X波段氮化鎵小型化T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖 寧，秦立峰，張 選，程顯平

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

X波段氮化鎵小型化T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖 寧，秦立峰，張 選，程顯平

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

針對高功率T/R組件的小型化問題，提出了一種X波段氮化鎵(GaN)小型化T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。在小型化尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4個收發(fā)通道，內(nèi)部包含了318個元器件。對組件復(fù)雜功能及由此帶來的工藝裝配問題和熱問題進(jìn)行了闡述與分析。研制出了采用多功能芯片技術(shù)、多層復(fù)合基板技術(shù)和多芯片組裝(MCM)技術(shù)的組件，內(nèi)部高度集成，實(shí)現(xiàn)了小型化。測試結(jié)果表明，組件尺寸為65 mm×60 mm×8.5 mm，發(fā)射輸出功率≥30 W，實(shí)現(xiàn)了小型化和良好的電氣性能。

T/R組件；X波段；多功能芯片；多層復(fù)合基板；多芯片組裝；氮化鎵；小型化

AbstractAiming at the problems on miniaturization of high-power T/R module,design and implementation methods of miniaturized X-band GaN T/R module are presented.The T/R module contains 4 transmitting and receiving channels in a miniaturized dimension,which is built up by 318 devices.Assembly process and thermal problems are analyzed,which are brought by complicated function.Multifunctional transmit/receive chip,microwave composite substrate and MCM technologies are used to make the T/R module integrated and miniaturized.Tests show that the dimension of the T/R module is 65 mm×60 mm×8.5 mm,the output power of the transmitting channel can reach at least 30 W.The electrical and structural properties are technically satisfied.

KeywordsT/R module;X-band;multifunctional chip;microwave composite substrate;MCM technology;GaN;miniaturized

0 引言

T/R組件是構(gòu)成有源相控陣?yán)走_(dá)天線的基礎(chǔ)，是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件[1]。T/R組件的功能主要包括：發(fā)射信號的放大、接收信號的放大、天線波束掃描所需要的相移及波束控制等。在整個雷達(dá)系統(tǒng)中，T/R組件是整機(jī)系統(tǒng)成本高低的決定性因素[2]。高性能、高可靠的T/R組件是雷達(dá)的核心部件。X波段的相控陣?yán)走_(dá)由于波長短，探測精度高，并且天線口徑小，重量輕，廣泛應(yīng)用于各種探測、制導(dǎo)及成像系統(tǒng)[3]。因此，對X波段T/R組件的研制非常重要[4]。

多功能芯片技術(shù)[5]在T/R組件中的應(yīng)用越來越廣泛。T/R多功能芯片單片中集成了5～8種芯片，有效地降低了成本，提高了可生產(chǎn)性與可靠性。

與LTCC基板相比，多層復(fù)合基板[6]具有如下優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)加工成本低，約為LTCC基板成本的1/4～1/10；可以生產(chǎn)大尺寸幅面基板，面積比LTCC擴(kuò)大5～10倍，可滿足電路組裝要求；組裝工藝性好。

MCM技術(shù)[7]的發(fā)展使得組件體積顯著減小，實(shí)現(xiàn)了多通道輸出。通過合理的設(shè)置工藝流程，可以成功地解決了數(shù)百只芯片的裝配問題，提高成品率。

本文提出了一種X波段GaN小型化T/R組件，相比較傳統(tǒng)的X波段高功率T/R組件，使用了多功能芯片，采用多層互聯(lián)復(fù)合基板技術(shù)和MCM技術(shù)，具有體積小、散熱良好和可靠性高等特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

X波段GaN小型化T/R組件，每個通道均由1∶4功分器、多功能芯片、接收支路、發(fā)射支路和環(huán)行器組成。單芯片實(shí)現(xiàn)多功能微波電路是T/R組件技術(shù)的發(fā)展趨勢，高度的集成化可以顯著提高T/R組件的一致性，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[8]。T/R多功能芯片內(nèi)部集成數(shù)控移相、數(shù)控衰減、收發(fā)開關(guān)、接收與發(fā)射放大、串并轉(zhuǎn)換等多種功能，使得T/R組件的每個通道僅由5只芯片組成，既節(jié)約了成本，又簡化了裝配。組件原理框圖如圖1所示。

圖1 組件原理

2 技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)

針對X波段GaN小型化T/R組件功能復(fù)雜、4通道外形尺寸僅有65 mm×60 mm×8.5 mm、輸出功率達(dá)到30 W等設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在電路設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分別采取了先進(jìn)的措施，將318只元器件合理地安排在腔體內(nèi)，避免了各器件間的相互干擾與串?dāng)_，并能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高功率輸出和良好的散熱。

2.1 小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁兼容設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，對T/R組件的散熱和減重綜合做出了考慮。首先要求盒體有良好的熱傳導(dǎo)。考慮到重量和精度，盒體采用了硬鋁合金LY12材料(密度2.7 g/cm3)，并采用了精密加工方法。另外T/R組件殼體采用密封結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上保證產(chǎn)品的電磁兼容性。組件三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 組件三維結(jié)構(gòu)

T/R組件內(nèi)部微波傳輸通道使用了大量微帶線，傳輸線間會在空間內(nèi)相互耦合影響。為解決這一技術(shù)難點(diǎn)，在規(guī)定的外形尺寸范圍內(nèi)將通道間做了單獨(dú)的分腔，設(shè)計(jì)了間距9.5 mm的腔體可以有效地防止器件間的相互干擾。腔體的諧振波長由下式得到[9]：

式中，λ0為波長；a、b和c為腔體的長、寬和高；m、n和p分別為場沿a、b和c分布的半駐波個數(shù)。

2.2 功率設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì)

新型的第三代半導(dǎo)體 GaN 功率管具有很多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)溫高、抗輻射和效率高等[10]。T/R組件要求發(fā)射功率大于30 W，放大器工作狀態(tài)設(shè)計(jì)為飽和工作，要求前級驅(qū)動放大部分的增益和輸出動態(tài)使末級功率放大部分工作在飽和區(qū)。選用了GaN功率單片作為T/R功放，所用空間顯著小于使用多路GaAs功率單片合成或內(nèi)匹配功率管作為末級功放的電路。

組件輸出功率不僅影響雷達(dá)系統(tǒng)的威力還影響組件效率。組件效率計(jì)算公式如下[11]：

式中，Pouti為組件單個通道輸出峰值功率；Pin為組件輸入功率；r為占空比；I1為 +5 V電源電流；I2為 -5 V電源電流；Ii為單通道工作時(shí)+28 V電源電流。

T/R組件最高發(fā)射功率超過了30 W，為了解決組件的散熱問題，首先盡量提高T/R組件的發(fā)射效率，然后著力改善組件的散熱環(huán)境。同時(shí)采用熱分析軟件仿真，針對最惡劣的僅靠熱輻射的散熱環(huán)境建立組件的熱仿真模型，分析T/R組件的穩(wěn)態(tài)溫度分布和散熱狀況。熱仿真模型、芯片結(jié)溫仿真結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 熱仿真模型

仿真結(jié)果表明，當(dāng)工作溫度為+65 ℃時(shí)，各芯片均工作在安全工作結(jié)溫范圍內(nèi)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多層互聯(lián)復(fù)合基板技術(shù)

由于組件工作頻率高，且4個T/R通道集中在一個腔體內(nèi)同時(shí)工作，因此各個接收和發(fā)射通道之間、低頻電路和微波電路間的相互干擾和信號串?dāng)_非常嚴(yán)重[12]。為此在T/R組件內(nèi)部基板上采用了多層互連復(fù)合基板，通過3層走線布局進(jìn)行數(shù)字微波隔離、濾波和電磁屏蔽等措施來解決T/R信號串?dāng)_問題，而且實(shí)現(xiàn)了T/R組件的小型化設(shè)計(jì)。多層互連復(fù)合基板示意圖如圖4所示。

圖4 多層互連復(fù)合基板示意

3.2 MCM技術(shù)

MCM技術(shù)的主要優(yōu)勢如下[13]：

① 更小的體積和尺寸；

② 更高的數(shù)據(jù)速率和信號完整性；

③ 更高的可靠性(尤其是在惡劣環(huán)境條件下)；

④ 更低的功耗和成本；

⑤ 更靈活的設(shè)計(jì)方式。

在 MCM 微組裝電路設(shè)計(jì)中，為保證T/R組件的微波傳輸性能，需實(shí)現(xiàn)高密度多層基板以及射頻芯片與微波組件外部封裝腔體的有效燒結(jié)，以實(shí)現(xiàn)基板和芯片的良好接地和散熱[14]。

微帶線的特性阻抗Zo與基板相對介電常數(shù)εr板厚h微帶線寬W導(dǎo)帶厚度T(可忽略) 的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為[15]:

當(dāng)W/h<1時(shí)，

當(dāng)W/h>1時(shí)，

式中，Zf為自由空間的波阻抗；εeff為有效介電常數(shù)。

芯片與微帶線之間的連接使用金絲鍵合線。為了保證T/R組件的性能，降低連接失配帶來的影響，對金絲鍵合進(jìn)行了三維仿真。仿真結(jié)果如圖5所示，匹配電路在通帶內(nèi)插損小于0.1 dB，回波損耗小于-35 dB。

圖5 金絲鍵合匹配仿真模型仿真結(jié)果

4 測試結(jié)果分析

X波段GaN小型化T/R組件尺寸為65 mm×60 mm×8.5 mm，發(fā)射輸出功率≥30 W，發(fā)射效率≥28%，接收通道增益≥23 dB，噪聲系數(shù)≤2.7 dB，相位一致性≤10°。實(shí)物測試曲線如圖6所示。X波段GaN小型化T/R組件實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 實(shí)物測試曲線

圖7 X波段GaN小型化T/R組件實(shí)物

與以往類似項(xiàng)目對比，X波段GaN小型化T/R組件在輸出功率相當(dāng)?shù)那疤嵯拢瑔瓮ǖ莱叽鐪p小了65%。X波段GaN小型化T/R組件與傳統(tǒng)X波段T/R組件數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)對比

組件尺寸/mm發(fā)射功率/W接收增益/dBX波段GaN小型化T/R組件65×60×8.5(4通道)≥30≥23傳統(tǒng)組件80×28×10.5(1通道)≥3≥21

5 結(jié)束語

X波段GaN小型化T/R組件有完善的工藝措施來保證，體積小，性能好，可靠性高。該T/R組件在電性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)方面都已經(jīng)過測試，達(dá)到了總體技術(shù)要求。T/R組件的小型化、多通道化是雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展需求，該T/R組件的研制對雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展起到了一定的推動作用。

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DesignandImplementationofMiniaturizedX-bandGaNT/RModule

XIAO Ning,QIN Li-feng,ZHANG Xuan,CHENG Xian-ping

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

TN958.92

A

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肖寧男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波T/R組件。

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2017-04-20

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秦立峰男，(1989—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波T/R組件。