為輻射層、金屬冷板散熱層、射頻層，控制與供電層以及機(jī)構(gòu)套框和結(jié)構(gòu)底板。輻射層采用微帶貼片實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間輻射；金屬散熱冷板層，既作為射頻層、輻射層的支撐結(jié)構(gòu)，又作為模塊內(nèi)功率器件散熱的通道；射頻層實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大、功分、移相衰減、串并轉(zhuǎn)換及末級(jí)功率放大；控制與供電層安裝電源調(diào)制芯片、電容等元器件；結(jié)構(gòu)套框和結(jié)構(gòu)底板為鋁制金屬蓋板，保護(hù)內(nèi)部元器件及屏蔽模塊與外界之間的電磁泄露。

圖2 一體化發(fā)射組件結(jié)構(gòu)框圖

2 一體化發(fā)射組件三維垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)

針對(duì)ka頻段片式一體化發(fā)射組件緊湊結(jié)構(gòu)要求，開展一體化組件三維垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)，包括：射頻層到輻射層低損耗垂直互聯(lián)、射頻饋入信號(hào)與射頻層的垂直互聯(lián)、低頻控制供電信號(hào)的垂直互聯(lián)。

2.1 射頻層到輻射層低損耗垂直互聯(lián)

射頻層到輻射層垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)位于功放輸出之后，低損耗是實(shí)現(xiàn)層間集成的關(guān)鍵[4]，該技術(shù)直接影響到發(fā)射組件的效率。

不同層之間的射頻垂直互聯(lián)方式有：絕緣子、毛紐扣、SMP/mini-SMP、BGA、表貼式等。表貼式、SMP/mini-SMP垂直互聯(lián)盡管成本低，但尺寸較大，不利于模塊的小型化。毛紐扣、BGA的垂直互聯(lián)方式雖然尺寸較小，但裝配成本及裝配要求高。與其它垂直互聯(lián)方式相比，絕緣子的方式同時(shí)具有較小的插損，較小的連接尺寸，特別適合采用微帶焊接的射頻饋電形式[5]。

射頻層到輻射層間的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)中上層為射頻板、中層為絕緣子、下層為輻射單元板。絕緣子的外導(dǎo)體燒結(jié)在結(jié)構(gòu)體上，內(nèi)導(dǎo)體上下兩端分別與射頻板和輻射單元板通過焊錫連接。絕緣子與射頻板之間存在一段空氣腔，形成類同軸的結(jié)構(gòu)。

采用絕緣子的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在射頻傳輸?shù)牟贿B續(xù)，這將會(huì)增加電路的傳輸損耗并引起電磁輻射導(dǎo)致電路間相互干擾。射頻傳輸?shù)牟贿B續(xù)性引入了寄生變量，在ka頻段絕緣子的引入相當(dāng)于引入一段電感，需要在結(jié)構(gòu)中引入補(bǔ)償電容抵消電感的影響，改善信號(hào)傳輸特性[6]?？蓪?duì)微帶線進(jìn)行拼接引入補(bǔ)償電容，補(bǔ)償電容近似公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中,Z0是微帶線的特征阻抗，L0是微帶線自身的電感量，△L是微帶線和絕緣子互聯(lián)時(shí)的等效串聯(lián)電感，C0為微帶線與地之間的等效電容、同軸射頻絕緣子的內(nèi)導(dǎo)體與盒體過外層金屬間形成的等效電容之和。通過上述公式計(jì)算出補(bǔ)償電容的初值，補(bǔ)償電容采用環(huán)形微帶線實(shí)現(xiàn)。為有效改善改善垂直互連結(jié)構(gòu)在匹配特性，可在微帶線與絕緣子連接處附近增加阻抗變換段。

圖3為絕緣子與微帶線的連接方式示意圖，其中W0為特征阻抗為50 Ω的微帶線寬度，補(bǔ)償電容采用環(huán)形微帶線，其半徑為R1，W1和L1為阻抗變換段微帶線的長(zhǎng)度及寬度。采用電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS建立模型，為體現(xiàn)絕緣子焊接焊錫的影響，在模型中增加圓錐形焊錫模型。在仿真模型中，需要考慮實(shí)際的裝配、加工誤差以及工藝實(shí)現(xiàn)合理性。考慮到以上因素，最終通過優(yōu)化上述參數(shù)，得到垂直過渡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。仿真結(jié)果表明，絕緣子垂直過渡結(jié)構(gòu)中電壓駐波比<1.25，插損優(yōu)于0.3 dB。

圖3 絕緣子與微帶連接方式

圖4 絕緣子垂直互聯(lián)仿真結(jié)果

2.2 射頻饋入信號(hào)與射頻層的垂直互聯(lián)

毛紐扣產(chǎn)品通常由鍍金鈹青銅、鍍金鉬銅等高彈、高導(dǎo)金絲模壓形成圓柱狀的彈性連接器。使用時(shí)，將毛紐扣兩端壓緊置于一定的結(jié)構(gòu)中，用以達(dá)到良好的射頻和低頻連接效果[7-8]。毛紐扣采用無焊接連接形式用于射頻和低頻互聯(lián)，可減少傳統(tǒng)射頻接插件及低頻接插件的使用數(shù)量，達(dá)到產(chǎn)品小型化，輕量化的目的[9-10]，并便于產(chǎn)品返修。

毛鈕扣連接主要形式：同軸結(jié)構(gòu)和三線結(jié)構(gòu)。同軸結(jié)構(gòu)是將毛紐扣作為信號(hào)傳輸?shù)膬?nèi)導(dǎo)體置于介質(zhì)中，采用金屬框作為同軸結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體，形成類同軸的形式[11]。三線結(jié)構(gòu)是將三個(gè)毛紐扣置于聚四氟乙烯等介質(zhì)中，中間的毛紐扣作為信號(hào)傳輸線，兩邊的毛紐扣起到連接地平面的作用。兩種結(jié)構(gòu)中同軸結(jié)構(gòu)便于與mini-SMP進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)小型化垂直連接同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣密封裝。

基于毛紐扣特點(diǎn)，組件采用了一種改進(jìn)型同軸結(jié)構(gòu)小型化高密度的玻璃燒結(jié)mini-SMP前端結(jié)合毛紐扣實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)。小型化毛紐扣連接器由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、玻璃體構(gòu)成mini-SMP。外導(dǎo)體可采用焊料燒結(jié)的形式與盒體固定，從而實(shí)現(xiàn)組件的密封。內(nèi)導(dǎo)體的一端與毛紐扣進(jìn)行連接，毛紐扣置于聚四氟乙烯的介質(zhì)中。

為保證毛紐扣連接器射頻信號(hào)傳輸?shù)牡耐暾?，采用HFSS仿真軟件，建立毛紐扣三維傳輸仿真模型。為減少微波輻射，選用背面接地的共面波導(dǎo)傳輸線。共面波導(dǎo)中存在寄生模，可引起微波傳輸性能惡化。采用在基板上增加高密度的接地孔，對(duì)共面波導(dǎo)上下地平面進(jìn)行有效的連接，可有效抑制寄生模[12]。與采用絕緣子進(jìn)行垂直互聯(lián)的原理相同，毛紐扣等效在互聯(lián)結(jié)構(gòu)中引入電感，需要在共面波導(dǎo)末端用圓盤微帶進(jìn)行補(bǔ)償。

在HFSS仿真模型中對(duì)共面波導(dǎo)接地通孔半徑大小與間距、共面波導(dǎo)末端與毛紐扣接觸的圓盤直徑進(jìn)行仿真優(yōu)化，以改善垂直互聯(lián)的傳輸性能?；ヂ?lián)結(jié)構(gòu)中毛紐扣與共面波導(dǎo)的連接要保證對(duì)位精度，同時(shí)毛紐扣在結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)上要考慮20%左右的壓縮裕量，確保擠壓下能提供良好的射頻與低頻彈性連接。

小型化毛紐扣垂直互聯(lián)試驗(yàn)件在測(cè)試夾具上測(cè)試結(jié)果如下圖所示，其在工作頻段插損小于2 dB,駐波比小于1.5，能夠滿足組件對(duì)垂直互聯(lián)的插損及駐波比的指標(biāo)要求。

圖5 小型化毛紐扣產(chǎn)品垂直過渡試驗(yàn)件測(cè)試結(jié)果

2.3 板內(nèi)射頻信號(hào)的垂直互聯(lián)

發(fā)射組件在輸入端進(jìn)行射頻信號(hào)功分后，局部存在射頻信號(hào)交叉?zhèn)鬏敚枰诎鍍?nèi)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的垂直互聯(lián)。

為降低成本，設(shè)計(jì)采用微波多層板進(jìn)行板內(nèi)垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)。微波多層印制板主要由多層微波板通過半固化片多次層壓制作而成。射頻信號(hào)在微波多層板內(nèi)垂直互聯(lián)由縫隙耦合和金屬通孔等方式，采用金屬通孔過渡，通孔等效為串聯(lián)電感，因此其射頻傳輸具有低通特性，盡管該結(jié)構(gòu)帶寬寬、損耗小，但需要微波多層板得金屬化過孔具有很高加工精度，隨著頻率的升高金屬通孔會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，其在高頻段的特性會(huì)迅速惡化，且指標(biāo)一致性能較差?？p隙耦合的形式雖然插損較大，帶寬較窄，但其加工一致性較好，可用于微波多層板實(shí)現(xiàn)信號(hào)的垂直互聯(lián)。

射頻信號(hào)垂直互聯(lián)采用微波多層板實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。多層微波電路包含三層射頻圖形：表層(射頻信號(hào)傳輸層)、中間層(縫隙耦合層)和底層(射頻信號(hào)底面?zhèn)鬏攲?。

圖6 板內(nèi)射頻信號(hào)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

A端口的信號(hào)通過射頻微帶線進(jìn)行傳輸，在表層微帶線下中間層的接地金屬中設(shè)計(jì)合適的開口尺寸、開口位置，將射頻信號(hào)耦合到底層的射頻微帶線，底層傳輸?shù)纳漕l信號(hào)通過上述方式再耦合到表層。由于與C端口進(jìn)入的射頻信號(hào)在不同層進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了射頻信號(hào)的交叉?zhèn)鬏敿案吒綦x度。與金屬通孔的垂直過渡的三維互聯(lián)方式相比，該方法易于實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的一致性。

根據(jù)傳輸線原理，中間縫隙耦合層通過在共面地板上的二分之一波長(zhǎng)的槽線諧振器實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的過渡。槽線諧振器至微帶線的開路端長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)，可等效微帶線短路接地，因此射頻信號(hào)可耦合到槽線諧振器，再由槽線諧振器耦合到下層微帶線。

上層和下層微帶線端口特性阻抗選擇為50 Ω，對(duì)上下層微帶線四分之一波長(zhǎng)開路支節(jié)的長(zhǎng)度、槽線低阻抗諧振器的長(zhǎng)度及寬度進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到最佳的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明板間垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)在±10%加工誤差內(nèi)，工作頻率下的駐波比小于1.3，插損小于2.5 dB，體現(xiàn)了該板內(nèi)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)良好的一致性。

2.4 低頻控制供電信號(hào)的垂直互聯(lián)

片式低頻控制供電信號(hào)垂直互聯(lián)包含外部互聯(lián)及板間互聯(lián)。外部互聯(lián)需要實(shí)現(xiàn)模塊的氣密封裝，采用9針氣密性排針，針間距1.27 mm。低頻排針燒結(jié)在組件結(jié)構(gòu)本體上，一端與外部信號(hào)連接，另外一端與組件內(nèi)部的多層電路板連接。發(fā)射組件內(nèi)部需要實(shí)現(xiàn)下層多層板至上層射頻板的控制供電信號(hào)的連接。如圖7所示，通過結(jié)構(gòu)本體在中間層金屬底板的適當(dāng)位置開腔，露出下層多層板背面的金絲鍵合的鍵合盤，采用深腔金絲鍵合的形式實(shí)現(xiàn)下層多層板到上層的多功能芯片及射頻板的小型化連接，與傳統(tǒng)的排針及導(dǎo)線的形式相比極大的節(jié)省了互聯(lián)的面積。

圖7 發(fā)射組件組裝工藝結(jié)構(gòu)圖

3 高密度組裝技術(shù)

3.1 多功能芯片技術(shù)

發(fā)射組件在兩個(gè)方向均受格距限制，設(shè)計(jì)難度大。高度集成的多功能芯片是實(shí)現(xiàn)片式結(jié)構(gòu)T/R組件高密度集成和封裝的關(guān)鍵技術(shù)[12]。高度集成化的多功能芯片技術(shù)可以顯著提高一致性,降低成本,縮小體積,增加可靠性,從而提高整體的系統(tǒng)性能[13-14]。

設(shè)計(jì)選用了八通道CMOS集成多功能芯片，利用片上集成的1：8功率分配網(wǎng)絡(luò)(饋電網(wǎng)絡(luò))將1路輸入信號(hào)分為同幅度同相位的8路信號(hào)，之后8路信號(hào)經(jīng)過各自獨(dú)立的相位和幅度控制，產(chǎn)生不同相位和幅度的信號(hào)，再經(jīng)過片上放大器放大后輸出，驅(qū)動(dòng)末級(jí)的GaAs功率放大器。該多功能芯片的移相器和衰減器分別具有6位相位和5位幅度控制精度，可以在實(shí)現(xiàn)移相功能的同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)通道的增益。

使用多功能芯片后,射頻鏈路除了射頻信號(hào)的功分器芯片外,只用了2只多功能芯片、16只功率放大芯片及電源調(diào)制芯片等便實(shí)現(xiàn)了發(fā)射組件的功能，極大的減少了組件內(nèi)芯片的數(shù)量。

3.2 多芯片組裝技術(shù)

組件裝配工藝同樣需要完成多層環(huán)氧板、多層微波電路板燒結(jié)，低頻、高頻接插件的氣密燒結(jié)，功率器件共晶焊接，非功率器件的粘接，芯片間及芯片和電路板間的金絲鍵合，模塊蓋板的氣密封裝等。

組件組裝的工藝如圖7所示，該組件分為上下兩個(gè)平行的層面，上層微波板上安裝多功能芯片及功放芯片, 下層是在結(jié)構(gòu)體進(jìn)行局部開腔，并放置環(huán)氧多層板，板上安裝電源調(diào)制芯片、電阻和去耦電容等。小型化毛紐扣連接器燒結(jié)到組件的上層蓋板，低頻排針燒結(jié)到結(jié)構(gòu)本體中，上層和下層蓋板通過激光封焊實(shí)現(xiàn)模塊的氣密封裝。圖中射頻板1與蓋板上的毛紐扣彈性接觸實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的垂直互聯(lián)，射頻板2通過射頻絕緣子實(shí)現(xiàn)與輻射單元的垂直互聯(lián)。

組件的裝配工藝優(yōu)先選擇成熟的工藝路線,并且合理安排裝配順序，拉開選用焊料的溫度梯度,避免裝配過程中的出現(xiàn)焊料二次熔融。

發(fā)射組件中的多功能芯片、電源調(diào)制芯片、單層電容等非功率器件采用導(dǎo)電膠與PCB板實(shí)現(xiàn)可靠性電連接。功率放大器共晶焊接到鉬銅襯底上，然后燒結(jié)到殼體，實(shí)現(xiàn)充分散熱。組件的平面射頻與低頻信號(hào)主要利用金絲鍵合線實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

片式一體化發(fā)射組件在極小的三維尺寸下(48 mm×48 mm×6.3 mm)實(shí)現(xiàn)16通道裝配集成，并且確保了16個(gè)通道間射頻信號(hào)有效的信號(hào)隔離。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明在波束±35°掃描范圍內(nèi)，EIRP>18 dBW,功耗小于13 W。通過測(cè)試結(jié)果分析，射頻層到輻射層垂直互聯(lián)損耗優(yōu)于0.3 dB,小型化毛紐扣互聯(lián)結(jié)構(gòu)具有良好的射頻傳輸特性，采用縫隙耦合的形式實(shí)現(xiàn)了板內(nèi)射頻信號(hào)的垂直互聯(lián)。組件內(nèi)使用的垂直互聯(lián)技術(shù)便于組件裝配集成，實(shí)現(xiàn)了組件的小型化，組件質(zhì)量小于100 g的設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖8為發(fā)射組件產(chǎn)品實(shí)物圖。

圖8 一體化發(fā)射組件實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將輻射單元與射頻發(fā)射組件的一體化設(shè)計(jì)，采用多功能芯片技術(shù)，利用微組裝工藝實(shí)現(xiàn)了片式一體化發(fā)射組件的高度集成化、小型化。本設(shè)計(jì)解決了層疊結(jié)構(gòu)高密度裝配的射頻與低頻信號(hào)垂直互聯(lián)等技術(shù)問題，該組件集成度高、較傳統(tǒng)組件在尺寸和重量上具有較大的優(yōu)勢(shì),大大減小了相控陣天線的尺寸,使其更好地滿足高性能有源相控陣?yán)走_(dá)的需要。

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