(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥 230088)
基于有源電掃天線的相控陣?yán)走_(dá)具有探測距離遠(yuǎn)、效率高、可靠性高、維修性好、波束靈活和波瓣特性更好、性能高的陣列信號處理、雷達(dá)資源管理靈活以及抗干擾能力更高等一系列優(yōu)點(diǎn),將會占據(jù)越來越多的應(yīng)用平臺和領(lǐng)域[1-2]。現(xiàn)代先進(jìn)防御平臺要求雷達(dá)系統(tǒng)兼有電子戰(zhàn)和通信功能,這個(gè)日益增長的多功能一體化需求要求有源電掃天線系統(tǒng)能夠工作在雷達(dá)多個(gè)頻段帶寬上[3-4]。單X波段和單Ku波段的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)工程化;相比較而言,研發(fā)X-Ku波段的微波寬波段相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信的多功能一體化,同時(shí)還可以提高雷達(dá)的跟蹤精度、成像精度和抗干擾能力。X-Ku波段寬頻段T/R組件是X-Ku波段寬帶相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)之一,其性能好壞直接影響寬帶雷達(dá)系統(tǒng)的威力、精度、識別能力等技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo);其穩(wěn)定性、可靠性和可維修性能的優(yōu)劣,很大程度上決定了整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的使用和維護(hù)費(fèi)用;因而,X-Ku波段T/R組件的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和可工程化對寬頻段雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要。
國外在此頻段的T/R組件起步很早,技術(shù)成熟,以6~18 GHz工作頻段為代表,已大量應(yīng)用于電子對抗領(lǐng)域;但6~18 GHz T/R組件的功率、效率、幅相精度等性能指標(biāo)暫無法滿足雷達(dá)跟蹤和成像識別要求[5]。國內(nèi)10~12 GHz、15~17 GHz、14~18 GHz的T/R組件已達(dá)到工程化應(yīng)用水平;6~18 GHz T/R組件技術(shù)水平基本已趕上國外先進(jìn)水平,但也同樣存在性能指標(biāo)無法滿足雷達(dá)跟蹤和成像識別要求。總體上說,現(xiàn)有傳統(tǒng)寬帶T/R組件存在功率不夠大、效率不夠高、穩(wěn)定性不夠好、移相衰減精度不夠高和體積尺寸不夠小等問題,因此需要開展X-Ku波段10~18 GHz T/R組件的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),以增大組件輸出功率、提高效率、提高組件幅相精度和集成度。
本文設(shè)計(jì)的X-Ku波段10~18 GHz T/R組件采用MCM(多芯片組裝)工藝技術(shù)[6],為提高效率、減小體積和重量,將8個(gè)通道集成在同一個(gè)模塊內(nèi),構(gòu)成一個(gè)寬帶八通道T/R組件;電源、波控信號合理共用;應(yīng)用GaAs多功能芯片設(shè)計(jì)技術(shù),將數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、開關(guān)、驅(qū)動控制電路、放大器等集成在一個(gè)GaAs芯片上,大大減少了組件內(nèi)部的MMIC芯片數(shù)量,減小了體積和重量的同時(shí)提高了可靠性;應(yīng)用GaN功率放大器實(shí)現(xiàn)大功率高效率輸出。
本文先后闡述了X-Ku波段10~18 GHz T/R組件集成架構(gòu)設(shè)計(jì)、收發(fā)通道設(shè)計(jì)、公共支路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及高效散熱設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與制造等方面詳細(xì)設(shè)計(jì)方案,最后給出了組件主要技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果。
有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的T/R組件需要完成發(fā)射(T)和接收(R)兩個(gè)主要功能,因此T/R組件組成上主要包含發(fā)射通道、接收通道、控制以及接口公共支路(含電源調(diào)制、開關(guān)驅(qū)動、串并轉(zhuǎn)換、射頻輸入輸出、低頻連接器等)等3個(gè)部分。發(fā)射通道主要完成射頻激勵(lì)信號的功率放大;接收通道主要完成天線接收回波信號的低噪聲放大,同時(shí)滿足接收機(jī)的幅度要求;組件的收發(fā)開關(guān)切換及相位、衰減的控制由控制部分完成,以實(shí)現(xiàn)對信號的幅度、相位的調(diào)整控制。
為實(shí)現(xiàn)寬頻段有源陣面和組件自身的高集成,結(jié)合天線單元間距、子陣單元數(shù)、組件接口數(shù)和結(jié)構(gòu)散熱的考慮,如圖1所示,本組件采用八通道集成,收發(fā)通道復(fù)制;8個(gè)收發(fā)通道共用殼體、射頻輸入連接器和低頻連接器,通過低頻連接器提供組件所需的電源及控制信號。組件內(nèi)部采用 1∶8功分器進(jìn)行8個(gè)收發(fā)通道的信號分配和合成;每個(gè)收發(fā)通道各自獨(dú)立使用一個(gè)射頻輸出連接器,并與天線陣面進(jìn)行盲插互連。組件采用八通道一體化集成架構(gòu),有利于相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)和有源陣面功能擴(kuò)充。

圖1 X-Ku波段八通道T/R組件外形示意圖
如圖2所示,收發(fā)通道采用“5芯片(限幅器、低噪聲放大器、幅相多功能芯片、驅(qū)動放大器、功率放大器)+環(huán)行隔離器”的高集成MCM架構(gòu);其中,GaAs幅相多功能芯片,集成了開關(guān)、移相、衰減、放大等功能。該集成架構(gòu)采用高集成多功能芯片減少了芯片間互連,提高了集成度、指標(biāo)一致性,也降低了后續(xù)量產(chǎn)成本。收發(fā)通道采用模塊化LTCC(低溫陶瓷材料)設(shè)計(jì);通道前端的功分饋電網(wǎng)絡(luò)采用LTCC整板設(shè)計(jì),將8個(gè)通道的功分電路、控制信號分配電路、儲能電路、電路驅(qū)動電路、接口電路布局在同一個(gè)多層基板中;組件功分電路采用內(nèi)埋帶線功分器,以留出更多表層空間用于放置控制和電源器件,并減少信號輻射,提高了功能和布版集成度。功分饋電網(wǎng)絡(luò)的LTCC整板設(shè)計(jì)減少了板間拼接帶來的電路失配,降低了組裝工藝要求。

圖2 T/R組件單通道原理框圖
組件具體設(shè)計(jì)主要包括收發(fā)通道設(shè)計(jì)、公共支路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與高效散熱設(shè)計(jì)等。
為實(shí)現(xiàn)組件寬帶電性能指標(biāo),本文充分利用場路聯(lián)合仿真技術(shù)和關(guān)鍵單元驗(yàn)證電路,實(shí)現(xiàn)了寬帶電路單元設(shè)計(jì)的精細(xì)化。在設(shè)計(jì)思路上,先通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀表對組件主要選用器件進(jìn)行在片測試,采集獲取器件二端口S參數(shù)形成S2P文件;再通過三維電磁場仿真軟件HFSS提取無源網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù);最后通過ADS仿真軟件平臺建立基于組件全鏈路的S參數(shù)仿真模型來設(shè)計(jì)并優(yōu)化寬帶匹配電路[7]。T/R組件全鏈路仿真模型如圖3所示,其中限幅器、低噪聲放大器、驅(qū)動放大器、幅相多功能芯片、末級放大器、環(huán)行隔離器等器件采用實(shí)測的二端口S參數(shù)提取模型帶入。所有器件和電路設(shè)計(jì)時(shí)都在高端和低端預(yù)留了一定的頻率范圍以保證帶內(nèi)平坦度。接收支路進(jìn)行帶內(nèi)增益補(bǔ)償設(shè)計(jì),即按增益隨頻率正斜率變化和負(fù)斜率變化相抵消進(jìn)行設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)良好的帶內(nèi)平坦度指標(biāo)。

(a)發(fā)射鏈路
1.2.1 發(fā)射通道設(shè)計(jì)
發(fā)射通道決定了組件功率、效率、穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)和功能,通道中關(guān)鍵元器件的方案選型和級聯(lián)電路設(shè)計(jì)尤為重要。首先是末級功率放大器的選型和設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)組件直接輸出功率達(dá)到20 W(43 dBm)的指標(biāo)要求,考慮到輸出端環(huán)行器、微帶線及裝配所引入的損耗,則末級功率放大器輸出功率需要達(dá)到44.1 dBm以上。
半導(dǎo)體功率放大器件已歷經(jīng)三代的發(fā)展,其中Si LDMOS功率放大器生產(chǎn)成本低、批量能力大,但性能接近器件工作的極限,特別是在S波段應(yīng)用效率偏低,抗過載能力較差,無法應(yīng)用于X-Ku頻段。GaAs PHEMT功率放大器批量應(yīng)用性能好,生產(chǎn)成本低,但最高安全工作結(jié)溫只有175 ℃,在高頻、寬帶、大功率方面應(yīng)用性能指標(biāo)接近器件工作的極限。作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件,GaN HEMT采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié),具有優(yōu)異的微波性能;以半絕緣SiC為襯底,具有良好的導(dǎo)熱性能;高輸出功率密度、高安全工作結(jié)溫適合于制作大功率器件;高輸出阻抗有利于實(shí)現(xiàn)寬帶匹配;高工作電壓有利于高效率、EMC和簡化的電源系統(tǒng);因而,GaN HEMT在高頻、大功率、高效、寬帶等應(yīng)用場合優(yōu)勢明顯[8]。故從產(chǎn)品性能、國產(chǎn)化、工程化、應(yīng)用牽引等方面綜合考慮,選用GaN HEMT MMIC功率放大器。器件廠家采用GaN外延材料設(shè)計(jì)和生長技術(shù)、高精度元器件模型提取技術(shù)、MMIC芯片電路設(shè)計(jì)技術(shù)、GaN功率器件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù),實(shí)現(xiàn)了X-Ku波段GaN寬帶功率放大器的穩(wěn)定功能和高性能指標(biāo)(輸出功率≥44.3 dBm,附加效率≥35.5%)。
其次是天線口收發(fā)切換開關(guān)的選擇和設(shè)計(jì)。限于器件材料和工藝水平,傳統(tǒng)寬帶T/R組件一般采用大功率開關(guān)來實(shí)現(xiàn)天線口的收發(fā)切換;但有源陣面工作時(shí),開關(guān)的性能指標(biāo)和系統(tǒng)保護(hù)功能作用不及環(huán)行隔離器,主要是當(dāng)有源陣面工作在發(fā)射大掃描角或發(fā)射天線單元損壞時(shí),天線單元駐波惡化嚴(yán)重,采用開關(guān)時(shí)天線單元反射回的信號易產(chǎn)生負(fù)載牽引導(dǎo)致功放性能下降、甚至燒毀;相比于開關(guān),環(huán)行隔離器具有更好的駐波和收發(fā)隔離度,對組件穩(wěn)定性和功率、效率等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)更有利。采用常規(guī)技術(shù)設(shè)計(jì)的環(huán)行隔離器無法在X-Ku波段寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)鏈路的插損、駐波、尺寸等指標(biāo)要求,本文選用了一種基于MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的環(huán)行隔離器。與傳統(tǒng)帶線或微帶式環(huán)行器相比,MEMS環(huán)行器具有尺寸小、精度高、一致性好、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[9]。考慮到有源陣面上組件安裝后相互緊貼,非磁屏蔽的鐵氧體器件會因?yàn)榇判孤┒嗷ビ绊懀虼谁h(huán)行隔離器應(yīng)具有磁屏蔽功能。最終小型化MEMS環(huán)行隔離器實(shí)現(xiàn)了全帶寬內(nèi)單節(jié)正向插損低于0.6 dB、駐波優(yōu)于1.4、耐功率50 W(脈沖)的良好指標(biāo)。
再次是組件穩(wěn)定性設(shè)計(jì),要避免組件出現(xiàn)自激和腔體效應(yīng)。發(fā)射通道的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。組件輸出功率大,發(fā)射子鏈路凈功率增益高達(dá)37 dB,潛在收發(fā)通道增益約73.2 dB,再加上組件內(nèi)部布局緊湊,GaN功率器件飽和深度深,寬帶器件駐波不夠好等易導(dǎo)致組件出現(xiàn)自激和腔體效應(yīng)等穩(wěn)定性問題。特別是在低溫工作情況下增益、功率等影響會更加嚴(yán)重。本組件設(shè)計(jì)上采用各通道間大隔筋、通道內(nèi)收發(fā)間小隔筋的方式增加空間隔離;增大高增益器件間的空間隔離并避開敏感區(qū)域,利用功分網(wǎng)絡(luò)帶狀線內(nèi)埋設(shè)計(jì)減小色散,采用寬帶電路匹配及補(bǔ)償設(shè)計(jì)等措施實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性設(shè)計(jì);并利用HFSS仿真軟件對組件腔體進(jìn)行電磁場仿真分析,使得腔體的潛在本振諧振頻率不落在工作頻帶內(nèi),最終通過迭代和優(yōu)化,確定了內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)和布局。同時(shí),設(shè)計(jì)中組件鏈路增益較高,若收發(fā)通道形成正反饋在同時(shí)工作狀態(tài)下會引起自激,因此采用鏈路隔離及時(shí)序上的防自激設(shè)計(jì);組件的饋電時(shí)序上,使收發(fā)通道工作在絕對的分時(shí)狀態(tài)。電源的完整性設(shè)計(jì)對T/R組件的正常、穩(wěn)定工作也至關(guān)重要。造成電源不穩(wěn)定的因素主要在于兩個(gè)方面:一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下,瞬態(tài)的交變電流過大;二是電流回路上存在的電感。本文通過優(yōu)化T/R組件內(nèi)部的接地方式,尤其是LTCC內(nèi)部的接地,在多層布線結(jié)構(gòu)要求和地平面阻抗之間找到平衡點(diǎn),采用對各種電源之間進(jìn)行地隔離等措施改善電源之間的干擾。
1.2.2 接收通道設(shè)計(jì)
噪聲系數(shù)是接收通道的核心指標(biāo),在系統(tǒng)帶寬確定的狀態(tài)下,噪聲系數(shù)決定了系統(tǒng)的臨界靈敏度。接收支路需要實(shí)現(xiàn)幅度加權(quán)功能,所以相比于發(fā)射通道,在接收通道需增加數(shù)控衰減調(diào)節(jié)功能(通過幅相多功能芯片來實(shí)現(xiàn))。為了降低整個(gè)T/R組件的噪聲系數(shù),設(shè)計(jì)中需要對限幅器插損、低噪放大器的噪聲系數(shù)指標(biāo)提出較高要求;同時(shí)低噪聲放大器的增益需要足夠高,以減少后級級聯(lián)對組件噪聲系數(shù)的惡化[10]。接收通道的具體增益分配如圖4所示。

圖4 接收通道鏈路增益分配
根據(jù)噪聲系數(shù)計(jì)算公式:
(1)
結(jié)合接收鏈路器件指標(biāo),可計(jì)算得T/R組件的噪聲系數(shù)為3.44 dB。
組件公共支路上的幅相和工作時(shí)序控制是通過波控電路來實(shí)現(xiàn)。如圖5所示,T/R波控芯片主要實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)鎖存功能;同時(shí)為簡化T/R組件控制接口,增強(qiáng)組件的工作可靠性,波控芯片具有邏輯保護(hù)、負(fù)壓保護(hù)、故障反饋等功能。

圖5 T/R波控芯片功能原理圖
T/R組件主要由殼體、蓋板、多層電路板、輸入/輸出連接器等結(jié)構(gòu)件組成,其中收發(fā)通道多層電路板和功分多層電路板分別焊接在組件殼體上,組件用螺釘固定在冷板上。為實(shí)現(xiàn)組件的小型化、高密度組裝,減小組件的體積重量,組件內(nèi)部將采用LTCC基板,實(shí)現(xiàn)微波與低頻控制、電源混合布線,大大縮小組件電路布局尺寸;同時(shí),LTCC的熱膨脹系數(shù)與GaAs芯片較為匹配,可簡化后期的組裝工藝[11]。組件殼體材料的選擇主要考慮材料密度、與LTCC基板熱匹配性、熱導(dǎo)率,同時(shí)考慮材料的比剛強(qiáng)度、加工性能和可焊性等;目前可供選用的材料主要有可伐合金、AlSi、AlSiC、鋁合金等。由于AlSi在重量上有優(yōu)勢且導(dǎo)熱性好,與LTCC的熱匹配性更好,易批量加工等優(yōu)點(diǎn),本文最終選用AlSi。整個(gè)組件殼體一體化加工成形。
八通道T/R組件的熱量主要來自8個(gè)末級功率放大器芯片,在發(fā)射大脈寬工作時(shí),功率芯片的熱流密度峰值近200 W/cm2,強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式無法保證組件長時(shí)間正常工作,所以采用水冷散熱方式把功率放大器芯片所產(chǎn)生的熱量通過水冷散熱器迅速高效地傳遞到T/R組件的安裝底板上。為實(shí)現(xiàn)高效散熱,本文采用了280 ℃的Au80Sn20焊料將功率芯片共晶焊接在熱導(dǎo)率較高且膨脹系數(shù)與芯片相匹配的鉬銅載體上,再采用154 ℃的低溫焊料將鉬銅載體裝焊在殼體上,從而使功率芯片與殼體間形成一個(gè)快速散熱的通道。而其他小功率單片電路和非功率芯片對散熱要求較低,直接采用導(dǎo)電膠粘接于LTCC基板上。如圖6所示,組件安裝在集成化散熱板上,模塊化熱板設(shè)計(jì)采用了高效微通道冷板技術(shù)、高導(dǎo)熱材料技術(shù)、低界面接觸熱阻技術(shù)和一體化流道拓?fù)湎到y(tǒng)的集成設(shè)計(jì)技術(shù)。熱仿真表明,在占空比30%、冷卻液入口溫度35 ℃工作狀態(tài)下,T/R組件末級功率放大器處的殼溫88.0 ℃,器件熱阻1.6 ℃/W,T/R組件殼溫最高處的末級功放芯片結(jié)溫為88.0 ℃+1.6 ℃/W×12.8 W=108.48 ℃,低于GaN芯片最高結(jié)溫220 ℃的I級降額120 ℃要求(Tjm-100 ℃)。因此,本文的散熱設(shè)計(jì)能夠滿足器件高可靠工作要求。

圖6 組件熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
本組件在工藝設(shè)計(jì)上,采用水平互聯(lián)設(shè)計(jì),所有連接器都在組件的兩端,避免了垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)的制造難度,改善了組裝可制造性。同時(shí)通過八通道模塊化設(shè)計(jì),通道裝配自動流水化作業(yè),采用AlSi盒體類零件精密加工技術(shù)、AlSi合金零件表面鍍覆技術(shù)、高精度微帶板設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、LTCC電路基板設(shè)計(jì)及制造技術(shù)等確保了組件的可制造性成品率。
根據(jù)上述設(shè)計(jì),研制了X-Ku波段寬頻段八通道T/R組件,如圖7所示。組件的性能測試結(jié)果見表1,主要測試曲線如圖8~12所示,其中f0=14 GHz。

圖7 T/R組件實(shí)物

表1 寬頻段T/R組件主要指標(biāo)測試結(jié)果

圖8 發(fā)射輸出功率仿真和測試結(jié)果

圖9 接收增益仿真和測試結(jié)果

圖10 噪聲系數(shù)測試結(jié)果

圖11 移相精度測試結(jié)果

圖12 衰減精度測試結(jié)果
由圖8~9可知,發(fā)射輸出功率和接收增益等指標(biāo)實(shí)測值與仿真值吻合度較好。其中,發(fā)射輸出功率實(shí)測值比仿真值略小0.5 dB左右,產(chǎn)生偏差的主要原因是實(shí)物中功放輸出端環(huán)行器、射頻連接器的失配比仿真情形嚴(yán)重。接收增益實(shí)測值比仿真值低1.0 dB左右,偏差主要來自實(shí)物鏈路芯片級間阻抗失配和功分網(wǎng)絡(luò)長微線帶來的更大損耗。
由表1和圖8~12可知,組件全頻帶內(nèi)輸出功率≥23.9 W、噪聲系數(shù)≤3.52 dB、移相精度≤3.90°(RMS)、衰減精度≤0.94 dB(RMS)、駐波≤1.98、效率≥23%;并通過了老煉、力學(xué)、熱學(xué)等篩選和分組環(huán)境試驗(yàn),可滿足多功能雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。
本文針對寬頻段有源相控陣?yán)走_(dá)對T/R組件的迫切需求,在突破八通道組件架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、基于LTCC整板的高密度集成設(shè)計(jì)技術(shù)、寬帶GaN功放高可靠高效率及散熱設(shè)計(jì)技術(shù)、高頻寬帶高隔離防腔體效應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)、組件模塊化設(shè)計(jì)及可制造性設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并研制出一款10~18 GHz寬頻段八通道T/R組件,組件實(shí)物通過相關(guān)篩選、環(huán)境試驗(yàn)和陣面應(yīng)用驗(yàn)證。該組件將工作帶寬由之前的14~18 GHz拓展到10~18 GHz,輸出功率由之前的10 W量級提高到20 W量級,噪聲系數(shù)由之前的4.3 dB提升到3.52 dB;效率以及幅相精度指標(biāo)明顯好于常規(guī)6~18 GHz T/R組件指標(biāo),可滿足多功能雷達(dá)系統(tǒng)的需求。本組件具有高頻、寬帶、高效、高集成的特性,可作為一類標(biāo)準(zhǔn)寬帶T/R組件推廣應(yīng)用到新型綜合傳感器雷達(dá)系統(tǒng)、多功能綜合電子系統(tǒng)等中,應(yīng)用前景廣闊。下一步將開展組件的片式化研究以應(yīng)用于共形平臺雷達(dá)系統(tǒng)中,即采用3D微系統(tǒng)技術(shù),信號內(nèi)部通過疊層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)微波垂直互聯(lián);收發(fā)通道采用“3芯片(限幅低噪聲放大器、幅相多功能芯片、功率放大器)”的高集成架構(gòu);外部接口采用RF-BGA;具有更高集成度和低剖面優(yōu)點(diǎn),可滿足未來有源共形陣列系統(tǒng)高密度布陣和低剖面的需求。