C 波段四通道高性能定標T/R 組件設計

周演飛，彭高森

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

引言

T/R 組件作為有源相燮陣雷達的核心部件，主要功能：發射時完成激勵信號的功率放大至天線單元輻射出去；接收時完成回波弱信號的低噪聲放大至接收機；通過燮制收發通道的幅相實現雷達掃描功能。T/R 組件的性能指標決定了雷達系統的能力，高可靠、大功率、高效率、小型化及低成本已經成為高性能T/R 組件的重要標簽。

T/R 組件在星載SAR 領域應用越來越廣泛，在監測海洋目標以及成像等方面，C 波段有著更好的性能[1]，設計實現輸出高功率、高效率的C 波段多通道輕小型T/R 組件有重要意義。為實現對收發通道精確的校正，需要在T/R 組件內集成小型定標耦合器，用于采集收發通道的幅相信息。高性能的定標耦合器通常具有弱耦合、高定向性且端口駐波小等特點，發射定標時，耦合發射信號從定標口輸出；接收定標時，信號從定標口輸入，耦合到接收通道[2]。為了減少定標端口數量，定標耦合器采用兩通道合成設計。定標T/R 組件原理框圖見圖1。定標耦合器放置在環行器與天線端口之間，兩路耦合對稱設計，確保幅相一致，通過合成網絡至定標口。本研究設計一款輸出功率超過50W，具有高效率和高定向性耦合功能的C 波段四通道T/R 組件。

圖1 定標T/R 組件原理框圖

1 設計方案

1.1 收發鏈路

為減少射頻器件使用，做集成度更高的設計，采用“三芯片”設計方案：限幅低噪放芯片、多功能芯片和末級功率放大器。需合理分配收發鏈路增益以滿足設計指標要求，標分解見圖2。收發通道分時工作，多功能芯片滿足6bit 幅度和6bit 相位調節的基礎上，又集成了驅動放大器，在發射時，DPA 直接推動末級功放到飽和狀態，節省了驅動放大器芯片。限幅低噪聲放大器將外來不友好的大功率信號反射至環行隔離器的燮載電阻吸收，保護接收鏈路。末級功放采用GaN 功率管芯內匹配和功率合成技術，將管芯和匹配電路燒結在金屬載體上，在X 波段及以下具有低成本、高輸出功率和高效率的優勢。

圖2 收發鏈路分解

高效率的T/R 組件，需要做好末級功放的輸出匹配，功率放大器輸出經常受匹配的影響較大，導致發射效率降低，需要在環行隔離器與末級功放之間增加一段過渡線，增加調試小島，將金絲的匹配考慮進去，改善輸出匹配。

通過鏈路分析，T/R 組件輸出功率50 W，接收單通道增益25.9 dB，噪聲系數2 dB。

1.2 多層基板與封裝

多層基板材料應具有傳輸損耗小、散熱好和布線密度高等特點。低溫共燒陶瓷LTCC 填充和鍍覆為金銀混合材料體系，高頻性能好，多作為星載T/R 組件的基板。同樣具有布線密度高的氧化鋁高溫共燒陶瓷HTCC，以鎢金屬作為填孔和印刷導體，在1 600 ℃左右完成共燒，結構強度高[3]，具有明顯的低成本優勢，缺點是高頻性能較LTCC 差。

設計15 層HTCC 基板，單層厚度選擇0.12 mm，介電常數9.6。布線時需要做到對射頻信號、燮制信號和脈動電源信號之間的相互隔離和屏蔽，避免信號間的耦合和串擾。電子封裝材料需要能與HTCC 基板熱膨脹系數相匹配，且滿足高熱導率，高抗拉強度，同時也要重量輕，機加和密封性能好。目前常用的封裝材料有可伐、鋁合金、鈦合金和硅鋁合金等，可伐和鈦合金優勢在于結構強度高，能與陶瓷熱膨脹匹配，缺點在于熱導率差，無法滿足末級功放的散熱要求，鋁合金導熱性能好，但熱膨脹系數比陶瓷基板高太多，容易分層開裂，只有硅鋁合金能滿足要求。盒體和蓋板分別用27%Si-Al 和50%Si-Al 材料，可做到熱匹配和抗拉強度的兼顧。組件內部的GaAs 和GaN 芯片是氫敏感器件。硅鋁盒體在生產加工過程中，氫氣會吸附在金屬內部，在封蓋后的密閉空間下，氫氣緩慢揮發，導致內部氣氛氫含量升高，會導致芯片性能下降，因此需要做好硅鋁盒體的除氫措施。

2 仿真設計

2.1 傳輸線

微帶傳輸線會使表層空間等不到充分利用，帶狀線埋在內層，與芯片互連處，陶瓷基板需要挖腔處理，降低了基板可靠性，選擇微帶線- 帶狀線- 微帶線的傳輸方式，表面空間既能充分使用，還能起到電磁屏蔽，減小通道間耦合和空間電磁輻射。該傳輸線存在多處不連續，需要優化端口駐波，建立仿真模型見圖3。

圖3 傳輸線仿真模型

鎢金屬電阻率大導致高頻特性差，信號頻率越高，傳輸損耗越大，仿真結果：6 GHz 以下，傳輸損耗小于0.3 dB，鏈路上有3 處該類型傳輸線，傳輸損耗約1 dB。優化端口匹配，仿真駐波小于1.05，端口得到良好的匹配。T/R 組件工作在脈沖工作條件下，需要足夠的儲能電容以提供大的峰值電流，在帶狀線的上表面空間，需要放置儲能電容，為末級功放提供穩定的電壓，保證發射功率頂降。

2.2 定標耦合器

耦合器作為微波電路的基本單元，平行線微帶耦合器常應用于弱耦合場合，結構簡單，可方便的嵌入到T/R 組件[4]。非對稱電路耦合可減小電路尺寸，這對于T/R 組件的小型化至關重要。通常弱耦合電路要得到較高的定向性是很困難的，通過增加叉指補償提高定向性。建立仿真模型見圖4。

圖4 定標耦合器仿真模型

定標耦合器由平行耦合線和合成器兩部分組成，將電阻模型代入仿真。吸收燮載為100 Ω，隔離電阻為200 Ω，為保證兩路耦合的幅相一致性，采用對稱式設計，選用Rogers RT6002 陶瓷基板。通過優化參數，仿真結果見圖5。

圖5 耦合度和隔離度仿真結果

從仿真曲線看出，C 波段1 GHz 帶寬的耦合度為32.2±0.5 dB，定向性大于30 dB，仿真結果滿足指標要求。

2.3 腔體設計

為避免通道間相互干擾，引發腔體諧振或鏈路自激，將收發通道進行分腔處理。設計分腔見圖6。

圖6 腔體分腔設計

避免腔體本征諧振頻率落在工作頻率帶內或附近，設計隔墻盡可能的長，隔墻高度與蓋板齊平，兩定標耦合器也從中間隔開，防止互擾。仿真最低的諧振頻率為8.25 GHz，遠超工作頻帶，從設計上消除腔體自激和通道相互耦合的風險。

3 實物與測試

采用微組裝工藝完成T/R 組件的裝配，實物見圖7。

圖7 T/R 組件實物

T/R 組件本體尺寸74 mm×70 mm×11 mm，重量150 g，射頻端口采用SSMA 射頻連接器。T/R 組件的耦合指標可以通過接收通道測量。耦合度和定向性的實測結果見圖8、圖9。

圖8 耦合度實測數據

圖9 定向性實測數據

測試數據得知，4 個通道的耦合度指標實測數據一致，對比仿真與實測數據，耦合度兩者基本吻合，定向性實測也大于20 dB，滿足指標要求。耦合相位實測一致性僅±2°，定標端口駐波小于1.2，定標耦合器的通道一致性好。耦合度實測曲線帶內有微小起伏，究其原因，仿真模型的端口完全匹配，而在實際端口受環行隔離器端口駐波的影響。C 波段600MHz 的工作帶寬，關鍵技術指標測試見表1。

表1 關鍵指標測試

組件實測性能優，輸出功率高，噪聲低，尤其是組件效率很高，全頻帶超過48%，屬于高效率T/R 組件，移相精度和衰減精度優于雷達使用要求。

4 結論

設計實現了高功率和高效率四通道C 波段T/R組件，通過嵌入弱耦合、高定向性的合成定標耦合器，可做到接收和發射的精準內定標。同時，采用低成本和集成化設計，減小射頻芯片數量及互聯，生產裝配成品率更高，通道間幅相一致性更好。為進一步的應用在星載SAR 平臺打下堅實的基礎。