金 明

(安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司，安徽 六安 237010 )

0 引 言

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件。隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)面對(duì)的威脅越來越多，作戰(zhàn)方式也發(fā)生重大變化。同時(shí)，電磁干擾與反干擾也進(jìn)入復(fù)雜化趨勢(shì)。為提高生存作戰(zhàn)能力，對(duì)電子設(shè)備的技術(shù)與體積均有著非常高的需求。傳統(tǒng)電子設(shè)備占用太多空間，這降低了其抗干擾能力和效率。未來收發(fā)通道集成化、小型化和輕量化是必然趨勢(shì)。本文T/R組件的設(shè)計(jì)就是為了解決上述問題。

本文簡(jiǎn)要介紹一款X波段基于氮化鎵(GaN)器件的四通道T/R組件，基于LTCC技術(shù)的三維設(shè)計(jì)和電源一體化設(shè)計(jì)，使得組件低損耗合成、良好的散熱仿真，外部端口電源減少。該設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了T/R組件的小型化、高效率，在X波段1 GHz的帶寬內(nèi)輸出功率大于25 W，效率高達(dá)35%以上。

1 T/R組件設(shè)計(jì)原理

T/R組件小型化的發(fā)展趨勢(shì)，使得組件設(shè)計(jì)越發(fā)要求小型化、集成化、高效率和大功率[1]。所以，本設(shè)計(jì)采用高度集成方式將驅(qū)動(dòng)放大、收發(fā)開關(guān)、數(shù)字衰減、數(shù)字移相包括控制電路全部集成到一起。

本設(shè)計(jì)的四通道T/R組件通過對(duì)四路收發(fā)通道進(jìn)行整合，集成化設(shè)計(jì)減小組件的內(nèi)芯片數(shù)及互聯(lián)，減少T/R 組件的層數(shù)，盡可能提高 T/R 組件每個(gè)模塊的集成度，從而減小 T/R 組件的體積和質(zhì)量。

T/R組件的原理圖如圖1所示，主要由射頻電路、控制電路和電源組成。射頻電路主要對(duì)收發(fā)的射頻信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、移相，滿足前后端所需的信號(hào)。采用多功能芯片，集成了驅(qū)動(dòng)放大器、切換開關(guān)、六位衰減器、六位時(shí)延器、控制驅(qū)動(dòng)器等功能。使用0.25 μm柵長(zhǎng)的砷化鎵贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝制造而成。

圖1 T/R設(shè)計(jì)圖

由于T/R 組件尺寸小，電磁兼容要求較高，在組件的腔體上做出隔腔，同時(shí)射頻電路和模擬電路間相應(yīng)位置金屬化接地，結(jié)合吸波材料，可以很好地對(duì)射頻電路起到屏蔽和防護(hù)作用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LTCC三維設(shè)計(jì)

采用LTCC技術(shù)，在 LTCC 電路表層完成 MMIC裸芯片的組裝， 將微波器件和多功能芯片、電源芯片混合布板[2]。通過基板通孔完成與表層芯片互連，內(nèi)部進(jìn)行分層布線，合理布局層信號(hào)傳輸，改善頻率特性和提升效率，減小印制板體積。

如圖2所示，采用1∶4功分網(wǎng)絡(luò)分布連接4個(gè)通道。常規(guī)應(yīng)用中功分器的隔離電阻多采用表貼器件后期焊接，但是在該頻段表貼器件寄生參數(shù)影響較大，隔離電阻的焊接對(duì)位偏差、端頭焊錫形態(tài)差異都會(huì)帶來較大影響。因此，本次設(shè)計(jì)中采用LTCC工藝中的表層漿料電阻，與LTCC導(dǎo)帶一起燒結(jié)完成，降低了組裝復(fù)雜性[3]。

圖2 LTCC電路布局圖

內(nèi)埋電阻的帶線功分網(wǎng)絡(luò)的LTCC基板設(shè)計(jì)，減少信號(hào)輻射的同時(shí)提高功能集成度和布板集成度。

其中，εLMD、LSD1和 LSD2分別由式（9）、（10）和（11）給出，δε為Dirac函數(shù)，由式（3）給出。

LTCC內(nèi)的功分器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡量降低4路輸出端口的VSWR，以避免與收發(fā)通道級(jí)連后反射太大對(duì)收發(fā)通道造成牽引而影響帶內(nèi)起伏、移相精度等指標(biāo)，同時(shí)兼顧多功能芯片，合理布局多層堆疊。當(dāng)與總口VSWR、端口間隔離度指標(biāo)沖突時(shí)，則優(yōu)先保障分端口VSWR。經(jīng)過優(yōu)化后的1∶4功分器端口電壓駐波比仿真結(jié)果如圖3所示，在9～11 GHz范圍內(nèi)的電壓駐波比小于1.1∶1，總口VSWR小于1.2∶1。

圖3 1∶4功分器各端口VSWR

每個(gè)通道均包括射頻部分、控制部分和功分部分。射頻控制部分能夠根據(jù)具體指令選擇通道并能夠完成移相衰減的控制、收發(fā)切換開關(guān)的控制和鏈路中各模塊供電的控制。射頻電路對(duì)每個(gè)通道射頻信號(hào)的收發(fā)切換、功率放大、低噪聲接收、移相衰減和耦合等功能所有通道均通過功分部分完成發(fā)射功率的分配和接收功率的合成。電源部分給所有通道統(tǒng)一供電并能夠完成電源變換、電源調(diào)制功能。

2.2 電源設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的T/R組件中電源種類較多，且系統(tǒng)架構(gòu)以集中式為主。比如，該T/R組件需要3種電壓分別是28、5和-5 V，而隨著系統(tǒng)的小型化、歸一化要求越來越高，對(duì)應(yīng)的輸入端口只能一種電源，T/R組件內(nèi)部要實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換和時(shí)序控制，同時(shí)還要兼顧輸入電壓電流的穩(wěn)定性、T/R組件的體積、質(zhì)量、散熱、電磁兼容等要求。

本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)電源架構(gòu)采用分布式架構(gòu)，提升系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，采用MMIC芯片化設(shè)計(jì)，使之與原來的 T/R 組件形成一個(gè)功能強(qiáng)大的微系統(tǒng)。該供電方式適用于以氮化鎵功放為負(fù)載、系統(tǒng)總功率適中且負(fù)載工作脈寬在 50～600 μs的相控陣?yán)走_(dá)中。

電源變換的同時(shí)兼顧利用多功能芯片的收發(fā)時(shí)序上的不同對(duì)組件中收發(fā)芯片的電源進(jìn)行調(diào)制，提高系統(tǒng)的效率，減少熱耗。

采用這種方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)，設(shè)計(jì)邊界少，供電質(zhì)量高，測(cè)試簡(jiǎn)單，易重性好，可靠性高，同時(shí)減少了有源子陣內(nèi)部的互聯(lián)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)復(fù)雜度降低。它適用于絕大多數(shù)雷達(dá)的供電系統(tǒng)。

圖4是典型的電源調(diào)制芯片，其輸出電壓為

Vout=0.6V×(1+Ri/Rj)

(1)

圖4 電源調(diào)制原理圖

(2)

其中，Iout是最大負(fù)載電流，F(xiàn)sw是工作頻率。輸入電容的選擇需要考慮電路環(huán)路中的干擾和貼片面積，此處選用4.7 μF瓷片電容。輸出電容則考慮承受電感電流的脈動(dòng)減小輸出電壓紋波并要同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，因此選用的陶瓷電容X7R一般大于22 μF。ILIM1可以通過調(diào)節(jié)引腳電壓來改變谷底電流峰值。

為了獲得良好的脈沖下降沿，需要對(duì)輸出電容(COUT)和泄放電阻(RDIS)進(jìn)行選擇。下降沿時(shí)間可近似為

Tf=3×RDIS×COUT

(3)

同時(shí)，選取RDIS時(shí)應(yīng)合理考慮其功耗。功耗主要由COUT放電產(chǎn)生，其具體關(guān)系為

(4)

其中，Vo為輸出電壓，F(xiàn)s為TTL頻率，PRDIS為RDIS的功耗。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射通道設(shè)計(jì)

發(fā)射系統(tǒng)輸出功率和效率是T/R組件發(fā)射通道的核心指標(biāo)，還有系統(tǒng)散熱也與此相關(guān)。由于組件體積和質(zhì)量受到限制，因此只能選用MMIC而不能選用傳統(tǒng)大尺寸的封裝功率管。

利用多功能芯片的放大器作為末級(jí)功放組件的推動(dòng)級(jí)。末級(jí)選用GaN的MMIC芯片，使得電路的增益高、效率高、體積小[4]?？紤]到輸出端環(huán)形隔離組件、微帶線及裝配所引入的損耗，則末級(jí)功率放大器輸出功率要大于44.2 dBm。由圖5可以看出，9～12 GHz范圍內(nèi)芯片的增益高達(dá)44.6 dBm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 輸出功率增益圖

3.2 接收通道設(shè)計(jì)

噪聲系數(shù)是衡量接收系統(tǒng)的重要指標(biāo)，工程上采用輸出信噪比與輸入信噪比之比。噪聲系數(shù)和前幾級(jí)的關(guān)系比較大，尤其是第1級(jí)和第2級(jí)。因此，本設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)行器、限幅器和低噪放LNA要求較高。

如圖6所示，影響接收通道增益的主要元器件包括環(huán)形器、限幅器、低噪聲放大器(LNA)、功分器和多功能芯片。整個(gè)通道共有26.5 dB的增益滿足技術(shù)指標(biāo)所要求的25 dB增益的要求，噪聲系數(shù)小于3 dB。

3.3 熱設(shè)計(jì)

根據(jù)T/R組件的一級(jí)降額要求，末級(jí)功率芯片的結(jié)溫應(yīng)小于85 ℃。根據(jù)T/R組件的器件方案，組件熱耗為14.28 W。 T/R組件裝配時(shí)先將功率放大器芯片焊接到鉬銅載體上，然后將帶載體芯片焊接在收發(fā)通道的碳硅鋁襯底上，最后再將整個(gè)帶襯底的收發(fā)通道焊接到鋁硅殼體內(nèi)。T/R組件在陣面安裝時(shí)，鋁硅殼體底部緊貼熱管，完成熱量從芯片向天線結(jié)構(gòu)板的傳遞，同時(shí)各部分材料熱膨脹系數(shù)實(shí)現(xiàn)了階梯式的過渡匹配，如圖7所示。

圖6 接收通道增益和噪聲

圖7 熱傳遞示意圖

仿真結(jié)果如圖8所示。圖中，功率芯片底部的最高溫度為58.2 ℃。根據(jù)廠家提供的器件資料，功率芯片的熱阻為1.6 ℃/W，20%工作比時(shí)芯片結(jié)溫最高為77.2 ℃，滿足一級(jí)降額設(shè)計(jì)要求。

圖8 T/R組件溫度分布云圖

4 實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

實(shí)際加工實(shí)物如圖9所示。殼體最大外形尺寸為95 mm×63 mm×10 mm。殼體材料采用鋁硅合金，具有良好的熱傳導(dǎo)率和兼容的線膨脹系數(shù)。

T/R組件發(fā)射功率大于25 W，接收增益大于20 dB，端口駐波小于1.2，噪聲系數(shù)小于3。圖10為組件輸出功率數(shù)據(jù)。

圖9 T/R組件實(shí)物

圖10 組件輸出功率數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的T/R組件在滿足電氣性能指標(biāo)要求下實(shí)現(xiàn)了尺寸小型化和高度集成化，生產(chǎn)測(cè)試簡(jiǎn)單，易重構(gòu)，可靠性高，解決了高度集成化后的電磁兼容和輕量化的要求，能夠很好地滿足實(shí)際軍事需求。