X波段四通道定標T/R組件設(shè)計

周演飛，王道暢

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥，230088）

0 引言

T/R組件作為有源相控陣雷達的核心部件，廣泛應(yīng)用于各種探測、制導(dǎo)及成像雷達系統(tǒng)[1]。T/R組件的指標決定了雷達系統(tǒng)的性能，隨著微波單片集成電路的大規(guī)模應(yīng)用，微波器件的功率、效率和噪聲系數(shù)等指標得到較大提升，T/R組件也實現(xiàn)了小型化和輕量化發(fā)展。T/R組件作為相控陣雷達數(shù)量最多的有源模塊，其成本在整個雷達系統(tǒng)中占比較高，限制了其在低成本領(lǐng)域的應(yīng)用。技術(shù)指標滿足系統(tǒng)要求的情況下，需要從設(shè)計上降低T/R組件的成本。

在SAR應(yīng)用領(lǐng)域，雷達系統(tǒng)要求對T/R組件的收發(fā)通道做到精確監(jiān)測，需要在T/R組件內(nèi)集成定標耦合器，來采集收發(fā)通道的幅度和相位信息，實現(xiàn)對空間的精確輻射掃描，定標耦合器的性能對系統(tǒng)的檢測精度至關(guān)重要。T/R組件一般采用多通道設(shè)計，而一部雷達往往有成百上千或更多的T/R組件，將每個通道對應(yīng)一個耦合電路，若是強耦合，則合成到定標總口的能量是很大的，因此一般要求T/R組件內(nèi)的耦合器必須是弱耦合，保證定標合成總口的信號幅度適宜。

定向性是關(guān)鍵性指標，關(guān)系著系統(tǒng)檢測的靈敏度和精度，因此，高性能的定標耦合器兼具有弱耦合和高定向性特點。為減少定標端口數(shù)量，定標耦合器采用兩通道合成設(shè)計，如圖1所示。定標耦合器包括功分器和兩個定向耦合器。

圖1 定標T/R組件

發(fā)射定標時，大功率信號經(jīng)耦合網(wǎng)絡(luò)到定標口輸出弱耦合信號，負載作為隔離端；接收通道定標時，信號從定標口灌入，經(jīng)耦合網(wǎng)絡(luò)耦合到接收主通道[2]，端口1/2為隔離端口。定向耦合器處于接收前端，會帶來額外的插入損耗，需要降低該損耗，盡可能地減小對T/R組件輸出功率、效率以及接收噪聲系數(shù)的影響。

本文設(shè)計一款單通道輸出功率超過30W，具有弱耦合、高定向性定標功能的X波段四通道T/R組件。

1 設(shè)計方案

為減少射頻器件使用，需要更高集成度的芯片。采用射頻“三芯片”設(shè)計：限幅低噪放大器芯片、多功能芯片和功率放大器芯片。限幅低噪聲放大器將限幅器和低噪聲放大器集成一款芯片，在實現(xiàn)將弱回波信號低噪聲放大的同時，還能將外來有害大功率信號反射至環(huán)行隔離器的負載電阻吸收，保護接收鏈路；多功能芯片在集成收發(fā)開關(guān)和幅相控制的情況下，還內(nèi)置驅(qū)動放大器，發(fā)射時直接將激勵信號推至功率放大器需要的功率電平。通道鏈路指標分解如圖2所示。

圖2 通道鏈路指標分解

功率放大器芯片飽和輸出45.6dBm，扣除環(huán)行隔離器和傳輸損耗，T/R組件輸出功率45dBm(31.6W)，接收單通道增益26.4dB，噪聲系數(shù)2.6dB。

T/R組件發(fā)射是脈沖工作，脈沖工作時，電源瞬間拉不出尖峰電流，尖峰電流由組件內(nèi)的儲能電容提供[3]，儲能電容的大小由脈沖寬度及所能允許的脈沖壓降來決定，依據(jù)經(jīng)驗公式，計算所需電容量。

Ip為脈沖峰值電流，▽V是允許的脈沖內(nèi)電壓的壓降，τ為工作最大脈沖寬度，代入數(shù)據(jù)，計算得到發(fā)射單通道所需電容量為70μF，因此需在組件內(nèi)放置280μF電容為發(fā)射漏壓供電，保證脈沖波形平整。

T/R組件的小型化需要高布線密度的多層基板，常用的高頻基板是LTCC和多層復(fù)合介質(zhì)板。LTCC采用金銀貴金屬作為導(dǎo)體漿料，在高頻微波有著良好的性能，可靠性高，多應(yīng)用于航空、航天產(chǎn)品，而過高的成本限制了T/R組件低成本設(shè)計。多層復(fù)合介質(zhì)板采用半固化片將多層雙面板壓合，外形可以隨意切割，滿足各種腔體結(jié)構(gòu)，但介質(zhì)板導(dǎo)熱率太低，散熱問題限制了高集成設(shè)計。

HTCC是以鎢金屬作為填充和導(dǎo)體材料，與氧化鋁陶瓷在1600℃左右實現(xiàn)共燒[4]，結(jié)構(gòu)強度高，散熱好，布線密度高，是低成本化微波多層基板，可做高集成設(shè)計。鎢金屬電導(dǎo)率為1.0×107S/m，微波傳輸性能不及金銀，隨著頻率升高，傳輸損耗就越大。在X頻段及以上，微波傳輸線應(yīng)多走表面，減少微波信號的垂直過渡和帶狀線設(shè)計。

2 定標耦合器

耦合器廣泛應(yīng)用于微波測試和雷達監(jiān)測系統(tǒng)，主要完成功率分配和信號耦合，是一種重要的四端口微波元件。耦合度和定向性是耦合器的核心指標，耦合度的大小代表能量分配比例，定向性決定了系統(tǒng)檢測精度和靈敏度[5]，是系統(tǒng)性能和技術(shù)水平的關(guān)鍵，因此設(shè)計高定向性的耦合器是追求的目標。

傳統(tǒng)的帶狀線、鋸齒線等高定向耦合器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，無法滿足T/R組件的小型化需求，而微帶線定向耦合器結(jié)構(gòu)簡單，是微波混合單片集成電路系統(tǒng)的最佳選擇。一般應(yīng)用弱耦合的耦合度為10～20dB，可得到較高的定向性，更弱耦合（耦合度30dB）場合下，要獲得高定向性是很困難的。對稱微帶耦合線應(yīng)用較為廣泛，文獻[5]給出了相同特性阻抗的對稱微帶耦合線的理論分析，通過補償電容，使奇模電容大于偶模電容，獲得高定向性，對于指導(dǎo)設(shè)計提供了理論支撐。

平行對稱微帶耦合器合成定標耦合器時，50Ω微帶線較寬，合成器占用尺寸大，為更方便的嵌入T/R組件，需要更加小型化的耦合網(wǎng)絡(luò)，采用非對稱平行微帶耦合設(shè)計電路，一邊是高阻抗傳輸線，一邊是50Ω的傳輸線，高阻抗的微帶線寬較窄，做合成網(wǎng)絡(luò)比50Ω微帶線更節(jié)省空間，僅有對稱平行微帶耦合器尺寸一半多點，在弱耦合場也可以達到對稱耦合器同樣的耦合特性。

選用厚度0.508mm的Rogers RT6002介質(zhì)板，在HFSS仿真軟件中建立模型。

圖3 仿真模型

定標耦合器由非對稱平行耦合線和合成器兩部分組成，端口間距與T/R組件的通道間距保持一致，為保證定標端口的合成效果，兩邊的耦合特性應(yīng)完全一致，采用對稱設(shè)計。100Ω射頻電阻作為吸收負載，代入模型，增加一對叉指補償電容用于提高定向性。主傳輸微帶線需要做缺口設(shè)計，補償叉指帶來的影響。

調(diào)整耦合線間距和一對叉指尺寸位置，優(yōu)化參數(shù)，得到仿真結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 隔離度和耦合度仿真結(jié)果

圖5 端口駐波仿真結(jié)果

由此可見，X波段1GHz帶寬的耦合度為32.5dB，帶內(nèi)波動0.3dB，隔離度超過-60dB，計算得到定向性優(yōu)于28dB，定標端口駐波1.27。仿真結(jié)果表明了該設(shè)計具有較高的方向性，所有端口匹配良好。耦合器傳輸長度不足1cm，仿真?zhèn)鬏敁p耗小于0.04dB，對T/R組件的輸出和噪聲系數(shù)影響極小，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

硅鋁合金是非金屬硅和金屬鋁形成的復(fù)合材料，是新一代封裝外殼材料，具有輕質(zhì)、高散熱、熱膨脹系數(shù)與陶瓷基板匹配等優(yōu)點，可有效解決大功率器件散熱及熱匹配問題，尤其是對重量比較敏感的航空、航天等領(lǐng)域優(yōu)勢更加明顯[6]。由于Si和Al都是低廉材料，硅鋁合金作為封裝管殼具有低成本優(yōu)勢。封裝本體選用AlSi50%材料，蓋板選用AlSi30%材料，采用激光封焊，保證密封氣密性。

硅鋁材料兼具有金屬和非金屬的特征，其材質(zhì)相對于金屬材料而言脆性比較大，具有一定的局限性，應(yīng)用時要充分考慮結(jié)構(gòu)尺寸、重量對安裝結(jié)構(gòu)強度的影響。T/R組件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示，設(shè)計多處加強筋提高T/R組件的整體結(jié)構(gòu)強度，安裝凸耳采用圓角過渡設(shè)計，提高安裝抗應(yīng)力能力。

圖6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

封裝管殼還需要解決散熱問題，T/R組件熱耗最大就是功率放大器，是熱量最集中的區(qū)域，功率放大器芯片與鉬銅襯底共晶焊接，整體再與盒體焊接，通過管殼底面將大量的熱量散出去，通過熱學(xué)仿真，滿足熱設(shè)計要求。

T/R組件多通道同時工作，為減小通道間相互干擾，需要將收發(fā)通道進行分腔處理。需遵循以下原則：有源器件避免處于本征模場強較大的地方，以免引發(fā)腔體諧振或鏈路自激，嚴重時可能導(dǎo)致器件燒毀；通道寬度盡量窄，隔墻盡可能地長，減小公共區(qū)域長度，使最低本征諧振頻率高于工作頻帶；增益較大或者輸出較大的相鄰器件需增加隔離措施，從設(shè)計上消除腔體自激和通道相互耦合的風(fēng)險。

定標耦合器放在腔體左邊，兩個定標耦合器被隔墻從中間隔開，隔墻與蓋板緊密貼合，避免相互影響，保證設(shè)計與仿真相吻合。

4 實物與測試

采用微組裝工藝，完成T/R組件的裝配，實物圖如圖7所示。T/R組件本體 尺 寸62mm×63mm× 10.3mm，重量93g。

圖7 T/R組件實物

射頻端口均采用SSMA連接器，四通道端口間距相同，電源和控制信號使用低頻連接器與系統(tǒng)互連。定標耦合器是無源互易網(wǎng)絡(luò)，耦合度可以通過接收通道測量得到，也可以通過發(fā)射通道測試，測試端口匹配良好時，其結(jié)果是一致的。信號從定標口入，可得到耦合通道接收增益，主通道增益與耦合通道接收增益之差即定標耦合器的耦合度。定標口與相鄰端口的S21即為隔離度，定向性為隔離度與耦合度之差，實測結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 耦合度實測數(shù)據(jù)

四個通道的耦合度實測基本一致，耦合度處于32～ 33dB之間，帶內(nèi)平坦度也小于0.5dB，耦合度和帶內(nèi)波動與仿真數(shù)據(jù)對比基本吻合。定向性實測大于16dB，略低于仿真結(jié)果，究其原因，有微帶圖形加工精度誤差的影響，但最主要的原因是仿真模型的端口匹配是完全匹配，沒有將環(huán)行隔離器代入仿真設(shè)計，環(huán)行隔離器端口駐波實測1.35，對定標耦合器的隔離度測試影響較大，導(dǎo)致了隔離度實測小于仿真結(jié)果。后續(xù)優(yōu)化環(huán)行隔離器的端口駐波，定向性指標會更優(yōu)。

圖9 定向性實測數(shù)據(jù)

耦合相位實測一致性僅±4°，定標端口駐波小于1.3，定標耦合器的通道一致性好。實現(xiàn)了X波段弱耦合高定向性的定標耦合器設(shè)計。

T/R組件關(guān)鍵技術(shù)指標測試如表1所示。

表1 關(guān)鍵指標測試

組件實測輸出功率大于30W，尤其是組件效率高，全帶內(nèi)超過35%，實現(xiàn)了大功率、高效率和低噪聲設(shè)計，移相精度和衰減精度也滿足使用要求。

5 結(jié)論

設(shè)計實現(xiàn)了一款高輸出和高效率的X波段四通道T/R組件，通過嵌入弱耦合、高定向性的合成定標耦合器，實現(xiàn)了對收發(fā)通道的定標測試。“三芯片”方案節(jié)省了射頻芯片的使用數(shù)量，生產(chǎn)裝配一致性和成品率更高，通道一致性更好。為進一步的應(yīng)用在星載SAR平臺打下堅實的基礎(chǔ)。