毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)

黃 建

（中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036）

毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)

黃 建

（中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036）

通過分析有源相控陣技術(shù)發(fā)展趨勢,提出集成技術(shù)是毫米波有源相控陣TR組件的關(guān)鍵技術(shù),并按制造和裝配層次將毫米波有源相控陣TR組件的集成分為芯片級、子陣級和全陣級等三級集成。分析了各級集成的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢,提出關(guān)鍵集成技術(shù)發(fā)展路線,指出毫米波TR組件專用多功能芯片、垂直互聯(lián)和高效小型化液冷器等三項(xiàng)技術(shù)是當(dāng)前需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。

有源相控陣天線;毫米波;TR組件;集成技術(shù)

1 引 言

有源相控陣天線在軍用雷達(dá)、通信、電子對抗等系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著工作頻段逐步擴(kuò)展,毫米波頻段的有源相控陣天線顯示出了十分迫切的應(yīng)用需求,特別是在直升機(jī)載多功能雷達(dá)、車載多功能傳感器及有源防護(hù)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭、衛(wèi)星通信、戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)間數(shù)據(jù)鏈和臨近空間平臺偵察監(jiān)視系統(tǒng)等領(lǐng)域[2,3]。毫米波有源相控陣天線由于可實(shí)現(xiàn)靈活的波束控制和有效的射頻能量管理,成為各種高速平臺、多功能、多任務(wù)毫米波應(yīng)用系統(tǒng)的最佳體制。毫米波相控陣天線可以適應(yīng)機(jī)、星、彈等小型平臺的安裝使用條件,甚至可與載體共形,利于設(shè)備與平臺的集成應(yīng)用。毫米波有源相控陣天線無需掃描伺服機(jī)構(gòu),部分TR組件損壞并不會導(dǎo)致天線射頻性能的顯著退化,比機(jī)械掃描天線和集中式收發(fā)系統(tǒng)具有更高可靠性,盡管采購價(jià)格較高,但設(shè)備的全壽命周期成本仍然具有優(yōu)勢。

毫米波TR組件是毫米波有源相控陣天線的核心部件。TR組件的研制涉及多種關(guān)鍵技術(shù),具有很高的難度。國外從1990開始研制TR組件微波單片集成電路（MMICs）,并提出了毫米波有源相控陣天線Wafer級集成技術(shù)[4]。1995年,Shashi Sangzgiri等報(bào)道了混合瓦片式有源子陣TR組件模塊[5],D.Mcpherson等介紹了衛(wèi)星通信的20GHz和60GHz二維有源相控陣天線原型的研制[6]。2005年,德國IMST采用低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）工藝研制了用于Ka頻段移動(dòng)衛(wèi)星通信的高集成數(shù)字波束成形（DBF）收、發(fā)有源天線陣[7,8]。2006年,Raytheon公司演示了600陣元低成本35GHz二維有源相控陣導(dǎo)引頭樣機(jī),采用單片集成TR組件,每個(gè)有源陣元成本僅30美元[1]。2007年,J.M.Yang等采用新型Wafer級封裝技術(shù),研制了Q頻段4元線性有源天線陣列前端[9]。2007年以來,美國DAPAR已支持多個(gè)研究計(jì)劃[10],以突破下一代傳感、通信系統(tǒng)收發(fā)模塊的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的要求和技術(shù)發(fā)展情況,下一代有源相控陣TR組件要求可概括為高性能（大功率、高效率、低噪聲）、微型化（更輕、更?。⒌统杀荆ㄒ惑w化制造、測試、裝配）、高可靠性。

有源相控陣天線單元格距接近半波長,在毫米波頻段,為了在這樣的尺寸限制下實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的TR組件,TR組件必須實(shí)現(xiàn)高度集成化制造,故集成化技術(shù)是毫米波二維有源相控陣天線最為核心的技術(shù)。本文對TR組件集成的關(guān)鍵技術(shù)及其現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并提出集成技術(shù)發(fā)展步驟和重點(diǎn)。

2 毫米波TR組件多級集成技術(shù)

20世紀(jì)90年代以來,隨著微波單片集成電路（MM ICs）技術(shù)取得突破并大量進(jìn)入實(shí)用,高性能、高一致性的TR組件得以大批量、低成本生產(chǎn),從而推動(dòng)了有源相控陣技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用。為滿足TR組件一致性、微型化和低成本要求,現(xiàn)代有源相控陣天線越來越強(qiáng)調(diào)集成化和一體化批量制造,其制造過程主要涉及以下4級的集成。

2.1 元器件級的集成

有源相控陣TR組件需要完成信號放大、收發(fā)轉(zhuǎn)換、信號幅相控制等多種微波電路功能,通常每一種功能均采用一片MMICs來實(shí)現(xiàn)。MM ICs是將多個(gè)有源器件、外圍匹配電路、無源網(wǎng)絡(luò)和電源去耦等電路集成在單片GaAs基片上的微波電路,本身可以完成獨(dú)立的電路功能。MM ICs代替分立器件和無源部件,大大提高了TR組件電路集成度。

目前MM ICs工藝完全成熟,可大批量、低成本生產(chǎn),并具有優(yōu)良的一致性。針對TR組件的功能和技術(shù)性能的要求,目前已經(jīng)在常用的微波頻段開發(fā)出成套使用的TR組件MMICs芯片,主要包括微波開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、數(shù)字移相器、數(shù)字衰減器等。MMICs套片的開發(fā)和使用,使TR組件電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大為簡化,突破了TR組件大量生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸,對于推進(jìn)有源相控陣天線應(yīng)用起到了決定性的作用。

盡管不同應(yīng)用的TR組件的技術(shù)指標(biāo)可能會有較大差異,但收發(fā)幅相控制功能卻基本通用。2005年,歐洲提出了將幾個(gè)MMICs和數(shù)字控制電路集成在一個(gè)模塊內(nèi),研制了通用性的TR組件的“內(nèi)核模塊”（CoreModule）[11],完成TR組件的收發(fā)幅相控制功能,并隨后開發(fā)出其單片集成形式 CoreChip。CoreChip的出現(xiàn)進(jìn)一步提高了TR組件的集成度。

2.2 組件級集成和測試

目前,微波TR組件的主要結(jié)構(gòu)形式仍然是單個(gè)獨(dú)立封裝,制造模式是每個(gè)TR組件分別進(jìn)行裝配和測試。TR組件一般采用一種或幾種電路基板,實(shí)現(xiàn)多個(gè)MM ICs芯片或CoreModule的微波、射頻、低頻控制和直流信號的互聯(lián),并封裝在一個(gè)殼體內(nèi),殼體提供了TR組件的機(jī)械保護(hù)、外部安裝、信號接口饋通、電磁屏蔽等功能,并且通過氣密性封裝,實(shí)現(xiàn)TR組件內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境的隔離,保證TR組件的長期可靠性。

傳統(tǒng)的TR組件測試一般是逐個(gè)進(jìn)行輸出功率、噪聲系數(shù)、增益、各態(tài)相移等各項(xiàng)指標(biāo)的測試,測試時(shí)間較長。借助于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)測試系統(tǒng),可以進(jìn)行多個(gè)TR組件自動(dòng)測試,但由于多路開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度,一般同時(shí)測試的TR組件數(shù)較少,測試效率仍然較低。

2.3 子陣級集成裝配和測試

傳統(tǒng)相控陣天線是用單個(gè)TR組件裝配天線陣面,然后進(jìn)行整體測試,對大型陣面裝配和測試十分復(fù)雜。近年來西方提出了可擴(kuò)展構(gòu)造塊的概念,其核心是將幾個(gè)TR組件和天線單元集成為一個(gè)“積木塊”,積木塊本身是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的子陣模塊,可以集成制造和單獨(dú)測試。同時(shí),子陣模塊具有可擴(kuò)展性,可以再次組合形成更大陣面,因此稱為有源電掃天線（AESA）的“可擴(kuò)展構(gòu)造塊”,通過可擴(kuò)展構(gòu)造塊的結(jié)構(gòu)、接口以及制造、測試過程的標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模有源相控陣天線的模塊化,簡化大型AESA陣面裝配和測試。

2.4 全陣集成裝配與測試

有源天線制造的最后一步是將組件、天線單元或可擴(kuò)展構(gòu)造塊裝配成完整的天線陣面,然后進(jìn)行天線總體性能的測試。當(dāng)各個(gè)單元和組件,或可擴(kuò)展構(gòu)造塊的技術(shù)指標(biāo)都滿足要求并且達(dá)到良好的一致性時(shí),才能最終保證天線整體性能,天線集成測試也能大大簡化。

在毫米波頻段,由于陣列格距已經(jīng)接近甚至小于MMICs的尺寸,因此,采用MMICs套片、單個(gè) TR組件獨(dú)立進(jìn)行組裝、封裝和測試的傳統(tǒng)制造方式已經(jīng)無法達(dá)到TR組件小型化要求,因此必須進(jìn)一步提高其電路集成度和減小封裝殼體的尺寸。其主要的技術(shù)途徑是將傳統(tǒng)的4級集成的2、3級合并,綜合為3級集成,并進(jìn)一步提高每級的集成度。

（1）芯片級集成

將原來MMICs套片中的多種MMICs進(jìn)一步集成為多功能芯片,從而使TR組件套片中芯片的種類和數(shù)量更少,集成度更高。目前已報(bào)道的有3片（CoreChip芯片+功放+低噪放）、2片（小信號多功能芯片+功放,收發(fā)多功能芯片+矢量調(diào)制器或數(shù)字移相器等）、1片（單片集成TR組件）等MMICs芯片組形式。這些芯片組中關(guān)鍵芯片均為專用多功能芯片,專門針對特定有源相控陣TR組件應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

（2）子陣級集成

多個(gè)TR組件進(jìn)行集成設(shè)計(jì),共用同一個(gè)封裝殼體,實(shí)現(xiàn)多個(gè)TR組件電路和饋線網(wǎng)絡(luò)集成,進(jìn)行整體裝配和測試,從而使封裝效率大為提高,并實(shí)現(xiàn)子陣級集成制造。根據(jù)需要,還可以將天線單元子陣與TR組件子陣集成制造,成為可擴(kuò)展構(gòu)造塊。

（3）全陣集成

可能采用先集成制造天線輻射單元陣列,再進(jìn)行TR組件子陣裝配實(shí)現(xiàn)全陣集成,或直接將可擴(kuò)展構(gòu)造塊進(jìn)行裝配構(gòu)成全陣兩種方式,最后完成全陣集成測試。

一般而言,為了實(shí)現(xiàn)AESA的模塊化設(shè)計(jì)和制造,并使得芯片和模塊具備一定的通用性,以上三級集成是必需的,從優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝、保證TR組件成品率和可靠性來看也是比較合理的。然而,對更高的頻段和某些特殊小型化要求的應(yīng)用,其集成度仍然難以滿足要求,整個(gè)陣面需要一次完成集成制造,如2007年美國報(bào)道新型Wafer級封裝技術(shù)用于全集成的有源相控陣天線前端的研究[9]。

3 毫米波TR組件關(guān)鍵集成技術(shù)分析

從目前毫米波有源相控陣天線研制情況看,在前述TR組件三級集成制造過程中,均存在相應(yīng)的設(shè)計(jì)和工藝關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

3.1 TR組件專用多功能芯片

多功能芯片包含兩種以上通用芯片的電路功能,通過單片化集成設(shè)計(jì),達(dá)到提高集成密度、減少電路面積和簡化片外電路的目的,從而實(shí)現(xiàn)TR組件電路簡化和微型化目的。由于各功能的技術(shù)指標(biāo)必須根據(jù)電路面積、工藝選擇進(jìn)行折衷,因此這些芯片通常是針對毫米波有源相控陣特定應(yīng)用需求設(shè)計(jì)開發(fā)的專用芯片,通用性較差。

目前開發(fā)的TR組件專用芯片有以下幾種:收發(fā)多功能芯片（TRChip）,電路原理如圖1所示;TR組件“內(nèi)核芯片”（CoreChip）,電路原理圖如圖2所示;單片集成TR組件,包含完整收、發(fā)放大及收發(fā)切換、幅相控制電路;單片集成多通道集成TR組件,一個(gè)MMICs上集成多個(gè)收發(fā)通道,以單收、單發(fā)為主。

圖1 TRChip多功能芯片原理圖Fig.1 Schematic diagram of the multifunctionMMICs“TR Chip”

圖2 CoreChip多功能芯片原理圖Fig.2 Schematic diagram of the multifunctionMMICs“CoreChip”

TR組件專用多功能芯片的困難在于,各功能電路必須采用同一種工藝實(shí)現(xiàn),而不能像通用MM ICs一樣根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的功能選擇最佳的基片材料和工藝。在工藝選擇上必須考慮對各種功能相關(guān)的電路性能進(jìn)行折衷和平衡,選定工藝后,電路設(shè)計(jì)受到很大限制,因此難以實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的優(yōu)化。同時(shí),由于集成密度更高,設(shè)計(jì)困難也更大。

為了同時(shí)滿足高集成度和高性能要求,未來多功能MMICs的發(fā)展趨勢是尋求兼具較高功率性能和低噪聲性能的材料,同時(shí)綜合應(yīng)用多種相容工藝在同一基片上制作功能器件,如在GaAs襯底上制作pHEMT管芯和MEMS元件,以達(dá)到性能的優(yōu)化。

3.2 垂直互聯(lián)

子陣級集成結(jié)構(gòu)形式可分為“磚塊式”和“瓦片式”[5]。磚塊式結(jié)構(gòu)TR組件是將多個(gè)TR組件射頻通道并排組合集成。每個(gè)TR通道內(nèi)信號傳輸為平面內(nèi)互聯(lián),電路連續(xù)性好,高頻性能優(yōu)良,連接可靠,各個(gè)通道仍保持與單個(gè)TR組件相似電路布局,電路設(shè)計(jì)較簡單。但受格距限制,TR組件熱沉厚度小且不連續(xù),散熱性能差,集成密度和封裝效率較低,子陣規(guī)模受限。同時(shí),一次裝配過程需實(shí)現(xiàn)基板上各種芯片混合組裝,不利于自動(dòng)化組裝生產(chǎn)。

瓦片式結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu),TR組件基板和芯片平行于陣面組裝,信號傳輸采用層間垂直互聯(lián),高頻傳輸性能不易保證,且連接可靠性較差。TR組件電路在兩個(gè)方向均受格距限制,設(shè)計(jì)難度大。瓦片式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)二維面陣TR組件集成和封裝,利于自動(dòng)化組裝,芯片下面可設(shè)置厚度不受限制的完整熱沉,有利于高效散熱,因此集成密度較高。

垂直互聯(lián)是瓦片式子陣的關(guān)鍵技術(shù)。表1對常見毫米波垂直互聯(lián)方式和性能進(jìn)行了比較。

表1 各種垂直互聯(lián)方案性能比較Table 1 Comparison of some typical schemes of RF vertical inter connection

從表1可見,目前高頻垂直互聯(lián)尚沒有一種方式能達(dá)到瓦片式子陣集成的要求。其難點(diǎn)在于,毫米波頻段TR組件垂直互聯(lián)在電路、結(jié)構(gòu)、工藝三方面的要求都非常高。因此,未來應(yīng)當(dāng)發(fā)展新的垂直互聯(lián)形式,能在三個(gè)方面都至少達(dá)到一般以上的折衷性能。同時(shí),研究新的互聯(lián)材料和工藝,改進(jìn)現(xiàn)有垂直互聯(lián)技術(shù)的工藝特性,提高其可靠性和生產(chǎn)性。

3.3 子陣級集成測試

可擴(kuò)展構(gòu)造塊集成天線輻射單元子陣和子陣功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),多個(gè)TR組件、輻射單元和功分/合成網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)集成為一個(gè)整體。此時(shí),要準(zhǔn)確測量子陣中每個(gè)TR組件通道的性能變得困難:一方面射頻信號需要從輻射單元以無線方式輸入/輸出TR組件,導(dǎo)致輸入射頻信號幅度和相位難以準(zhǔn)確標(biāo)定;另一方面,子陣中各TR組件沒有獨(dú)立的輸入/輸出端口,對單個(gè)TR組件的所有測試結(jié)果將包含其它TR組件的影響。子陣級測試需要通過高效率的整體測量準(zhǔn)確獲取各通道的特性,現(xiàn)有基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的單通道測試不能滿足以上要求。

對于集成輻射單元的子陣,可以采用測掃描波瓣圖的方法進(jìn)行子陣性能的整體測試,但天線方向圖測試要求特殊的測試環(huán)境和測試設(shè)備,同時(shí)也不能獲得特定TR通道的性能,不適用于子陣的生產(chǎn)制造過程檢測。

解決措施是采用基于一組相關(guān)的整體傳輸特性測試結(jié)果反演得到各通道的特性,在目前基于FFT方法校準(zhǔn)有源相控陣天線的技術(shù)原理基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)各種形式的集成子陣模塊的測試,但還需要進(jìn)行詳細(xì)的測試校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和誤差分析研究。

3.4 熱管理

TR組件高度集成后,子陣模塊發(fā)熱密度大幅增加,而TR組件熱輻射面積減小、傳熱路徑加長使得散熱十分困難。子陣集成廣泛采用多層基板,如LTCC、HTCC和有機(jī)基板,這些基板材料本身導(dǎo)熱性能很差,增加了散熱難度。高效的熱管理設(shè)計(jì)對于子陣和全陣集成后TR組件的性能和可靠性都極其重要。

熱管理包含散熱、溫度監(jiān)測、溫度補(bǔ)償、過熱保護(hù)等多個(gè)方面,重點(diǎn)是散熱設(shè)計(jì)。目前報(bào)道的研究成果較少涉及子陣和全陣散熱技術(shù)。子陣散熱可以采用風(fēng)冷和液冷技術(shù),其中,風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單,成本低,但散熱器體積較大,難以集成,且子陣內(nèi)的TR組件散熱較差,陣內(nèi)溫度不均勻?qū)⑹棺雨嚪嘁恢滦詯夯?。液冷較風(fēng)冷散熱效率高,同時(shí)只需要在全陣集成時(shí)保證子陣內(nèi)集成流道貫通和封閉,則可在全陣集成后單獨(dú)外加泵機(jī)和換熱器,因此在子陣和全陣集成上均能使用。

設(shè)計(jì)液冷流道時(shí),磚塊式子陣結(jié)構(gòu)熱沉厚度受限,流道截面尺寸必須小,流道設(shè)計(jì)及加工困難,且流體阻力大,全陣裝配時(shí)難以實(shí)現(xiàn)流道集成。瓦片式子陣芯片下可設(shè)置厚度不限的完整金屬熱沉,流道易于設(shè)計(jì)和加工,且全陣組裝流道易于對接,因此比磚塊式結(jié)構(gòu)更適宜采用液冷散熱。

液冷系統(tǒng)的難點(diǎn)在于流道設(shè)計(jì)既要實(shí)現(xiàn)小型化,并與TR組件子陣結(jié)構(gòu)一體化集成和加工,同時(shí)也要保證流體阻力小,具有足夠的散熱效率,特別是對大功率芯片的散熱能力。此外,流道設(shè)計(jì)也要考慮可擴(kuò)展性,設(shè)置接頭保證全陣裝配時(shí)各子陣流道貫通和密封。

3.5 組裝和封裝

子陣集成需要將大量MMICs通過微組裝裝配到電路基板上,以實(shí)現(xiàn)毫米波TR組件高頻、低頻線路的互聯(lián),高密度集成TR組件子陣必須采用多層的電路基板。目前主要基板材料中,LTCC基板層數(shù)多,介電常數(shù)較高,具有良好的高頻電路性能和槽孔加工精度,易于實(shí)現(xiàn)芯片組裝和高密度互聯(lián),主要缺點(diǎn)是大面積基板平整度難以保證,且加工成本高。低介電常數(shù)多層聚合物PCB也能達(dá)到較好的高頻性能,大面積平整度好,加工成本較低,但目前槽孔加工精度較差,不滿足芯片微組裝要求。

目前MM ICs的組裝工藝以傳統(tǒng)貼片和金絲鍵合互連為主。采用倒扣焊接工藝可以較大幅度減少組裝工作量和成本,但可靠性和散熱性能較差。

對微組裝工藝的主要要求有:大量芯片高密度微組裝的工藝一致性、可靠性和組裝工藝適應(yīng)大批量、低成本生產(chǎn)需要。其解決措施是盡可能使微組裝工序自動(dòng)化,對設(shè)計(jì)的要求就是芯片種類少而且規(guī)則布局,瓦片式結(jié)構(gòu)在自動(dòng)化組裝上更具優(yōu)勢。

子陣級封裝為芯片提供氣密性環(huán)境,同時(shí)提供電磁屏蔽和隔離。目前常用兩種工藝:一種將基板焊接或粘接到金屬殼體內(nèi),在基板上完成芯片組裝后,用平行縫焊或激光焊工藝進(jìn)行封帽焊接實(shí)現(xiàn)氣密封,這種方式工藝較簡單,氣密性好,但殼體材料熱脹系數(shù)需與基片材料匹配,并要具有良好的散熱能力,材料選擇和工藝要求高,且殼體較大,不利于集成;第二種將基板先焊接到某種匹配的薄金屬載體上,之后在基板上焊接金屬圍框,再進(jìn)行芯片組裝,最后封帽。這種方式工序較為復(fù)雜,基片材料本身以及焊接層氣密性需要仔細(xì)保證,但材料要求較低,殼體小,在集成和成本控制上更有優(yōu)勢。

除了要求輕小型化、氣密性和低成本外,封裝的另一個(gè)難點(diǎn)是要提供優(yōu)良的射頻饋通和高密度的低頻饋通能力。因此,管殼結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)與饋通電路設(shè)計(jì)密不可分。

封裝的發(fā)展趨勢是采用高導(dǎo)熱性新型輕質(zhì)金屬復(fù)合材料（如碳硅鋁）管殼,保證與芯片和基板的熱脹系數(shù)匹配,研究其加工成型、表面處理、焊接等相關(guān)工藝,解決與饋通電路設(shè)計(jì)、芯片微組裝和封帽工藝的相容性,達(dá)到良好的氣密性、環(huán)境適應(yīng)性和電路饋通性能。

4 關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展步驟和重點(diǎn)

我國在毫米波頻段有源相控陣天線相關(guān)技術(shù)上的研究已經(jīng)起步,但關(guān)鍵技術(shù)仍未得到完全突破,與國外技術(shù)水平相比存在較大差距。為了解決毫米波有源相控陣天線工程研制的急需,應(yīng)選擇合理的技術(shù)路線,重點(diǎn)突破3級集成技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)樣機(jī)研制和功能演示;然后再進(jìn)行電路、結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化,滿足工程應(yīng)用的平臺安裝、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求;最后解決大批量、低成本生產(chǎn)和應(yīng)用問題。

在技術(shù)路線選擇上,必須看到集成化是未來毫米波有源相控陣天線的發(fā)展趨勢,也是實(shí)現(xiàn)大批量低成本生產(chǎn)制造和工程應(yīng)用的主要技術(shù)途徑。需根據(jù)各種應(yīng)用要求,做好芯片級、子陣級和全陣級集成的總體設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)劃,逐步突破關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)這一指導(dǎo)思想,綜合各應(yīng)用需求,我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)首先開展以下關(guān)鍵技術(shù)研究。

4.1 TR組件專用多功能MMICs規(guī)劃和開發(fā)

專用多功能MMICs是研制毫米波有源相控陣TR組件不可缺少的器件。由于集成度高,設(shè)計(jì)上需要對各性能指標(biāo)進(jìn)行折衷,必須緊密結(jié)合應(yīng)用需求進(jìn)行專門開發(fā)。由于開發(fā)費(fèi)用高,周期長,應(yīng)在充分了解雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等各應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)要求基礎(chǔ)上,進(jìn)行專用MM ICs的系列化策劃,盡量減少多功能MMICs的品種,有計(jì)劃地進(jìn)行開發(fā),這對降低研發(fā)成本、提高芯片使用的互換性和TR組件批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性都是十分必要的。

CoreChip芯片是實(shí)現(xiàn)TR組件幅相控制的關(guān)鍵器件,可以按最大的移相位數(shù)和幅度控制范圍、幅度相位控制精度進(jìn)行通用化設(shè)計(jì),再根據(jù)頻段劃分,進(jìn)行系列化開發(fā)。對于收發(fā)一體的TR組件必須采用TRChip,由于其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)、數(shù)據(jù)鏈等,其頻段限定于這些應(yīng)用規(guī)定的頻段,因此要求針對特定的應(yīng)用開發(fā),保證技術(shù)指標(biāo)充分滿足應(yīng)用需求。TR組件電路通常有共腳型和公共支路型兩種形式,TRChip應(yīng)對兩種電路形式均能兼容使用。

多功能MMICs對制造工藝的要求十分苛刻,在規(guī)劃階段應(yīng)當(dāng)對工藝線進(jìn)行充分調(diào)研,選擇能滿足多功能集成要求、工藝線完整、工藝成熟可靠、頻率覆蓋范圍寬的工藝線,保證高的芯片開發(fā)成功率和批量生產(chǎn)的成品率,降低開發(fā)成本和生產(chǎn)成本。

4.2 垂直互聯(lián)技術(shù)

相對而言,磚塊式TR組件子陣設(shè)計(jì)和制造工藝要求較低,目前已經(jīng)基本突破并得到應(yīng)用。但其散熱能力差,在很多應(yīng)用中不能滿足長期工作可靠性要求。同時(shí),其集成密度較低,可擴(kuò)展性較差,后期生產(chǎn)成本也較高。從發(fā)展趨勢看,瓦片式TR組件應(yīng)用將更為廣泛。

瓦片式子陣結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)是小型化、可集成、高可靠的毫米波垂直互聯(lián)技術(shù)。毫米波TR組件垂直互聯(lián)對電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝的要求都非常高,現(xiàn)有的各種垂直互聯(lián)都還不能滿足工程應(yīng)用的要求。因此,一方面應(yīng)結(jié)合目前常用的LTCC基板和多層聚合物PCB,采用新工藝改善基板平整度、加工及裝配精度和接觸可靠性,或采用新材料對現(xiàn)有的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)形式缺陷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化;另一方面,研究新的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)形式,特別是新型的非接觸式毫米波垂直互聯(lián)技術(shù)。通過多種方案并行的研究,比較、優(yōu)選最佳的技術(shù)方案,完善制造工藝,為瓦片式TR組件子陣研制打下基礎(chǔ)。

4.3 高效小型化液冷器

液冷技術(shù)具備著諸多的優(yōu)越性,如原理相對簡單、散熱效率高、冷卻工質(zhì)熱容大、成本較低等,其工質(zhì)蒸發(fā)、泄漏等缺陷則隨著制造工藝的進(jìn)步而逐步克服,將成為未來一種主流的熱控制方式。小型化、高效率、可集成化的液冷散熱是毫米波有源相控陣天線功能演示和應(yīng)用必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。目前,液冷散熱技術(shù)已經(jīng)在工程上廣泛應(yīng)用,小型化、低成本液冷器大量用于民用產(chǎn)品。但是,要將其集成到TR組件子陣中還需要解決冷板與子陣結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)加工、流道與TR組件電路一體化設(shè)計(jì)、子陣流道擴(kuò)展設(shè)計(jì)和可靠連接、小型化循環(huán)管路和泵機(jī)、高效率換熱器等關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)是通過結(jié)構(gòu)、工藝、電路設(shè)計(jì)的密切配合,解決液冷系統(tǒng)與子陣結(jié)構(gòu)的集成化和擴(kuò)展性設(shè)計(jì)問題。

5 結(jié) 論

集成化是毫米波有源相控陣TR組件的關(guān)鍵技術(shù),毫米波TR組件的集成技術(shù)可以分成芯片級、子陣級和全陣級集成,不同等級的集成所用的技術(shù)各有側(cè)重,但也存在共性的關(guān)鍵技術(shù)。其中,芯片級和子陣級高密度集成是毫米波TR組件的關(guān)鍵。建議首先重點(diǎn)突破毫米波專用MMICs的規(guī)劃與開發(fā)、垂直互聯(lián)和小型化液冷系統(tǒng)等三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),為毫米波有源相控陣天線性能樣機(jī)研制和演示驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

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Crucial Integration Technology of T/R M odule for M illimeter-wave Active Phased Array

HUANGJian
（Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China）

Integration technology is regarded to be the crucial technology of T/R module for Millimeter-wave（MMW）phased array through analysis of the technical trends of active phased array.The integration technologies in manufacturing and testing T/Rmodules are classified in 3 levels（chip-level,subarray-level and wholearray-level）.The key technologies in each level are analysed and the route map of technology developing is presented.It is suggested that the customization multifunctional MMICs for MMW T/Rmodule,reliable integrated vertical interconnection in MMW band and efficient m iniature liquid cooler should be conquered first.

active phased array;m illimeter-wave;T/R module;integration technology

TN821;TN958.92

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.001

1001-893X（2011）02-0001-06

2010-12-06;

2011-02-16

黃 建（1971-）,男,四川鄰水人,分別于1993年和1996年獲電子科技大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,現(xiàn)為研究員級高級工程師,主要研究領(lǐng)域?yàn)楹撩撞娐放c系統(tǒng)。

HUANG Jian was born in Linshui,Sichuan Province,in 1971.He

the B.S.degree and the M.S.degree from University of ElectronicScience and Technology of China in1993 and 1996,respectively.He is now a senior engineer of professor.H is research concerns millimeter-wave components and systems.

Email:huangjian@swiet.com.cn