一種P波段小型化表貼型T/R組件研制

劉建勇 陳興國

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達載荷在氣球、飛艇、天基等平臺的逐漸發展，天線孔徑越來越大，有源通道數目越來越多，但受到平臺對雷達載荷重量和體積近乎苛刻的限制，要求雷達系統尤其是相控陣雷達中裝機量最大的核心部件收發(T/R)組件要盡可能的輕量化、小型化。而傳統的磚塊式收發組件一般采用完整的金屬盒子作為封裝殼體以滿足氣密性和屏蔽的要求，其重量受到在盒體尤其是底座重量的制約；并且其接口需要采用高頻、低頻連接器，通過電纜組件或轉接器實現與天線、饋電板的互連，需要占用額外的重量和空間。因此，在某些應用場合下傳統的收發組件形式已經不能滿足雷達載荷的應用需求。

本文給出了一種P波段的小型化表面貼裝式雷達T/R組件的實現形式，可有效解決氣球、飛艇載、天基等平臺上雷達T/R組件在體積、重量、安裝方式、饋電方式等方面的瓶頸問題。

1 組件電路設計

1.1 組件組成

圖1給出了P波段T/R組件的組成框圖，主要包含發射通道、接收通道、驅動控制、電源調制等4個部分組成[1]。核心電路主要包括多功能芯片、串轉并控制芯片、功率放大器、低噪聲放大器、限幅器、預選濾波器、射頻開關、電源調制電路、電源管理電路等。

本組件的主要技術指標設計要求如下：

工作頻率400～450MHz；

發射輸出功率≥3W；

組件效率≥30%(占空比10%)；

噪聲系數≤6dB(含預選濾波器)；

接收增益≥20dB。

圖1 P波段T/R組件原理框圖

1.2 射頻核心電路設計

T/R組件的一個核心功能就是要完成收發通道的幅相調節，因此其內部需包含數控移相器和數控衰減器等。SiGe材料由于襯底的良好熱導率、與傳統成熟的Si工藝兼容、具有良好的噪聲性能和較低的功耗、成本較低等特點[2]，近年來廣受重視。我們自主開發一款SiGe多功能芯片，其集成開關、放大器、移相器、衰減器等功能于一體，提高了芯片集成度。該芯片采用0.18μm SiGe工藝設計，經過裝架測試：接收增益12.3±0.5dB、噪聲系數小于2.9dB、端口駐波比小于1.5、接收P-1壓縮點輸出功率大于-5.2dBm；發射增益29.7±0.5dB、發射P-1壓縮點輸出功率大于20dBm，可以滿足本組件的使用要求。

發射電路的關鍵是末級功率放大器的設計。采用LDMOS功率管，利用EDA仿真設計工具ADS軟件對輸入輸出匹配電路進行了仿真設計[3]，仿真優化后的輸入、輸出匹配電路如圖2和圖3所示。依據設計的匹配電路，我們單獨對功放電路進行了裝配和調試；由于我們無法獲得該LDMOS功率管的準確大信號模型，故仿真僅是對其輸入輸出阻抗進行匹配仿真，因此在調試過程中需對匹配電路中的電容和電容參數進行微調，但仿真仍在匹配電路拓撲結構、器件參數選擇方面具有指導意義。在如下條件進行測試：柵壓+2.43V(脈沖調制、10%占空比)，漏壓+12.5V，輸入功率20dBm；實測的輸出功率大于3.5W，在10%占空比工作時功放效率大于56%，如圖4所示，實測指標表明實現T/R組件發射鏈路技術指標有較大裕量。

圖2 功放輸入匹配電路

圖3 功放輸出匹配電路

圖4 功放電路實測指標曲線

限幅器是接收鏈路中一個重要器件，其作用是保護接收通道器件，我們采用三節并聯PIN二極管芯片實現了一款P波段限幅器[4]，其實物照片與測試曲線如圖5所示，實測結果表明其具有良好的性能指標：輸入輸出駐波小于1.45，插入損耗小于0.45dB，限幅電平小于5.5dBm。

圖5 限幅器實物照片及實測曲線

低噪聲放大器芯片選用CMOS工藝實現的裸芯片，其實物照片及實測曲線如圖6所示，該芯片接收增益大于17dB，噪聲系數僅不到1.1dB。

圖6 低噪聲放大器實物照片及實測曲線

1.3 電源電路設計

T/R組件內部需要多種電源品種，包括LDMOS功率管柵壓+2.43V及漏壓+12.5V、多功能芯片+3.3V、邏輯控制電路的+5V和-5V，為了減少電源品種數量以利于簡化電源接口設計和組件內部電源完整性，將本組件對外的接口電壓減少到三種，即+15V、+5V、-5V，其他所需電源品種均由DC/DC變換產生。在組件內部，+12.5V電壓由+15V通過線性穩壓器件產生；+3.3V、+2.43V兩種電壓均由+5V通過線性穩壓器件產生，二者采用相同的電路通過調整外接精密電阻的阻值來改變輸出電壓。

本組件同時還設計了一種先進的可級聯饋電方法，即收發組件同時設置了電源和控制信號的輸入和輸出的接口，在天線陣面上多個收發組件可級聯使用，極大簡化了陣列化使用時電源和控制信號的布線方式。

2 表貼型封裝設計

為滿足T/R組件小型化、輕量化的需求，本組件采用一種表貼型封裝設計方式，即利用基板即封裝技術，直接將用于器件裝載和電路布線的基板作為封裝的一部分，在基板上焊接環框從而形成一體化的盒體，在基板下表面開腔并焊接引線作為信號接口；蓋板與圍框采用平行封焊來實現器件的氣密封裝。這樣設計無連接器的接口技術，使用引線作為射頻、電源和控制信號的對外輸入、輸出接口，免去了使用連接器、電纜組件進行轉接額外帶來重量和體積的增加，同時也省去了組件盒體的底座，實現了小型化、輕質的封裝形式。因而收發組件具有類似器件、表面貼裝的特點。

本組件的封裝實現形式示意圖見圖7所示，在基板選擇方面，由于功率放大器需要考慮散熱要求，選擇氮化鋁陶瓷多層基板作為底板是目前設計最佳選擇。氮化鋁陶瓷是一種新型的高導熱基板和封裝材料，具有高的熱導率、低的熱膨脹系數、低的介電常數和低的介質損耗、高的機械強度、無毒等特點，能夠實現電性能、熱性能、機械性能的一體設計優化，能夠實現腔體、多層布線、過孔互連、氣密封接等結構。

圖7 表貼式T/R組件封裝示意圖

封裝材料的選擇主要考慮熱膨脹系數、導熱率方面，同時要考慮材料的強度、加工性能、氣密性能等；本組件采用鈦合金(TC4)的圍框，Kovar蓋板的設計方案；射頻輸入輸出和低頻饋電方式都采用Kovar引線。

3 研制結果

依據前述對T/R組件電路和封裝的設計，研制出P波段T/R組件，實物如圖8所示。其典型實測指標如圖9所示，可見接收增益大于23dB，噪聲系數小于5.8dB(含預選濾波器)，移相精度(RMS)小于1.3°，衰減精度(RMS)小于0.2dB，端口駐波小于1.7，輸入1dB壓縮點大于-25dBm，輸出功率大于3.4W，發射效率大于35%；圖10給出了輸出功率和接收增益高低溫測試指標相對常溫的變化曲線，可見發射功率低溫-40℃下增大0.9dB左右、高溫+50℃減小0.5dB左右；接收增益低溫-40℃下增大約2.5dB左右、高溫+50℃減小約1.2dB；滿足本項目需求；對于增益的溫度特性有嚴格要求的情形可考慮在鏈路中加入溫補衰減器以實現良好的增益溫度穩定性。該組件的尺寸為40mm×25mm×4.8mm，重量小于10g，達到了小型化、輕量化的設計目標。

圖10 輸出功率和接收增益高低溫變化曲線

4 結束語

本文給出了一種小型化、表貼型雷達T/R組件

的電路設計方法和封裝實現形式。該T/R組件利用基板即封裝、引線作為饋電接口、多組件可級聯技術，實現直接表面貼裝在天線面板上的安裝方式，大幅度降低了組件的體積和重量，具有小型、輕質、類器件式的特質；通過電路仿真優化設計，其性能指標滿足研制要求，已在某預警監視雷達中得到了應用。