C 波段四通道高性能定標T/R 組件設計

周演飛，彭高森

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

引言

T/R 組件作為有源相燮陣雷達的核心部件，主要功能：發(fā)射時完成激勵信號的功率放大至天線單元輻射出去；接收時完成回波弱信號的低噪聲放大至接收機；通過燮制收發(fā)通道的幅相實現雷達掃描功能。T/R 組件的性能指標決定了雷達系統(tǒng)的能力，高可靠、大功率、高效率、小型化及低成本已經成為高性能T/R 組件的重要標簽。

T/R 組件在星載SAR 領域應用越來越廣泛，在監(jiān)測海洋目標以及成像等方面，C 波段有著更好的性能[1]，設計實現輸出高功率、高效率的C 波段多通道輕小型T/R 組件有重要意義。為實現對收發(fā)通道精確的校正，需要在T/R 組件內集成小型定標耦合器，用于采集收發(fā)通道的幅相信息。高性能的定標耦合器通常具有弱耦合、高定向性且端口駐波小等特點，發(fā)射定標時，耦合發(fā)射信號從定標口輸出；接收定標時，信號從定標口輸入，耦合到接收通道[2]。為了減少定標端口數量，定標耦合器采用兩通道合成設計。定標T/R 組件原理框圖見圖1。定標耦合器放置在環(huán)行器與天線端口之間，兩路耦合對稱設計，確保幅相一致，通過合成網絡至定標口。本研究設計一款輸出功率超過50W，具有高效率和高定向性耦合功能的C 波段四通道T/R 組件。

圖1 定標T/R 組件原理框圖

1 設計方案

1.1 收發(fā)鏈路

為減少射頻器件使用，做集成度更高的設計，采用“三芯片”設計方案：限幅低噪放芯片、多功能芯片和末級功率放大器。需合理分配收發(fā)鏈路增益以滿足設計指標要求，標分解見圖2。收發(fā)通道分時工作，多功能芯片滿足6bit 幅度和6bit 相位調節(jié)的基礎上，又集成了驅動放大器，在發(fā)射時，DPA 直接推動末級功放到飽和狀態(tài)，節(jié)省了驅動放大器芯片。限幅低噪聲放大器將外來不友好的大功率信號反射至環(huán)行隔離器的燮載電阻吸收，保護接收鏈路。末級功放采用GaN 功率管芯內匹配和功率合成技術，將管芯和匹配電路燒結在金屬載體上，在X 波段及以下具有低成本、高輸出功率和高效率的優(yōu)勢。

圖2 收發(fā)鏈路分解

高效率的T/R 組件，需要做好末級功放的輸出匹配，功率放大器輸出經常受匹配的影響較大，導致發(fā)射效率降低，需要在環(huán)行隔離器與末級功放之間增加一段過渡線，增加調試小島，將金絲的匹配考慮進去，改善輸出匹配。

通過鏈路分析，T/R 組件輸出功率50 W，接收單通道增益25.9 dB，噪聲系數2 dB。

1.2 多層基板與封裝

多層基板材料應具有傳輸損耗小、散熱好和布線密度高等特點。低溫共燒陶瓷LTCC 填充和鍍覆為金銀混合材料體系，高頻性能好，多作為星載T/R 組件的基板。同樣具有布線密度高的氧化鋁高溫共燒陶瓷HTCC，以鎢金屬作為填孔和印刷導體，在1 600 ℃左右完成共燒，結構強度高[3]，具有明顯的低成本優(yōu)勢，缺點是高頻性能較LTCC 差。

設計15 層HTCC 基板，單層厚度選擇0.12 mm，介電常數9.6。布線時需要做到對射頻信號、燮制信號和脈動電源信號之間的相互隔離和屏蔽，避免信號間的耦合和串擾。電子封裝材料需要能與HTCC 基板熱膨脹系數相匹配，且滿足高熱導率，高抗拉強度，同時也要重量輕，機加和密封性能好。目前常用的封裝材料有可伐、鋁合金、鈦合金和硅鋁合金等，可伐和鈦合金優(yōu)勢在于結構強度高，能與陶瓷熱膨脹匹配，缺點在于熱導率差，無法滿足末級功放的散熱要求，鋁合金導熱性能好，但熱膨脹系數比陶瓷基板高太多，容易分層開裂，只有硅鋁合金能滿足要求。盒體和蓋板分別用27%Si-Al 和50%Si-Al 材料，可做到熱匹配和抗拉強度的兼顧。組件內部的GaAs 和GaN 芯片是氫敏感器件。硅鋁盒體在生產加工過程中，氫氣會吸附在金屬內部，在封蓋后的密閉空間下，氫氣緩慢揮發(fā)，導致內部氣氛氫含量升高，會導致芯片性能下降，因此需要做好硅鋁盒體的除氫措施。

2 仿真設計

2.1 傳輸線

微帶傳輸線會使表層空間等不到充分利用，帶狀線埋在內層，與芯片互連處，陶瓷基板需要挖腔處理，降低了基板可靠性，選擇微帶線- 帶狀線- 微帶線的傳輸方式，表面空間既能充分使用，還能起到電磁屏蔽，減小通道間耦合和空間電磁輻射。該傳輸線存在多處不連續(xù)，需要優(yōu)化端口駐波，建立仿真模型見圖3。

圖3 傳輸線仿真模型

鎢金屬電阻率大導致高頻特性差，信號頻率越高，傳輸損耗越大，仿真結果：6 GHz 以下，傳輸損耗小于0.3 dB，鏈路上有3 處該類型傳輸線，傳輸損耗約1 dB。優(yōu)化端口匹配，仿真駐波小于1.05，端口得到良好的匹配。T/R 組件工作在脈沖工作條件下，需要足夠的儲能電容以提供大的峰值電流，在帶狀線的上表面空間，需要放置儲能電容，為末級功放提供穩(wěn)定的電壓，保證發(fā)射功率頂降。

2.2 定標耦合器

耦合器作為微波電路的基本單元，平行線微帶耦合器常應用于弱耦合場合，結構簡單，可方便的嵌入到T/R 組件[4]。非對稱電路耦合可減小電路尺寸，這對于T/R 組件的小型化至關重要。通常弱耦合電路要得到較高的定向性是很困難的，通過增加叉指補償提高定向性。建立仿真模型見圖4。

圖4 定標耦合器仿真模型

定標耦合器由平行耦合線和合成器兩部分組成，將電阻模型代入仿真。吸收燮載為100 Ω，隔離電阻為200 Ω，為保證兩路耦合的幅相一致性，采用對稱式設計，選用Rogers RT6002 陶瓷基板。通過優(yōu)化參數，仿真結果見圖5。

圖5 耦合度和隔離度仿真結果

從仿真曲線看出，C 波段1 GHz 帶寬的耦合度為32.2±0.5 dB，定向性大于30 dB，仿真結果滿足指標要求。

2.3 腔體設計

為避免通道間相互干擾，引發(fā)腔體諧振或鏈路自激，將收發(fā)通道進行分腔處理。設計分腔見圖6。

圖6 腔體分腔設計

避免腔體本征諧振頻率落在工作頻率帶內或附近，設計隔墻盡可能的長，隔墻高度與蓋板齊平，兩定標耦合器也從中間隔開，防止互擾。仿真最低的諧振頻率為8.25 GHz，遠超工作頻帶，從設計上消除腔體自激和通道相互耦合的風險。

3 實物與測試

采用微組裝工藝完成T/R 組件的裝配，實物見圖7。

圖7 T/R 組件實物

T/R 組件本體尺寸74 mm×70 mm×11 mm，重量150 g，射頻端口采用SSMA 射頻連接器。T/R 組件的耦合指標可以通過接收通道測量。耦合度和定向性的實測結果見圖8、圖9。

圖8 耦合度實測數據

圖9 定向性實測數據

測試數據得知，4 個通道的耦合度指標實測數據一致，對比仿真與實測數據，耦合度兩者基本吻合，定向性實測也大于20 dB，滿足指標要求。耦合相位實測一致性僅±2°，定標端口駐波小于1.2，定標耦合器的通道一致性好。耦合度實測曲線帶內有微小起伏，究其原因，仿真模型的端口完全匹配，而在實際端口受環(huán)行隔離器端口駐波的影響。C 波段600MHz 的工作帶寬，關鍵技術指標測試見表1。

表1 關鍵指標測試

組件實測性能優(yōu)，輸出功率高，噪聲低，尤其是組件效率很高，全頻帶超過48%，屬于高效率T/R 組件，移相精度和衰減精度優(yōu)于雷達使用要求。

4 結論

設計實現了高功率和高效率四通道C 波段T/R組件，通過嵌入弱耦合、高定向性的合成定標耦合器，可做到接收和發(fā)射的精準內定標。同時，采用低成本和集成化設計，減小射頻芯片數量及互聯，生產裝配成品率更高，通道間幅相一致性更好。為進一步的應用在星載SAR 平臺打下堅實的基礎。