一種基于SIP技術(shù)的多通道L波段T/R組件設(shè)計(jì)

徐海飛，蔣福生，楊 陽，任恒志，馬 濤，沈 濤

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

有源相控陣技術(shù)如今在雷達(dá)系統(tǒng)、電子對抗、武器精確制導(dǎo)及通信技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。特別是在雷達(dá)領(lǐng)域，有源相控陣?yán)走_(dá)的波束指向靈敏迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警搜索、跟蹤定位、精確制導(dǎo)及無源探測等多種功能，具有較強(qiáng)的多目標(biāo)接戰(zhàn)能力、良好的抗干擾性能以及較高的可靠性，是現(xiàn)代軍事領(lǐng)域中重要的武器裝備[1]。而有源相控陣的每個天線單元都設(shè)置有一個收發(fā)（Transmitter and Receiver，T/R）組件，T/R組件的性能直接影響著雷達(dá)的性能。目前傳統(tǒng)的MMIC混合集成（2D平面）T/R組件已成熟運(yùn)用于各雷達(dá)和通信系統(tǒng)中，但隨著雷達(dá)系統(tǒng)和微波通信的發(fā)展，小型化多通道L波段T/R組件的研制已迫在眉睫，其要求T/R組件體積越來越小、功能集成化越來越高，傳統(tǒng)的MMIC混合集成T/R組件已然不能滿足使用要求[2]。而基于系統(tǒng)級封裝（System in Package，SIP）技術(shù)的L波段多通道T/R組件具有體積小、重量輕、集成度高等突出特點(diǎn)，必將得到廣泛運(yùn)用。

本文研制的基于SIP技術(shù)的多通道L波段收發(fā)組件，適用于L波段有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。L波段T/R組件實(shí)現(xiàn)了發(fā)射300 MHz中頻率上變頻至1.2～1.4 GHz、濾波、放大、數(shù)控衰減、功率放大至50 W輸出以及接收L波段信號預(yù)選濾波、限幅、放大、數(shù)控衰減、下變頻、中頻放大濾波輸出300 MHz 中頻信號等功能。驗(yàn)證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了發(fā)射輸出功率大于47 dBm，接收增益60±1.5 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于 3 dB，雜散優(yōu)于60 dBc，通道隔離度優(yōu)于50 dB。仿真設(shè)計(jì)和試驗(yàn)樣品的測試結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的合理性和工程實(shí)用性。

1 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

1.1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于SIP技術(shù)的多通道L波段收發(fā)組件由3個部分組成，分別是12路T/R通道、本振放大功分電路、電源調(diào)制及接口控制電路。其中，收發(fā)射頻電路為一路發(fā)射上變頻電路和兩路接收下變頻電路，電源調(diào)制及接口控制電路主要實(shí)現(xiàn)收發(fā)電源調(diào)制功能以及實(shí)現(xiàn)SPI串并轉(zhuǎn)換功能。組件實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 基于SIP技術(shù)的多通道L波段T/R組件原理框圖

12路TR通道的設(shè)計(jì)原理完全相同，將小信號收發(fā)變頻電路采用SIP技術(shù)進(jìn)行小型化集成設(shè)計(jì)，單通道工作原理如圖2所示。T/R通道主要由收發(fā)變頻SIP、GaN功放、環(huán)形器、大功率濾波器以及中頻濾波器等電路組成。

圖2 L波段T/R組件單通道原理框圖

發(fā)射時(shí)，直接式數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）產(chǎn)生功率為-5 dBm的300 MHz中頻信號，經(jīng)中頻帶通濾波抑制帶外雜散，再經(jīng)L波段收發(fā)變頻SIP放大濾波后與本振信號LO混頻后輸出1.2～1.4 GHz的L波段射頻信號，再經(jīng)過帶通濾波、數(shù)控衰減、射頻放大后推動GaN功率放大器。GaN功率放大器功率增益大于35 dB，飽和輸出功率大于100 W，功率附加效率大于50%。該信號經(jīng)環(huán)形器以及帶通濾波器抑制諧雜波后輸出，端口輸出功率大于60 W。發(fā)射通道設(shè)計(jì)有6位 0.5 dB步進(jìn)的數(shù)控衰減器，最大衰減31.5 dB，滿足發(fā)射功率程控要求。

接收時(shí)，從天線接收到的1.2～1.4 GHz的L波段射頻信號通過天線進(jìn)入T/R組件，首先經(jīng)過帶通濾波器抑制帶外干擾信號，隨后通過環(huán)行器后進(jìn)入限幅低噪放，放大濾波后與本振信號LO混頻后輸出300 MHz中頻信號。接收通道設(shè)計(jì)有6位 0.5 dB步進(jìn)的數(shù)控衰減器，最大衰減31.5 dB，滿足接收動態(tài)擴(kuò)展要求。

T/R通道中的L波段收發(fā)變頻電路采用SIP技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過采用新工藝和新材料，突破了微組裝技術(shù)的關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)多基板的三維垂直互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了高密度、小型化集成。L波段收發(fā)變頻SIP封裝形式采用BGA表貼外殼，完全氣密設(shè)計(jì)，其體積尺寸為22 mm×16 mm×4.5 mm，相比傳統(tǒng)收發(fā)變頻模塊，其體積尺寸減少90%以上，外形尺寸對比如圖3所示。

圖3 L波段收發(fā)變頻SIP與傳統(tǒng)變頻模塊對比

SIP技術(shù)以器件級的封裝實(shí)現(xiàn)組件級的功能，可大幅降低系統(tǒng)裝備的體積和重量，同時(shí)還有利于產(chǎn)品可靠性的提升和封裝的小型化[3]。三維集成SIP技術(shù)是電子設(shè)備向微系統(tǒng)方向發(fā)展的重要技術(shù)途徑。

電源調(diào)制及接口控制電路主要實(shí)現(xiàn)GaN功放上下電時(shí)序控制、+28 V功放漏極電源調(diào)制以及+5 V 電源調(diào)制功能，其次還利用FPGA實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換功能，配合離散線完成T/R通道工作狀態(tài)控制等功能，電路原理如圖4所示。

圖4 電源管理及接口控制電路原理框圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析

1.2.1 接收鏈路技術(shù)指標(biāo)分析

接收鏈路包括濾波器、環(huán)形器、限幅低噪聲放大器以及L波段收發(fā)變頻SIP等組成，如圖5所示。T/R接收通道主要的性能指標(biāo)如表1所示。

圖5 T/R接收通道鏈路框圖

考慮到接收通道大線性動態(tài)范圍及低噪聲需求，選用了一款具備耐高功率、低噪聲和高增益的限幅低噪放，增益可達(dá)28 dB以上，噪聲系數(shù)最差為1.2 dB。按照鏈路方案，整個鏈路級聯(lián)后，通道工作增益為60.8 dB，噪聲系數(shù)為2.42 dB，輸入P_1為-47.8 dBm。按照射頻鏈路級聯(lián)分析得到了接收通道噪聲系數(shù)理論值為2.42 dB，依據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，高溫下噪聲系數(shù)會有所惡化,約為0.4 dB，全溫范圍內(nèi)小于3 dB。

1.2.2 發(fā)射鏈路技術(shù)指標(biāo)分析

發(fā)射鏈路包括L波段收發(fā)變頻SIP、GaN功率放大器、環(huán)形器及濾波器等，如圖6所示。T/R發(fā)射通道主要的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 T/R接收通道指標(biāo)

發(fā)射鏈路由L波段收發(fā)變頻SIP及高增益的GaN功率放大模塊構(gòu)成，整個發(fā)射通道增益可達(dá)55.6 dB。由圖6所示的鏈路增益分配圖可知，當(dāng)發(fā)射激勵信號輸入為-5 dBm，發(fā)射支路的末級放大器工作在飽和狀態(tài)，并且發(fā)射通道鏈路增益能夠保證在高溫工作狀態(tài)下使末級GaN芯片飽和輸出，后級濾波器、環(huán)行器、連接器的損耗按照1.2 dB統(tǒng)計(jì)，則末級輸出功率為48.8 dBm。末級高增益功率模塊的功率附加效率可達(dá)到54%以上。

圖6 T/R發(fā)射通道鏈路框圖

發(fā)射脈沖功率要求在200 μs寬脈沖下頂降在1 dB以內(nèi)。影響輸出功率頂降的主要因素包括電源功率、儲能電容容量[4]。一般而言，對于脈沖調(diào)制工作機(jī)制，采用高容量的儲能電容來保證瞬時(shí)脈寬內(nèi)提供大電流以滿足頂降要求，可通過以下公式計(jì)算得出發(fā)射儲能電容容量：

表2 T/R發(fā)射通道指標(biāo)

式中：P為發(fā)射功率，t為發(fā)射脈寬，U為工作電壓。

取工作電壓U=28 V，發(fā)射峰值電流I=6.6 A，發(fā)射脈寬t=100 μs，如果單純依靠儲能電容來保證單通道發(fā)射脈沖頂降，則儲能電容為至少需要490 μF 電容容量，這在現(xiàn)有規(guī)定的T/R通道體積內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)裝配，需要整機(jī)+28 V電源模塊能夠提供較高的功率來保證，此外要求電源模塊具備較快的響應(yīng)速度。

發(fā)射輸出脈沖前后沿主要由電源調(diào)制的速度決定。L波段收發(fā)SIP內(nèi)的GaAs放大器件采用 +5 V供電，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，其調(diào)制速率比較快，上升和下降沿可控制在50 ns以內(nèi)。GaN功率器件工作在+28 V，工作電壓較高并且工作電流大，采用專門研制的高速高壓功率PMOSFET驅(qū)動器集成電路單片，可實(shí)現(xiàn)+28 V電源上升和下降沿在80 ns以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求的100 ns。

1.3 關(guān)鍵射頻電路工作原理和設(shè)計(jì)

1.3.1 T/R組件工作時(shí)序設(shè)計(jì)

T/R通道中的放大器工作于A類或者AB類，增益較高，由于T/R收發(fā)通道形成了一個閉環(huán)回路，如圖7所示，對于閉環(huán)回路就會存在不穩(wěn)定的可能。若T/R收發(fā)通道發(fā)射控制上升沿與接收控制下降沿存在時(shí)序交叉，則收發(fā)通道的放大器同時(shí)工作，整個鏈路器件增益會達(dá)到Gain=21+36-20+28+34=99 dB。

圖7 T/R通道收發(fā)鏈路同時(shí)工作時(shí)的環(huán)路狀態(tài)

由于整個T/R通道的尺寸較小，在較小的尺寸范圍內(nèi)形成正反饋，環(huán)路總增益大于1，會導(dǎo)致整個收發(fā)通道的自激振蕩，特別是在高低溫工作時(shí)，較強(qiáng)的自激振蕩可能導(dǎo)致GaN功率放大器件 燒毀。

因此，為解決T/R通道工作穩(wěn)定性，提高整個工作周期內(nèi)的收發(fā)隔離度，必須在發(fā)射期間關(guān)斷接收通道，在接收期間關(guān)斷發(fā)射通道，并且收發(fā)時(shí)序嚴(yán)格不交叉[5]。收發(fā)時(shí)序控制如圖8所示。

圖8 T/R通道收發(fā)時(shí)序

1.3.2 SIP關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

L波段收發(fā)變頻SIP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是垂直互聯(lián)。SIP的核心是元器件芯片與元器件高密度組裝互聯(lián)，尺寸減小。目前，平面的組裝密度已經(jīng)達(dá)到理論極限值。而SIP將MCM沿垂直方向堆疊互連，可以獲得更大的組裝密度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。 L波段收發(fā)變頻SIP采用BGA焊球垂直互連技術(shù)，傳輸信號的BGA焊球與周圍接地焊球形成了一個類同軸結(jié)構(gòu)，因此只要合理設(shè)計(jì)傳輸信號的BGA焊球與周圍接地焊球的間距和排布，就可實(shí)現(xiàn)BGA焊球?qū)ξ⒉ㄐ盘柕倪B續(xù)傳輸。SIP內(nèi)部垂直互聯(lián)仿真如圖9和圖10所示。

圖9 SIP內(nèi)部垂直互聯(lián)仿真模型

圖10 SIP內(nèi)部垂直互聯(lián)仿真模型仿真結(jié)果

1.4 PCB設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

T/R通道中的L波段收發(fā)變頻SIP采用BGA封裝，T/R組件采用微波多層復(fù)合介質(zhì)基板來實(shí)現(xiàn)一體化集成設(shè)計(jì)。微波電路、低頻控制電路、電源電路以及數(shù)字電路等共用一塊電路板，可有效實(shí)現(xiàn)微波電路小型化[6]。同時(shí)，由于SIP內(nèi)部電磁屏蔽良好，可有效解決高密度T/R組件內(nèi)部的電磁兼容問題。T/R組件采用12層微波復(fù)合多層板，采用RO4350B板材，板間采用半固化片進(jìn)行壓合粘接，板厚2 mm，PCB層疊如圖11所示。

圖11 12層微波復(fù)合多層電路板疊層設(shè)計(jì)

L波段多通道T/R組件采用金屬屏蔽腔體結(jié)構(gòu)形式，腔體和蓋板均采用5A06系列防銹鋁合金材，金屬屏蔽腔體本身具有很高的屏蔽效能。但由于屏蔽結(jié)構(gòu)蓋板與腔體、連接器與腔體之間有縫隙的存在，使得模塊屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能大大降低。因此，為提高屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能，減少電磁泄漏，根據(jù)實(shí)際情況減小蓋板螺釘間距，縮小蓋板與腔體間縫隙的尺寸，使蓋板與腔體形成低阻抗連續(xù)通路，且對TR通道設(shè)計(jì)雙層蓋板屏蔽設(shè)計(jì)提升通道隔離度。T/R組件的結(jié)構(gòu)尺寸為500 mm×86.5 mm×22 mm，結(jié)構(gòu)如圖12所示。同時(shí)，T/R組件對天線射頻口采用小型化SMP連接器，對數(shù)字處理中頻口采用射頻毛紐扣集成連接器。

1.5 T/R組件測試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，制作了基于SIP技術(shù)的多通道L波段收發(fā)組件樣品，實(shí)物如圖11所示。利用功率計(jì)、信號源、頻譜分析儀及脈沖調(diào)制器對L波段多通道收發(fā)組件的性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表3所示。

圖13 研制L多段多通道T/R組件實(shí)物

表3 L波段多通道T/R組件主要性能指標(biāo)測試結(jié)果

研制產(chǎn)品的發(fā)射峰值功率、脈沖頂降、脈沖上升沿與下降沿、增益、噪聲系數(shù)、雜散抑制、通道相位差穩(wěn)定度以及隔離度等指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果一致，滿足工程應(yīng)用的功能需求和技術(shù)指標(biāo)要求。

2 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新型、基于SIP技術(shù)的小型化、集成化多通道L波段T/R組件，經(jīng)測試，滿足預(yù)計(jì)的電性能指標(biāo)要求。SIP技術(shù)為有源相控陣?yán)走_(dá) T/R組件小型化提供了一條解決途徑，將該方法加以工程應(yīng)用，能夠解決T/R組件難以小型化的問題，更好地滿足相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的要求，同時(shí)根據(jù)SIP技術(shù)可拓展性特點(diǎn)，后續(xù)可根據(jù)具體鏈路的需要，滿足更加復(fù)雜的系統(tǒng)使用，在縮減T/R組件尺寸的同時(shí)，可極大地優(yōu)化T/R組件的性能指標(biāo)。