C波段高集成高功率GaN T/R模塊研究

李小春

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

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C波段高集成高功率GaN T/R模塊研究

李小春

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

采用ADS軟件仿真設(shè)計(jì)了一種基于GaAs小信號(hào)單片微波集成電路(MMIC)、GaN大功率MMIC和多層復(fù)合介質(zhì)板的C波段小型化發(fā)射/接收(T/R)模塊，實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)的放大、收發(fā)控制、數(shù)字幅相控制及+28 V高壓電源調(diào)制的一體化，具有小體積、輕量化、低噪聲、高功率、高效率等特點(diǎn)。TR模塊尺寸為33 mm×65 mm×10 mm，在C波段實(shí)現(xiàn)指標(biāo)為：發(fā)射功率50 W，功率附加效率28%，接收增益37 dB，噪聲系數(shù)3 dB。

GaN功放芯片；單片微波集成電路；發(fā)射/接收模塊

0 引 言

多年來，國(guó)內(nèi)外硅(Si)、砷化鎵(GaAs)固態(tài)功放技術(shù)發(fā)展日益成熟，其高功率輸出條件下的高效率問題比較突出[1-2]。而在雷達(dá)、通信、遙控遙測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域中又需要高功率、高效率、小型化、高擊穿電壓特性的器件[3]。GaN器件具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高截止頻率、高功率、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率等特點(diǎn)，為滿足這一高性能器件的設(shè)計(jì)提供了可能[4]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)電子設(shè)備小型化的需求，印制電路板(PCB)的導(dǎo)線互連密度不斷提高，PCB也從最初的單面到雙面發(fā)展到現(xiàn)在的多層板[5]。層與層之間的電氣互連則一般通過金屬化的通孔、盲孔或埋孔來實(shí)現(xiàn)，具有工期短、成本低等優(yōu)勢(shì)。

本文介紹的C波段小型化收發(fā)模塊，基于多層復(fù)合介質(zhì)板工藝技術(shù)，采用自主研發(fā)的GaN功放芯片，在33 mm×65 mm×10 mm的小體積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率大于50 W，功率附加效率大于28%。在縮小體積的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了模塊的低成本、小型化。

1 TR模塊設(shè)計(jì)

模塊由電源與微波兩大部分組成，分別布局到盒體的上層和下層腔體，之間的互聯(lián)采用鍵合引線進(jìn)行垂直互聯(lián)。微波通道部分包括接收支路和發(fā)射支路。發(fā)射支路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相位控制、功率放大輸出，接收支路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低噪聲放大、數(shù)字幅相控制等功能，并且集成了大功率限幅器以防止發(fā)射泄露信號(hào)燒毀前級(jí)低噪放和提高模塊的抗燒毀能力。電源部分實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、濾波、儲(chǔ)能、電源調(diào)制等功能[6-7]。

在選材方面微波通道部分的所有元器件,電源部分除阻容元件及個(gè)別二極管外均選用無封裝芯片，以實(shí)現(xiàn)模塊的小型化。

1.1 TR模塊原理

小型化TR模塊原理圖如圖1所示。進(jìn)入模塊接收通道的射頻信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器、高功率限幅器、低噪聲放大器、收發(fā)切換開關(guān)、數(shù)控移相器后輸出。發(fā)射信號(hào)通過移相器、驅(qū)動(dòng)放大器、隔離器和功率放大器后經(jīng)環(huán)形器輸出，隔離器起到前后級(jí)匹配，提高級(jí)間隔離，防止自激的作用。

圖1 TR模塊原理圖

使用Agilent公司的ADS電路系統(tǒng)仿真軟件對(duì)收發(fā)鏈路進(jìn)行系統(tǒng)仿真。射頻鏈路微帶線采用RT5880作為基板，相對(duì)介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.000 9。仿真電路中用到的有源器件S參數(shù)模型采用器件廠家提供的S參數(shù)模型，環(huán)形器的S參數(shù)通過測(cè)試獲得。在仿真中加入微帶鍵合線模型，通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的匹配電路，在接收通道獲得增益最平坦響應(yīng)，發(fā)射通道獲得最高效率響應(yīng)。

1.2 TR模塊制作

小型化TR模塊控制電路采用6層PCB板，射頻鏈路基板選用RT5880，電源及控制基板選用FR4材料，采用回流焊工藝將其燒結(jié)到盒體上。電源控制板采用多層混壓板，對(duì)控制電路進(jìn)行高密度布線，并對(duì)表面進(jìn)行鍍厚金處理，與微波鏈路的電連接通過鍵合工藝實(shí)現(xiàn)。控制電路中所用的CMOS電路芯片直接粘結(jié)到PCB基板上，與表貼器件進(jìn)行高密度混合裝配。

射頻小信號(hào)GaAs MMIC芯片通過過渡層直接粘結(jié)在盒體上。大功率GaN芯片先將其燒結(jié)到熱膨脹系數(shù)與其相匹配的載體上，再通過螺釘緊固到盒體上。射頻端口為可拆卸SMA接頭，內(nèi)部絕緣子和J30J微矩形控制接口高溫?zé)Y(jié)到盒體上。如圖2所示為C波段小型化TR模塊實(shí)物照片，模塊尺寸為33 mm×65 mm×10 mm。

圖2 C波段小型化TR模塊實(shí)物照片

2 仿真測(cè)試結(jié)果對(duì)比

C波段TR模塊發(fā)射通道小信號(hào)增益曲線如圖3所示。設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)仿真測(cè)試增益保持一致，吻合較好。

圖3 發(fā)射小信號(hào)增益曲線

發(fā)射通道輸出功率隨頻率變化曲線如圖4所示。設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)仿真測(cè)試發(fā)射功率基本保持一致，吻合較好。

圖4 發(fā)射輸出功率隨頻率變化曲線

發(fā)射通道功率附加效率隨頻率變化曲線如圖5所示。設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)仿真測(cè)試發(fā)射功率附加效率趨勢(shì)保持一致，吻合較好。

圖5 發(fā)射輸出功率隨頻率變化曲線

接收增益隨頻率變化曲線如圖6所示。設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)仿真測(cè)試結(jié)果保持一致，吻合很好。

圖6 接收增益隨頻率變化曲線

接收噪聲系數(shù)隨頻率變化曲線如圖7所示。設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)仿真測(cè)試噪聲系數(shù)保持一致，吻合較好。

圖7 噪聲系數(shù)隨頻率變化曲線

3 結(jié)束語

本文采用ADS系統(tǒng)仿真軟件仿真并設(shè)計(jì)制作

了一款小尺寸的C波段高功率GaN TR模塊。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

該模塊采用GaAS小信號(hào)芯片、GaN 大功率芯片和多層復(fù)合介質(zhì)板，在極小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期技術(shù)指標(biāo)，提高了模塊的集成度，順應(yīng)了當(dāng)代產(chǎn)品的小型化高集成的趨勢(shì)，能為類似產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)提供參考。

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Study of C Band High Integration & High Power GaN T/R Module

LI Xiao-chun

(The 13th Research Institute，CETC,Shijiazhuang 050051，China)

This paper uses ADS software to simulate and design a C band miniaturization transmit/receive (T/R) module based on GaAs small signal monolithic microwave integrated circuit (MMIC),GaN large power MMIC and multilayer composite medium board,which realizes the integration of microwave signal amplification,T/R control,digital magnitude and phase control,high voltage +28 V modulation,takes advantage of small volume,light weight,low noise,high power and high efficiency.The size of T/R module is 33 mm×65 mm×10 mm,and the module can realize: transmitting power 50 W，power additional efficiency 28%，receiving gain 37 dB,noise coefficient 3 dB at C-band.

GaN power amplifier chip；monolithic microwave integrated circuit；transmit/receive module

2016-03-24

TN803.5

B

CN32-1413(2016)04-0110-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.024