一種X波段大功率瓦片式T/R組件的研制

顧江川 魏守明 趙冬磊

摘要：針對相控陣?yán)走_小型化的需求，對瓦片式組件垂直互聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)展開研究，設(shè)計了一種X波段大功率瓦片式T/R組件，利用三維微組裝技術(shù)完成了組件的裝配。測試結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)一致，組件接收NF≤3.5dB，G≥32dB，發(fā)射輸出功率Psat≥43dBm。尺寸≤14mm×25mm×5.5mm，較傳統(tǒng)T/R組件在體積上具有突破性優(yōu)勢，可以大大減小雷達尺寸，能夠更好的滿足共形相控陣?yán)走_的需求。

關(guān)健詞：小型化;瓦片式T/R組件;大功率;共形

1、引言

T/R組件是有源相控陣（AESA）雷達的最關(guān)鍵的基本單元，在整個雷達系統(tǒng)中，每個天線單元都有一個T/R通道與之對應(yīng)，通常一部雷達系統(tǒng)中包含了數(shù)千乃至上萬個T/R通道，因此整個雷達系統(tǒng)的體積和重量取決于單個T/R組件的體積和重量?，F(xiàn)代機載和艦載的軍事雷達系統(tǒng)對體積和重量有著極其嚴(yán)苛的要求，因此實現(xiàn)T/R組件的小型化和輕量化有著極其重要的現(xiàn)實意義。

美國國防先進研究計劃局（DARPA）計劃研制下一代有源相控陣收發(fā)組件，根據(jù)計劃披露的梗概可知下一代收發(fā)組件必定是瓦片式。借助三維堆疊技術(shù)將多塊芯片集成于一個系統(tǒng)內(nèi)，利用垂直傳輸結(jié)構(gòu)為堆疊芯片提供電路連接，由于采用了垂直方向上的電路連接，與傳統(tǒng)“磚塊式”組件相比極大的縮減了組件尺寸與重量。

本文介紹了一款X波段瓦片式T/R組件，采用三維傳輸、多層布線以及高密度集成技術(shù)，在有限空間內(nèi)實現(xiàn)了6位數(shù)控移相。衰減、收發(fā)信號的放大等功能，并對組件進行了氣密封裝設(shè)計，保證了組件長期工作的可靠性。

2、電路設(shè)計

所謂瓦片式組件就是采用三維堆疊技術(shù)將平面微波芯片或電路采用堆疊的方式實現(xiàn)信號在Z軸方向上的垂直傳輸。相比于二維“磚塊式”組件，瓦片式組件具有集成度高，體積小，厚度薄重量輕易于共形等優(yōu)點。

T/R組件的組合方式有多種，可以根據(jù)系統(tǒng)的具體要求進行靈活調(diào)整，但其基本結(jié)構(gòu)大致相同，主要包含功分網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字移相器，數(shù)字衰減器，數(shù)控開關(guān)，驅(qū)動放大器，功率放大器，低噪聲放大器，限幅器、數(shù)字邏輯控制電路、脈沖調(diào)制電源、天線與無源元件組成。如下圖1所示。

這種結(jié)構(gòu)主要特性包括一個公用的微波控制支路結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)，同樣的微波控制部分（數(shù)字移相器，數(shù)字衰減器）被用在發(fā)射和接收兩種工作模式中，從而實現(xiàn)波束對發(fā)射/接收信號進行幅度和相位的控制。通過一個數(shù)控T/R開關(guān)，實現(xiàn)對收/發(fā)的控制，這些部分（移相器，衰減器，T/R開關(guān)）的命令控制信號都通過一個數(shù)字控制電路產(chǎn)生。功分網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)微波信號等功率分配及合成，采用多通道集成方式，提高集成度。

發(fā)射部分主要由驅(qū)動功率放大器和高功率放大器組成，高功率放大器用于發(fā)射末級，它主要將已調(diào)制的射頻信號放大到所需要的功率值，送到天線發(fā)射，高功率放大器最重要的指標(biāo)是輸出功率與功率附加效率，它決定了組件的輸出功率和組件的效率。驅(qū)動功率放大器要求具有高的增益，適當(dāng)?shù)妮敵鲭娖?，它把輸入的低電平信號放大，推動高功率放大器的輸出功率達到飽和，以達到最大輸出功率。

接收部分主要由限幅器和低噪聲放大器組成，由于發(fā)射時天線可能會引起較高的反射，大功率信號可能會泄露進接收通道，低噪聲放大器是一種高敏感線性器件，因此，在這種情況下，我們采用限幅器保護低噪放，防止低噪聲放大器損壞。低噪聲放大器是T/R組件中重要的電路之一。低噪聲放大器主要實現(xiàn)微波接收信號的放大，首先它位于接收最前端，這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益。其次，它所接收的信號很微弱，所以，低噪聲放大器必定是一個小信號線性放大器，由于受傳輸路徑的影響，信號的強弱又是變化的，在接收信號的同時又可能伴隨許多強大干擾信號的混入，因此要求放大器有足夠的線性范圍。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計

瓦片式組件的電路原理與磚塊式組件原理基本一致，其核心在于如何在不到傳統(tǒng)組件的1/5的空間內(nèi)實現(xiàn)完整的收發(fā)功能。

本文設(shè)計的瓦片式T/R組件采用如下電路疊層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，整個組件電路按照信號傳輸路徑分為3層，最上層為公共支路信號層，主要進行射頻信號的幅相控制以及收發(fā)信號的驅(qū)動放大;中間層為電源調(diào)制與邏輯控制電路，主要功能為產(chǎn)生收發(fā)鏈路所需的各種電源調(diào)制信號及邏輯控制信號，通過垂直過渡結(jié)構(gòu)將信號傳至上、下層，為各射頻芯片提供合理直流偏置和控制信號;最底下層為收發(fā)支路放大層，主要實現(xiàn)接收信號的低噪聲放大以及發(fā)射信號的放大，主要有低噪聲放大器，高功率放大器以及收發(fā)開關(guān)組成。

4、關(guān)鍵技術(shù)及難點實現(xiàn)

4.1 三維垂直互聯(lián)技術(shù)

由于該瓦片式組件采用多層電路結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其核心問題就是實現(xiàn)基板間的信號垂直互聯(lián)傳輸，因此，如何實現(xiàn)垂直互聯(lián)的小型化、高性能以及高可靠性是研制瓦片式T/R組件的關(guān)鍵。

本文設(shè)計的瓦片式組件采用毛紐扣實現(xiàn)無焊接垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。毛鈕扣彈性連接器由休斯公司及公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)為由一定彈性的鍍金鎢絲纏繞而成，將其裝入支撐隔板中，與上下層的基板壓緊固定，可實現(xiàn)其余基板的緊密連接，其接觸電阻僅為1mΩ，這種毛紐扣連接器不僅是優(yōu)良的微波連接器，通過增加其直徑，也可以用作耐大電流的的直流低頻連接器，因此采用毛紐扣互聯(lián)結(jié)構(gòu)可以很好的實現(xiàn)多層基板間的無焊接垂直互聯(lián)，且毛紐扣具有拆裝靈活，可替換性強等特點，更方便了組件的拆裝與調(diào)試。

通常毛紐扣垂直互聯(lián)方式主要有兩種：一是將毛紐扣作為中心導(dǎo)體的同軸方式;二是GSG（Ground-Signal-Ground）的三線連接方式，其中間的毛紐扣用于傳輸微波信號，兩邊的毛紐扣為微波地，可用于連接相鄰微波多芯片模塊上的共面?zhèn)鬏斁€。

同軸連接方式可以利用同軸傳輸線的特性阻抗公式來計算毛紐扣的直徑d和介質(zhì)支撐環(huán)的直徑D，即可實現(xiàn)50Ω的特性阻抗。

本文設(shè)計的毛紐扣作為多層基板間垂直互聯(lián)過渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如下圖所示，采用0.5mm的毛紐扣，1.5mm直徑的介質(zhì)套筒作為支撐結(jié)構(gòu)。從下圖3-44仿真結(jié)果可以看出，毛紐扣連接器作為板間垂直互聯(lián)在所需工作頻帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-15dB，插損小于1dB。

4.2 MCM多芯片三維微組裝技術(shù)

由于瓦片式T/R組件功能復(fù)雜，內(nèi)部包含的芯片種類和數(shù)量繁多，在極小的體積內(nèi)實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)控制等，需要借助先進的微組裝技術(shù)，將元器件通過合理的結(jié)構(gòu)布局，形成三維立體結(jié)構(gòu)，來減小模塊的尺寸。

本文設(shè)計的瓦片式T/R組件功能復(fù)雜，既有射頻微波電路，有包含低頻電源調(diào)制及邏輯控制電路;相應(yīng)的裝配工藝復(fù)雜，設(shè)計的多層電路基板同時包含了射頻和低頻走線，既要考慮加工時的線條精度，同時還要考慮各種信號間的屏蔽與完整性設(shè)計。在微組裝方面，優(yōu)先采用成熟的裝配工藝，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進行操作，通過合理的安排工藝溫度梯度，避免工藝過程中出現(xiàn)二次熔融問題，同時采用先進的視覺識別系統(tǒng)輔助多層基板堆疊時進行定位控制，裝配的準(zhǔn)確性。

5、測試結(jié)果

通過以上的設(shè)計分析及關(guān)鍵技術(shù)研究，本文成功研制了X波段大功率瓦片式T/R組件，實物圖下圖所示。組件尺寸14mm×25mm×5.5mm。

組件工作在頻率為8-11.5GHz，發(fā)射輸出信號功率≥43dBm，接收增益>33dB，增益波動<1dB，噪聲系數(shù)<3.5dB，組件包含6位數(shù)控移相，步進5.625°，移相精度（RMS）<3°。

6、結(jié)論

本文介紹了一種瓦片式T/R組件的實現(xiàn)方法，組件實測性能優(yōu)越，較“磚塊式”T/R組件，在結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量上約為1/5，大大減小了雷達尺寸，使高性能共形有源相控陣成為可能，順應(yīng)了軍事電子產(chǎn)品具有高性能、小型化、輕重量等特點的應(yīng)用需求，具有較高的指導(dǎo)意義，將有力地促進我國微波集成電路技術(shù)的發(fā)展。

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（作者單位：南京電子器件研究所）