一種X波段十六通道瓦片式T/R組件的研制

王立發(fā)

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

雷達(dá)中大量使用T/R組件，其性能直接影響系統(tǒng)指標(biāo)。提高T/R組件的性能，降低體積、重量以及制造成本是研究過程中不斷追求的目標(biāo)[1,2]。

瓦片式T/R組件是在三維高密度集成技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代T/R組件。傳統(tǒng)的瓦片式T/R組件采用微組裝工藝將裸芯片裝配到鋁盒體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小型化，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此難以實(shí)現(xiàn)自動化，且無法實(shí)現(xiàn)高氣密性，可靠性低[3-5]。本文介紹一種X波段十六通道器件級瓦片式T/R組件，它采用陶瓷管殼封裝的器件，使用球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）實(shí)現(xiàn)組件與天線垂直互連，實(shí)現(xiàn)了T/R組件的小型化、低成本、可批產(chǎn)、高可靠。

1 瓦片式T/R組件設(shè)計

1.1 瓦片式T/R組件方案

本文研制的X波段十六通道器件級瓦片式T/R組件的原理如圖1所示，主要由雙向放大器器件、幅相多功能器件、收發(fā)前端器件、2×2的貼片式天線以及功分網(wǎng)絡(luò)等組成。幅相控制多功能器件為組件的核心器件，內(nèi)部集成6位數(shù)控移相器、6位數(shù)控衰減器、增益模塊、開關(guān)、功分器、串并轉(zhuǎn)換以及電源調(diào)制等電路，通過開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射通道間自由切換以及接收和發(fā)射狀態(tài)下的移相、衰減功能。該幅相多功能器件的功耗低、移相衰減精度高、端口駐波優(yōu)異，采用表貼無引線陶瓷管殼進(jìn)行了封裝，具有功率放大、低噪聲放大等功能。此外，組件采用的器件微波性能覆蓋了X波段，實(shí)現(xiàn)了氣密等級封裝，底部需要大面積接地，適用于回流焊安裝工藝。

圖1 瓦片T/R組件設(shè)計原理

1.2 瓦片式T/R組件架構(gòu)

瓦片式T/R組件架構(gòu)如圖2所示，多層印刷電路板（Printed Circuit Boards，PCB）為多層混壓板，其上下兩面貼裝有雙向放大器器件、幅相多功能器件、收發(fā)前端器件、冷板等。使用BGA球?qū)⑼咂絋/R組件與2×2的貼片式天線進(jìn)行垂直互連。

圖2 瓦片T/R組件架構(gòu)

傳統(tǒng)瓦片式T/R組件與器件級瓦片式T/R組件的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。由對比可知，器件級瓦片式T/R組件在可生產(chǎn)性、可維修性、生產(chǎn)周期、成本等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)瓦片式T/R組件。

表1 傳統(tǒng)瓦片式T/R組件與器件級瓦片式T/R組件的對比

1.3 垂直互連仿真

采用電磁仿真軟件對瓦片式T/R組件與天線垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化。圖3是瓦片式T/R組件與天線垂直互連仿真模型。它包括T/R組件與天線上下兩層空間的BGA植球、多層混壓板、天線局部模型。為了保證優(yōu)異的微波性能，垂直互連的BGA植球采用了類同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行微波信號傳輸。仿真優(yōu)化主要包括BGA植球處焊盤尺寸、板內(nèi)類同軸結(jié)構(gòu)金屬孔的直徑、信號孔和地孔的間距以及地孔的數(shù)量。最終仿真結(jié)果表明，瓦片式T/R組件與天線垂直互連模型在X波段內(nèi)駐波在-20 dB以下，損耗小于0.2 dB。

圖3 瓦片式T/R組件與天線垂直互連仿真模型

2 測試結(jié)果和組件外觀

根據(jù)瓦片式T/R組件的設(shè)計方案和架構(gòu)對組件進(jìn)行裝配。采用器件級瓦片式T/R組件專用自動測試設(shè)備對研制的T/R進(jìn)行測試，如圖4所示。

圖4 器件級瓦片式T/R組件測試圖

測試結(jié)果如表2所示，發(fā)射路輸出功率和接收路接收增益曲線如圖5所示。

表2 瓦片式T/R組件主要指標(biāo)測試結(jié)果

圖5 T/R組件測試曲線

通過對瓦片式T/R組件的指標(biāo)性能進(jìn)行測試可知，T/R組件在8～12 GHz頻帶內(nèi)的飽和輸出功率≥30 dBm，接收增益≥20 dB，噪聲系數(shù)≤3.5 dB，移相精度≤4°，衰減精度≤1 dB。

采用表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，SMT）工藝，將帶有BGA球的2×2的貼片式天線貼裝到瓦片式T/R組件上，尺寸為64 mm×64 mm×20 mm，如圖6所示。

圖6 瓦片式T/R組件實(shí)物

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用了雙向放大器、收發(fā)前端等器件研制了一種X波段十六通道瓦片式器件級T/R組件，提出了采用BGA實(shí)現(xiàn)組件與天線垂直互連，節(jié)省了接頭成本與體積。組件使用成熟的SMT工藝進(jìn)行生產(chǎn)，尺寸為64 mm×64 mm×20 mm（含天線），解決了傳統(tǒng)瓦片式T/R組件小型化與可批產(chǎn)、低成本之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了小型化、低成本、可批產(chǎn)、高可靠的目標(biāo)。同時探索了一種新的組裝方式，除了T/R組件領(lǐng)域，該組裝方式在變頻通道、頻率源、發(fā)射機(jī)等領(lǐng)域也具有很高的推廣價值。