一種P波段小型化表貼型T/R組件研制

劉建勇 陳興國

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達(dá)載荷在氣球、飛艇、天基等平臺的逐漸發(fā)展，天線孔徑越來越大，有源通道數(shù)目越來越多，但受到平臺對雷達(dá)載荷重量和體積近乎苛刻的限制，要求雷達(dá)系統(tǒng)尤其是相控陣?yán)走_(dá)中裝機(jī)量最大的核心部件收發(fā)(T/R)組件要盡可能的輕量化、小型化。而傳統(tǒng)的磚塊式收發(fā)組件一般采用完整的金屬盒子作為封裝殼體以滿足氣密性和屏蔽的要求，其重量受到在盒體尤其是底座重量的制約；并且其接口需要采用高頻、低頻連接器，通過電纜組件或轉(zhuǎn)接器實現(xiàn)與天線、饋電板的互連，需要占用額外的重量和空間。因此，在某些應(yīng)用場合下傳統(tǒng)的收發(fā)組件形式已經(jīng)不能滿足雷達(dá)載荷的應(yīng)用需求。

本文給出了一種P波段的小型化表面貼裝式雷達(dá)T/R組件的實現(xiàn)形式，可有效解決氣球、飛艇載、天基等平臺上雷達(dá)T/R組件在體積、重量、安裝方式、饋電方式等方面的瓶頸問題。

1 組件電路設(shè)計

1.1 組件組成

圖1給出了P波段T/R組件的組成框圖，主要包含發(fā)射通道、接收通道、驅(qū)動控制、電源調(diào)制等4個部分組成[1]。核心電路主要包括多功能芯片、串轉(zhuǎn)并控制芯片、功率放大器、低噪聲放大器、限幅器、預(yù)選濾波器、射頻開關(guān)、電源調(diào)制電路、電源管理電路等。

本組件的主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計要求如下：

工作頻率400～450MHz；

發(fā)射輸出功率≥3W；

組件效率≥30%(占空比10%)；

噪聲系數(shù)≤6dB(含預(yù)選濾波器)；

接收增益≥20dB。

圖1 P波段T/R組件原理框圖

1.2 射頻核心電路設(shè)計

T/R組件的一個核心功能就是要完成收發(fā)通道的幅相調(diào)節(jié)，因此其內(nèi)部需包含數(shù)控移相器和數(shù)控衰減器等。SiGe材料由于襯底的良好熱導(dǎo)率、與傳統(tǒng)成熟的Si工藝兼容、具有良好的噪聲性能和較低的功耗、成本較低等特點[2]，近年來廣受重視。我們自主開發(fā)一款SiGe多功能芯片，其集成開關(guān)、放大器、移相器、衰減器等功能于一體，提高了芯片集成度。該芯片采用0.18μm SiGe工藝設(shè)計，經(jīng)過裝架測試：接收增益12.3±0.5dB、噪聲系數(shù)小于2.9dB、端口駐波比小于1.5、接收P-1壓縮點輸出功率大于-5.2dBm；發(fā)射增益29.7±0.5dB、發(fā)射P-1壓縮點輸出功率大于20dBm，可以滿足本組件的使用要求。

發(fā)射電路的關(guān)鍵是末級功率放大器的設(shè)計。采用LDMOS功率管，利用EDA仿真設(shè)計工具ADS軟件對輸入輸出匹配電路進(jìn)行了仿真設(shè)計[3]，仿真優(yōu)化后的輸入、輸出匹配電路如圖2和圖3所示。依據(jù)設(shè)計的匹配電路，我們單獨對功放電路進(jìn)行了裝配和調(diào)試；由于我們無法獲得該LDMOS功率管的準(zhǔn)確大信號模型，故仿真僅是對其輸入輸出阻抗進(jìn)行匹配仿真，因此在調(diào)試過程中需對匹配電路中的電容和電容參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，但仿真仍在匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件參數(shù)選擇方面具有指導(dǎo)意義。在如下條件進(jìn)行測試：柵壓+2.43V(脈沖調(diào)制、10%占空比)，漏壓+12.5V，輸入功率20dBm；實測的輸出功率大于3.5W，在10%占空比工作時功放效率大于56%，如圖4所示，實測指標(biāo)表明實現(xiàn)T/R組件發(fā)射鏈路技術(shù)指標(biāo)有較大裕量。

圖2 功放輸入匹配電路

圖3 功放輸出匹配電路

圖4 功放電路實測指標(biāo)曲線

限幅器是接收鏈路中一個重要器件，其作用是保護(hù)接收通道器件，我們采用三節(jié)并聯(lián)PIN二極管芯片實現(xiàn)了一款P波段限幅器[4]，其實物照片與測試曲線如圖5所示，實測結(jié)果表明其具有良好的性能指標(biāo)：輸入輸出駐波小于1.45，插入損耗小于0.45dB，限幅電平小于5.5dBm。

圖5 限幅器實物照片及實測曲線

低噪聲放大器芯片選用CMOS工藝實現(xiàn)的裸芯片，其實物照片及實測曲線如圖6所示，該芯片接收增益大于17dB，噪聲系數(shù)僅不到1.1dB。

圖6 低噪聲放大器實物照片及實測曲線

1.3 電源電路設(shè)計

T/R組件內(nèi)部需要多種電源品種，包括LDMOS功率管柵壓+2.43V及漏壓+12.5V、多功能芯片+3.3V、邏輯控制電路的+5V和-5V，為了減少電源品種數(shù)量以利于簡化電源接口設(shè)計和組件內(nèi)部電源完整性，將本組件對外的接口電壓減少到三種，即+15V、+5V、-5V，其他所需電源品種均由DC/DC變換產(chǎn)生。在組件內(nèi)部，+12.5V電壓由+15V通過線性穩(wěn)壓器件產(chǎn)生；+3.3V、+2.43V兩種電壓均由+5V通過線性穩(wěn)壓器件產(chǎn)生，二者采用相同的電路通過調(diào)整外接精密電阻的阻值來改變輸出電壓。

本組件同時還設(shè)計了一種先進(jìn)的可級聯(lián)饋電方法，即收發(fā)組件同時設(shè)置了電源和控制信號的輸入和輸出的接口，在天線陣面上多個收發(fā)組件可級聯(lián)使用，極大簡化了陣列化使用時電源和控制信號的布線方式。

2 表貼型封裝設(shè)計

為滿足T/R組件小型化、輕量化的需求，本組件采用一種表貼型封裝設(shè)計方式，即利用基板即封裝技術(shù)，直接將用于器件裝載和電路布線的基板作為封裝的一部分，在基板上焊接環(huán)框從而形成一體化的盒體，在基板下表面開腔并焊接引線作為信號接口；蓋板與圍框采用平行封焊來實現(xiàn)器件的氣密封裝。這樣設(shè)計無連接器的接口技術(shù)，使用引線作為射頻、電源和控制信號的對外輸入、輸出接口，免去了使用連接器、電纜組件進(jìn)行轉(zhuǎn)接額外帶來重量和體積的增加，同時也省去了組件盒體的底座，實現(xiàn)了小型化、輕質(zhì)的封裝形式。因而收發(fā)組件具有類似器件、表面貼裝的特點。

本組件的封裝實現(xiàn)形式示意圖見圖7所示，在基板選擇方面，由于功率放大器需要考慮散熱要求，選擇氮化鋁陶瓷多層基板作為底板是目前設(shè)計最佳選擇。氮化鋁陶瓷是一種新型的高導(dǎo)熱基板和封裝材料，具有高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、低的介電常數(shù)和低的介質(zhì)損耗、高的機(jī)械強(qiáng)度、無毒等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)電性能、熱性能、機(jī)械性能的一體設(shè)計優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)腔體、多層布線、過孔互連、氣密封接等結(jié)構(gòu)。

圖7 表貼式T/R組件封裝示意圖

封裝材料的選擇主要考慮熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率方面，同時要考慮材料的強(qiáng)度、加工性能、氣密性能等；本組件采用鈦合金(TC4)的圍框，Kovar蓋板的設(shè)計方案；射頻輸入輸出和低頻饋電方式都采用Kovar引線。

3 研制結(jié)果

依據(jù)前述對T/R組件電路和封裝的設(shè)計，研制出P波段T/R組件，實物如圖8所示。其典型實測指標(biāo)如圖9所示，可見接收增益大于23dB，噪聲系數(shù)小于5.8dB(含預(yù)選濾波器)，移相精度(RMS)小于1.3°，衰減精度(RMS)小于0.2dB，端口駐波小于1.7，輸入1dB壓縮點大于-25dBm，輸出功率大于3.4W，發(fā)射效率大于35%；圖10給出了輸出功率和接收增益高低溫測試指標(biāo)相對常溫的變化曲線，可見發(fā)射功率低溫-40℃下增大0.9dB左右、高溫+50℃減小0.5dB左右；接收增益低溫-40℃下增大約2.5dB左右、高溫+50℃減小約1.2dB；滿足本項目需求；對于增益的溫度特性有嚴(yán)格要求的情形可考慮在鏈路中加入溫補(bǔ)衰減器以實現(xiàn)良好的增益溫度穩(wěn)定性。該組件的尺寸為40mm×25mm×4.8mm，重量小于10g，達(dá)到了小型化、輕量化的設(shè)計目標(biāo)。

圖10 輸出功率和接收增益高低溫變化曲線

4 結(jié)束語

本文給出了一種小型化、表貼型雷達(dá)T/R組件

的電路設(shè)計方法和封裝實現(xiàn)形式。該T/R組件利用基板即封裝、引線作為饋電接口、多組件可級聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)直接表面貼裝在天線面板上的安裝方式，大幅度降低了組件的體積和重量，具有小型、輕質(zhì)、類器件式的特質(zhì)；通過電路仿真優(yōu)化設(shè)計，其性能指標(biāo)滿足研制要求，已在某預(yù)警監(jiān)視雷達(dá)中得到了應(yīng)用。