郝金中，張 瑜，周 揚

(中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊050051)

1 引 言

T/R 組件是相控陣雷達最關鍵最基本的單元，包括發(fā)射通道、接收通道和公共通道。相控陣雷達小尺寸和輕量化設計必然要從縮小每個T/R 組件的體積入手。瓦片式技術將組成T/R 各功能的芯片和其他器件集成在一個模塊內(nèi)，使傳統(tǒng)的“磚塊式”T/R 的體積大大縮小，大大加快了T/R 組件小型化、輕重量的進程，因此進行瓦片式T/R 組件的研究和開發(fā)是十分必要的。

國外開展瓦片式T/R 組件研究較早。文獻［1］介紹了一種采用多層AlN 基板、倒裝單片微波集成電路芯片(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)、毛鈕扣實現(xiàn)的瓦片式T/R 組件，工程應用在X 頻段性能較好，但毛紐扣需要較好的精確對位和組裝，占用空間較大，且不利于生產(chǎn)過程中的返修。國內(nèi)瓦片式T/R 組件研究起步較晚，對于瓦片式T/R 組件整體研制中的各項技術難題和工藝實現(xiàn)過程，國內(nèi)可循的文獻相對較少。文獻［2］提出了一種使用小端口脊波導來實現(xiàn)瓦片式T/R 組件的子陣集成，以8 個組件為例進行子陣電路布局設計，未涉及瓦片式T/R 組件的關鍵技術。文獻［3－6］研究了瓦片式T/R 組件的關鍵技術之一垂直互聯(lián)技術，使用了毛紐扣、錫球擬同軸結構、夾層互聯(lián)技術等模型。本設計中的瓦片式T/R 組件工作在X～Ku 頻段，工作頻率高、帶寬寬，對尺寸要求更加嚴格，上述模型存在高頻寬帶內(nèi)微波性能、裝配返修、尺寸、散熱等各式問題，不能滿足設計要求或不適用于批量生產(chǎn)的加工返修。

針對上述分析，本文利用現(xiàn)有成熟工藝技術條件，提出了一種高集成T/R 組件三維立體組裝方法，在較寬頻帶內(nèi)(6 GHz)性能優(yōu)越，易于裝配和維護，更適合于工程應用。為提高集成度，組件同時也使用了多功能MMIC 芯片技術、多芯片組裝(Multi－chip Module，MCM)等技術。文中詳盡介紹了該瓦片式組件實現(xiàn)的各項關鍵和難點技術，為保證組件工作的長期可靠性，針對盒體結構進行了熱分析仿真和密封性設計。經(jīng)測試，組件各項性能指標滿足用戶的使用要求。

2 關鍵技術及難點實現(xiàn)

該瓦片式T/R 組件采用分層結構，將多個通道相同功能的芯片或電路集成在不同的平面上，然后采用垂直互聯(lián)技術實現(xiàn)電器和射頻信號的連通。另外，為充分節(jié)省空間并減小裝配難度，采用集成度高的多功能芯片和多芯片組裝技術，也是實現(xiàn)瓦片式T/R 組件的關鍵之處。

2.1 三維垂直互聯(lián)技術

對于瓦片式T/R 組件三維集成微波電路來說，形成三維結構的關鍵在于如何實現(xiàn)各平面微波電路間的垂直互聯(lián)［7］。垂直互聯(lián)是指三維模塊中的電源、接地及層間射頻信號所需的互聯(lián)?；ヂ?lián)既要保證微波信號的完整性，又要具有結構簡單的特點。本文研制的T/R 組件在有限空間范圍內(nèi)經(jīng)過合理的結構設計和巧妙的電路布局，使用了兩個平行的層面，完成了信號的接收和發(fā)射功率輻射。下面分別介紹該T/R 組件的低頻信號和微波信號的垂直互聯(lián)方式。

由于組件通道數(shù)較多，低頻接口包括電源、控制、天線信息等多個信號，對于低頻信號的垂直互聯(lián)，為了提高組件的集成度，設計上選用信號可以上下連通的多層基板來實現(xiàn)。組件外部接口將電源和控制信號引入到組件以后，通過鍵合的方式將該類信號全部加到組件的一個平面上，該平面使用多層電路板。通過多層電路板的內(nèi)部走線，在另一個層面需要低頻信號引入位置的垂直背后，將盒體該位置局部挖空，利用環(huán)氧板上的多個通孔，將需要的信號過渡到盒體另一個層面，如圖1所示。同樣也使用鍵合的方式，將信號加到該層面需要的位置。

圖1 T/R 組件剖面模型Fig.1 Profile module of T/R

考慮到微波垂直互聯(lián)的連續(xù)性，射頻傳輸時的路徑要與腔體、低頻信號做好充分的屏蔽和隔離，避免因輻射引起的各種信號干擾。電路上采取合理布局，結構上采取分腔設計，保證電路的穩(wěn)定性。

通過上述分析，結合實現(xiàn)的空間和裝配難度，射頻信號的垂直互聯(lián)采用定制的穿墻絕緣子，絕緣子與上下層面的電路板使用焊錫焊接相連。絕緣子的孔徑和長度、焊接的焊錫量，均對射頻性能產(chǎn)生影響。使用三維電磁仿真軟件HFSS 對該結構模型進行分析和優(yōu)化，確定了穿墻絕緣子的外形尺寸。

圖2為使用絕緣子實現(xiàn)二維微波多芯片層面垂直互聯(lián)的三維仿真模型圖和單獨測試絕緣子的差損結果，去掉與矢網(wǎng)連接的接頭差損為0.4～0.5 dB，在工作頻帶內(nèi)，絕緣子的差損和平坦度均在0.5 dB以內(nèi)。

圖2 絕緣子仿真模型及測試結果Fig.2 Simulation module and test result of insulator

該結構微波信號垂直互聯(lián)的絕緣子占用平面空間為直徑2 mm的孔徑，每個低頻信號互聯(lián)占用直徑0.4 mm的孔徑，較毛紐扣等其他目前已經(jīng)開發(fā)的垂直互聯(lián)方式所占空間更小，且在高頻、寬帶組件中性能更加優(yōu)越，成本低，裝配容易，且給返修提供了便利［8］。

2.2 多功能芯片技術

單芯片實現(xiàn)多功能微波電路是T/R 組件技術的發(fā)展趨勢，高度的集成化可以顯著提高一致性，降低成本，縮小體積，增加可靠性，從而提高整體的系統(tǒng)性能。使用多功能芯片后，射頻鏈路除了多通道的功分器芯片外，只用了3 個芯片便實現(xiàn)了信號的收發(fā)。

該T/R 組件所使用的多功能芯片集成了以下電路功能:單刀三擲開關、6 位移相器、6 位衰減器、收發(fā)放大器、串并轉換電路、開關驅動電路、均衡電路，其原理框圖如圖3所示。

圖3 多功能芯片原理框圖Fig.3 Circuit schematic of multifunctional chip

2.3 MCM 多芯片組裝技術

瓦片式T/R 組件功能比較復雜，含有的芯片比較多，要在很小的體積內(nèi)實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)、控制，需要先進的多芯片組裝技術，將元器件通過合理的結構布局，形成三維立體結構，以減小模塊的尺寸［9－10］。

同一年，湛江農(nóng)墾被列入廣東省人大水庫移民議案資金扶持范圍，此后，水庫移民扶持政策在紅湖逐步落實。目前，農(nóng)場職工住房已達3000多棟，其中95%是兩層以上的磚混樓房，職工居住環(huán)境面積大大改善。

本文介紹的T/R 組件包含的功能比較復雜，既有高頻微波電路又有低頻調(diào)制電路;裝配工藝復雜，包含多種薄膜、厚膜微組裝工藝;所用基板包括多層環(huán)氧板、微波電路板等，確保精細線條的加工和多層布線的可靠性。在組裝方面，優(yōu)先考慮成熟的工藝路線，并嚴格按照工藝文件的要求進行加工。合理安排裝配工藝溫度梯度，避免工藝過程中的二次熔融問題。

該T/R 組件分為上下兩個平行的層面，對于不同層面的電路板和器件，不僅要考慮溫度梯度的順次裝配，由于盒體尺寸較小，且上下開腔僅能從盒體壁進行傳熱，因此要考慮在器件燒焊過程中如何能使器件充分熔融。

3 熱分析

瓦片式T/R 組件的熱設計是貫穿于研制全過程的重要環(huán)節(jié)，通過選取材料、器件，采取合理的工藝措施，把元器件產(chǎn)生的熱有效地傳導出盒體，確保發(fā)熱量較大的功率器件的結溫或者最高溫度工作在允許的溫度范圍內(nèi)，使熱源布局均勻，避免局部熱源集中。完成熱設計后，利用ANSYS 等有限元分析軟件建立分析模型，進行熱仿真，再通過試驗進行驗證。該T/R 組件選用熱導率比較高的無氧銅盒體和介質(zhì)基板材料，通過電路的熱設計降低半導體芯片的結溫，可以比較好地改善電路的可靠性。

通過熱分析仿真，組件在發(fā)射通道工作時的芯片結溫在100℃左右，遠遠小于GaAs 芯片最高結溫為175℃。

通過仿真分析結果可以看出，該組件提出的三維結構解決了通常三維互聯(lián)方式存在的連接空間和縫隙造成散熱困難的問題，在小尺寸空間內(nèi)散熱性能良好，符合長期工作可靠性的要求。

4 密封性設計

瓦片式T/R 組件功能比較復雜，含有的芯片比較多，并且有需要鋁絲鍵合的鋁壓點芯片，對環(huán)境的密封性要求比較嚴格。通過平行縫焊工藝研究，解決了瓦片式T/R 組件的密封性問題，提高了瓦片式T/R 組件的環(huán)境適應性。

由于無氧銅盒體材料不適用于平行縫焊，在盒體設計時，在盒體上下蓋板處的盒體邊緣焊上一圈可伐環(huán)，盒體整體鍍金。可伐環(huán)的厚度要求在0.3 mm以上，才能滿足縫焊要求。通過密封試驗，該方法滿足組件的密封要求。

5 研制結果及性能分析

基于以上的設計分析，成功研制出X～Ku 頻段瓦片式T/R 組件，已經(jīng)過與整機的聯(lián)機測試，并已通過高低溫驗證。常溫主要指標為:功率27 dBm，效率18%;接收通道增益28 dB，噪聲系數(shù)小于4 dB;6 位移相，6 位衰減，精度較高。尺寸為41.8 mm×8 mm×8.2 mm，質(zhì)量為13 g。圖4為組件產(chǎn)品外形圖。

圖4 組件實物Fig.4 Photo of the module

圖5為組件接收增益和發(fā)射功率的變化曲線。從圖中可以看出，組件的增益大于28 dB，輸出功率大于27 dBm。研制結果表明，該多通道瓦片式T/R組件較可循文獻中相同頻段組件更具結構尺寸上的優(yōu)勢，在高頻、更寬頻帶內(nèi)性能優(yōu)越。表1給出了通常三維結構與本設計的對比分析。

圖5 測試曲線Fig.5 Test results

表1 不同互聯(lián)方式對比分析Table 1 Contrastive analysis of different interconnections

6 結束語

本文介紹了一種瓦片式T/R 組件的實現(xiàn)，提出了一種新的高集成T/R 組件三維立體組裝方法。組件性能優(yōu)越，較“磚塊式”T/R 組件，在結構尺寸和質(zhì)量上約為1/6，大大減小了雷達尺寸，使高性能共形有源相控陣成為可能，順應了軍事電子產(chǎn)品具有高性能、小型化、輕重量等特點的應用需求［11－12］，具有較高的指導意義，將有力地促進我國系統(tǒng)級微波集成電路技術的發(fā)展。后續(xù)工作將在整機中繼續(xù)驗證組件使用的長期可靠性。另外，對于其他頻段和更大輸出功率的瓦片式T/R 組件，將進行一系列的專題研究，趕超國際先進水平。

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