3cm-T/R組件的研制

李俊生

（鹽城師范學院物理科學與電子技術學院，江蘇 鹽城 224002）

1 引言

近年來，隨著電子技術的發展，對現代有源相控陣雷達的要求越來越高，而T/R組件[1-2]是構成有源相控陣雷達的核心部件之一，因此對T/R組件的各個性能[3-4]提出了更高的要求。同時微電子技術和MMIC電路的發展為T/R組件的設計提供了良好的基礎，當前組件技術的發展趨勢是在利用HTCC、LTCC等多層微帶基板的基礎上，集成一片或數片多功能MMIC電路，再經過微電子互連而成。而這種組件具有體積小、重量輕、性能指標高、一致性好的特點。

通常情況下，在數量相同的一組T/R組件中合成發射功率越大，其雷達照射的范圍也就相應越大，所以研究高功率T/R組件也就顯得非常重要。因此在T/R組件設計時，最關鍵的部分是功率放大模塊。該組件通常運用了混合集成電路（HMIC）和多芯片組裝（MCM）相結合的技術。運用其LTCC基板，根據現有的制造工藝，設計出了一種平衡放大器作為發射通道的末級功放模塊，該平衡放大器是利用兩只功率放大器裸芯片以及一個Wilkinson功分合成器組成的，其最終效果是提高了輸出功率。

2 T/R組件的原理與組成

T/R組件原理框圖如圖1所示。在發射通道，由激勵信號源送來的信號送入組件發射通道，經過功率放大器使信號放大后反饋至天線輻射單元；在接收通道，從天線受到的微弱信號經接收通道傳到接收機。

圖1 T/R組件原理框圖

組件接收通道包括限幅器、低噪聲放大器和數字衰減器。在組件發射期間，若天線有很大的功率反射，此時限幅器能起到保護低噪聲放大器的作用。組件發射通道包括T/R開關、數字移相、驅動功率放大、末級功放和環形器。而末級高功率放大模塊為下文重點介紹的。

控制電路部分包括數字移相器、數字可變衰減器、數字開關和驅動控制芯片。為了設計需要運用了正向和反向的環形器，其中一個當作隔離器使用，另外一個作環形器使用。對于電源部分，因為組件發射功率器件為GaAs器件，其必須要先加負壓（Vgs），后加正壓（Vds），加負壓保護電路就行。

3 3cm-T/R組件的設計思路和過程

設計3cm-T/R組件時，考慮最關鍵的部分就是末級功放模塊，因此本文將對末級功放部分展開詳細探討。

3.1 設計思路

設計一個Wilkinson功分合成器[5-6]，采用兩個10W功率放大器裸芯片進行合成，組成一個平衡放大器。Wilkinson功分合成器采用了二等分功分器。因為信號在輸入功分器的輸出端是同相位的，所以注入放大器1之前的信號和放大器2之后的信號需要相移，將其中的一臂增加了λ/4的線長，其目的在于，如果兩個放大器有駐波反射回來時，信號沿功分合成器兩臂都在電阻R處會聚，并且剛好在R處相抵消。

3.2 Wilkinson功分合成器的設計與仿真

基于現有的工藝水平，我們選用的導體為金，其厚度為0.01mm，由于LTCC基板的工藝精度不佳，插損比較大，故利用陶瓷作為介質，其介電常數εr=9.9，厚度為0.635mm，損耗角正切值為0.006。通過軟件HFSS仿真，可以計算出兩段50 Ω的線寬W1=0.6mm，70.7Ω的線寬W2=0.023。電阻選為100Ω的薄膜電阻，如圖2。

圖2 Wilkinson功分合成器仿真設計圖

3.3 3cm-T/R組件的電磁兼容分析

T/R組件中存在著數字信號、模擬信號、微波信號、直流信號和脈沖信號等。因此，電磁兼容設計將是工程實現、聯機調試中的難點，在設計階段必須充分認識到電磁兼容性設計的重要性。

3.3.1 腔體效應

腔體效應是組件EMC設計中的一個重要環節，除了諧振頻率和相應的Q值會導致組件的不穩定工作以外，腔體內部具體場分布特征也可能導致組件整體性能上的失敗或成品率的下降。我們設計優化的目標是盡量降低腔體內部場分布強度。另外，在熱耗嚴重的地方（末級功率放大模塊）不能有高強度的場分布，末級功率放大器的抗失配比對整個支路的穩定性也有很大的實際意義。如圖3所示，在末級放大模塊恰恰有很高的場分布，我們解決的辦法是加上吸波材料，它是解決腔體自激現象的有用途徑。

3.3.2 電源完整性

電源的完整性設計對T/R組件的正常穩定工作至關重要，造成電源不穩定的根源主要在于兩個方面，一是器件高速開關狀態下瞬態交變電流過大，二是電流回路上存在的電感。

圖3 腔體內部場分布圖

通過改變T/R組件內部接地方式，尤其是LTCC內部接地方式，可以在多層布線結構要求和地平面阻抗之間找到平衡點，對各種電源之間進行地的隔離等來改善電源之間的干擾等。

3.3.3 收發隔離設計

保證組件發射支路和接收支路之間無干擾，采用收發電源分時工作保證收發之間完全隔離。

T/R組件的發射通道和接收通道雖然分時工作，但在收發轉換時，T/R開關的隔離度降低，收發之間形成回路，容易產生振蕩，收發開關存在一定的開關時間，脈沖前沿時沒有將接收支路完全關斷，而接收支路已經部分連通，也使得收發通道形成回路，產生振蕩。這在單獨測試發射通道或接收通道時不會出現，只有在收發轉換時才會發生。解決的方法是將T/R開關錯開一定的時間，使得一個通道完全關斷后再打開另一個通道，這樣就不會發生振蕩。

為有效避免暗箱操作，開縣增加世行貸款項目建設的透明度，針對項目特點和要求，切實加強了公示制建設力度。一是在確定科技示范戶和貧困戶的過程中，由項目所涉村民委員會召集村民代表商議制定評選標準，并嚴格按照評選標準，經村民代表大會民主推選，張榜公示無異議后，最終確定科技示范戶和貧困戶。二是在項目區醒目位置專門設計制作了世行貸款項目公示牌，將項目建設內容、投資情況、融資結構、貸款使用方向等具體內容向項目區廣大人民群眾進行公示。同時在村民居住比較集中的地方，設計制作了每村利用世行貸款項目情況公示牌，對科技示范戶、貧困戶和各戶具體貸款金額、將要實施的項目措施等進行張榜公示。

4 3cm-T/R組件設計制造工藝

末級攻放采用中國電科集團某所的兩只型號GaAs功率管和加工的Wilkinson功分合成器組成，此功率管具有高功率輸出（Pout=40.0dBm@8.5GHz ~10.5GHz）、高增益（Gain=26dB@8.5GHz ~10.5GHz）、高效率（ηadd=35%）以及高集成內匹配等優點。另外控制芯片采用該所的SW292，其他芯片也全部利用該所產品，LTCC基板是同其他研究所合作代加工完成，準備好后采用如下工藝[6]進行安裝。

4.1 芯片安裝

針對3cm-T/R組件來說，裸芯片貼裝有兩種方式：共晶焊接和導電膠粘接。共晶焊接就是通過金錫焊料將裸芯片焊接于芯片載體上，裝配時基板相應位置開孔，芯片載體再通過其他方式固定于盒體底部；導電粘接就是通過導電膠將裸芯片粘接于基板表面，導電膠粘接不利于散熱且沒有焊接好。針對我們X波段高功率T/R組件來說，末級功放是發熱較大的功率器件，所以主要采用280℃的共晶焊接。而一般小功率（如驅動功率放大器）、小信號（如低噪聲放大器）、控制類器件（如移相器、衰減器和開關等）均可采用導電膠粘接。

4.2 電路互連

圖4 電路焊接

如圖4，末級放大電路互連時，芯片采用金絲熱壓焊，而基板之間的互連以及芯片電容與基板之間的互連都采用金絲球焊，為了改善微波傳輸性能，射頻輸入輸出金絲應該盡量短，盡量使用兩根金絲互連；電源饋電旁路電容離芯片距離應盡量短；大電流饋電焊點應采用兩根或三根金絲，以防單根金絲過流熔斷；饋電焊點可以采用金絲球焊，能夠增加金絲的可靠性，射頻傳輸采用金絲壓焊性能更好。

5 3cm-T/R組件的測試與分析

圖5為3cm-T/R組件實物圖。根據分析，Wilkinson功分合成器的插損為0.6dB，得到輸出功率達17.5W，而實際制造中考慮到加工工藝水平，結果要差一些。而對于組件的輸出功率完全可以達到14W。表1為3cm-T/R組件測試結果，接收系統的增益大于25dB，噪聲系數小于4dB，駐波小于1.5，移相精度為5°（RMS），衰減精度0.6°（RMS）。

圖5 3cm-T/R組件實物圖

6 結語

本文介紹了3cm-T/R組件的設計方案，對其制作樣機并進行了調試和測量，測試結果表明組件的各項指標基本達到設計要求，很好地解決了大功率和電磁兼容問題。分析時的預計結果比測量的結果要好些，主要是少考慮了通過環形器和穿墻的損耗。我們今后將對此進行改進，如進一步縮小體積、減少插損和提高隔離度等等，將來研制的方向是將所有芯片直接設計在同一塊LTCC基板上并能達到高性能的3cm-T/R組件。

［1］M.Adolph, U.Hackenberg, R.Reber, et al..High-precision temperature drift compensated T/R-Module for satellite based SAR applications[C].European Microwave Conference Proceedings,2005. 813-816.

［2］P.Schuh,R.Leberer,H.Sledzik,et al.. Advanced High Power Amplifier Chain for X-band T/R-Moudles based on Gan MMICs[C]. European Microwave Conference Proceedings,2006. 241-244.

［3］張琦，蘇東林，張德智. 基于LTCC多層基板的X波段T /R組件小型化設計[J]. 現代電子技術，2007，1（3）：55-57.

［4］王周海，李雁. X波段雙通道T/R組件的LTCC基板電路的設計[J]. 雷達科學與技術，2005，3（5）：301-305.

［5］Guillermo Gonzalez著，白曉東譯. 微波晶體管放大器分析與設計（第二版）[M]. 北京：清華大學出版社，2003.288-294.

［6］清華大學《微帶電路》編寫組. 微帶電路[M]. 北京：人民郵電出版社，1976. 209-214.

［7］姜偉卓，嚴偉，謝廉忠. LTCC多層微波互連基板布局布線設計及制造技術[J]. 電子工藝技術，2000，21（2）：81-83.