一種基于SIP技術的多通道L波段T/R組件設計

徐海飛，蔣福生，楊 陽，任恒志，馬 濤，沈 濤

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

有源相控陣技術如今在雷達系統、電子對抗、武器精確制導及通信技術等領域有著廣泛的應用。特別是在雷達領域，有源相控陣雷達的波束指向靈敏迅速，能夠實現預警搜索、跟蹤定位、精確制導及無源探測等多種功能，具有較強的多目標接戰能力、良好的抗干擾性能以及較高的可靠性，是現代軍事領域中重要的武器裝備[1]。而有源相控陣的每個天線單元都設置有一個收發（Transmitter and Receiver，T/R）組件，T/R組件的性能直接影響著雷達的性能。目前傳統的MMIC混合集成（2D平面）T/R組件已成熟運用于各雷達和通信系統中，但隨著雷達系統和微波通信的發展，小型化多通道L波段T/R組件的研制已迫在眉睫，其要求T/R組件體積越來越小、功能集成化越來越高，傳統的MMIC混合集成T/R組件已然不能滿足使用要求[2]。而基于系統級封裝（System in Package，SIP）技術的L波段多通道T/R組件具有體積小、重量輕、集成度高等突出特點，必將得到廣泛運用。

本文研制的基于SIP技術的多通道L波段收發組件，適用于L波段有源相控陣雷達系統。L波段T/R組件實現了發射300 MHz中頻率上變頻至1.2～1.4 GHz、濾波、放大、數控衰減、功率放大至50 W輸出以及接收L波段信號預選濾波、限幅、放大、數控衰減、下變頻、中頻放大濾波輸出300 MHz 中頻信號等功能。驗證產品實現了發射輸出功率大于47 dBm，接收增益60±1.5 dB，噪聲系數優于 3 dB，雜散優于60 dBc，通道隔離度優于50 dB。仿真設計和試驗樣品的測試結果驗證了該設計方案的合理性和工程實用性。

1 設計方案及實現

1.1 方案設計

本文設計的基于SIP技術的多通道L波段收發組件由3個部分組成，分別是12路T/R通道、本振放大功分電路、電源調制及接口控制電路。其中，收發射頻電路為一路發射上變頻電路和兩路接收下變頻電路，電源調制及接口控制電路主要實現收發電源調制功能以及實現SPI串并轉換功能。組件實現原理如圖1所示。

圖1 基于SIP技術的多通道L波段T/R組件原理框圖

12路TR通道的設計原理完全相同，將小信號收發變頻電路采用SIP技術進行小型化集成設計，單通道工作原理如圖2所示。T/R通道主要由收發變頻SIP、GaN功放、環形器、大功率濾波器以及中頻濾波器等電路組成。

圖2 L波段T/R組件單通道原理框圖

發射時，直接式數字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）產生功率為-5 dBm的300 MHz中頻信號，經中頻帶通濾波抑制帶外雜散，再經L波段收發變頻SIP放大濾波后與本振信號LO混頻后輸出1.2～1.4 GHz的L波段射頻信號，再經過帶通濾波、數控衰減、射頻放大后推動GaN功率放大器。GaN功率放大器功率增益大于35 dB，飽和輸出功率大于100 W，功率附加效率大于50%。該信號經環形器以及帶通濾波器抑制諧雜波后輸出，端口輸出功率大于60 W。發射通道設計有6位 0.5 dB步進的數控衰減器，最大衰減31.5 dB，滿足發射功率程控要求。

接收時，從天線接收到的1.2～1.4 GHz的L波段射頻信號通過天線進入T/R組件，首先經過帶通濾波器抑制帶外干擾信號，隨后通過環行器后進入限幅低噪放，放大濾波后與本振信號LO混頻后輸出300 MHz中頻信號。接收通道設計有6位 0.5 dB步進的數控衰減器，最大衰減31.5 dB，滿足接收動態擴展要求。

T/R通道中的L波段收發變頻電路采用SIP技術設計實現，通過采用新工藝和新材料，突破了微組裝技術的關鍵工藝，實現多基板的三維垂直互聯，實現了高密度、小型化集成。L波段收發變頻SIP封裝形式采用BGA表貼外殼，完全氣密設計，其體積尺寸為22 mm×16 mm×4.5 mm，相比傳統收發變頻模塊，其體積尺寸減少90%以上，外形尺寸對比如圖3所示。

圖3 L波段收發變頻SIP與傳統變頻模塊對比

SIP技術以器件級的封裝實現組件級的功能，可大幅降低系統裝備的體積和重量，同時還有利于產品可靠性的提升和封裝的小型化[3]。三維集成SIP技術是電子設備向微系統方向發展的重要技術途徑。

電源調制及接口控制電路主要實現GaN功放上下電時序控制、+28 V功放漏極電源調制以及+5 V 電源調制功能，其次還利用FPGA實現串并轉換功能，配合離散線完成T/R通道工作狀態控制等功能，電路原理如圖4所示。

圖4 電源管理及接口控制電路原理框圖

1.2 關鍵技術指標分析

1.2.1 接收鏈路技術指標分析

接收鏈路包括濾波器、環形器、限幅低噪聲放大器以及L波段收發變頻SIP等組成，如圖5所示。T/R接收通道主要的性能指標如表1所示。

圖5 T/R接收通道鏈路框圖

考慮到接收通道大線性動態范圍及低噪聲需求，選用了一款具備耐高功率、低噪聲和高增益的限幅低噪放，增益可達28 dB以上，噪聲系數最差為1.2 dB。按照鏈路方案，整個鏈路級聯后，通道工作增益為60.8 dB，噪聲系數為2.42 dB，輸入P_1為-47.8 dBm。按照射頻鏈路級聯分析得到了接收通道噪聲系數理論值為2.42 dB，依據實際工程經驗，高溫下噪聲系數會有所惡化,約為0.4 dB，全溫范圍內小于3 dB。

1.2.2 發射鏈路技術指標分析

發射鏈路包括L波段收發變頻SIP、GaN功率放大器、環形器及濾波器等，如圖6所示。T/R發射通道主要的性能指標如表1所示。

表1 T/R接收通道指標

發射鏈路由L波段收發變頻SIP及高增益的GaN功率放大模塊構成，整個發射通道增益可達55.6 dB。由圖6所示的鏈路增益分配圖可知，當發射激勵信號輸入為-5 dBm，發射支路的末級放大器工作在飽和狀態，并且發射通道鏈路增益能夠保證在高溫工作狀態下使末級GaN芯片飽和輸出，后級濾波器、環行器、連接器的損耗按照1.2 dB統計，則末級輸出功率為48.8 dBm。末級高增益功率模塊的功率附加效率可達到54%以上。

圖6 T/R發射通道鏈路框圖

發射脈沖功率要求在200 μs寬脈沖下頂降在1 dB以內。影響輸出功率頂降的主要因素包括電源功率、儲能電容容量[4]。一般而言，對于脈沖調制工作機制，采用高容量的儲能電容來保證瞬時脈寬內提供大電流以滿足頂降要求，可通過以下公式計算得出發射儲能電容容量：

表2 T/R發射通道指標

式中：P為發射功率，t為發射脈寬，U為工作電壓。

取工作電壓U=28 V，發射峰值電流I=6.6 A，發射脈寬t=100 μs，如果單純依靠儲能電容來保證單通道發射脈沖頂降，則儲能電容為至少需要490 μF 電容容量，這在現有規定的T/R通道體積內難以實現裝配，需要整機+28 V電源模塊能夠提供較高的功率來保證，此外要求電源模塊具備較快的響應速度。

發射輸出脈沖前后沿主要由電源調制的速度決定。L波段收發SIP內的GaAs放大器件采用 +5 V供電，根據實際工程經驗，其調制速率比較快，上升和下降沿可控制在50 ns以內。GaN功率器件工作在+28 V，工作電壓較高并且工作電流大，采用專門研制的高速高壓功率PMOSFET驅動器集成電路單片，可實現+28 V電源上升和下降沿在80 ns以內，滿足指標要求的100 ns。

1.3 關鍵射頻電路工作原理和設計

1.3.1 T/R組件工作時序設計

T/R通道中的放大器工作于A類或者AB類，增益較高，由于T/R收發通道形成了一個閉環回路，如圖7所示，對于閉環回路就會存在不穩定的可能。若T/R收發通道發射控制上升沿與接收控制下降沿存在時序交叉，則收發通道的放大器同時工作，整個鏈路器件增益會達到Gain=21+36-20+28+34=99 dB。

圖7 T/R通道收發鏈路同時工作時的環路狀態

由于整個T/R通道的尺寸較小，在較小的尺寸范圍內形成正反饋，環路總增益大于1，會導致整個收發通道的自激振蕩，特別是在高低溫工作時，較強的自激振蕩可能導致GaN功率放大器件 燒毀。

因此，為解決T/R通道工作穩定性，提高整個工作周期內的收發隔離度，必須在發射期間關斷接收通道，在接收期間關斷發射通道，并且收發時序嚴格不交叉[5]。收發時序控制如圖8所示。

圖8 T/R通道收發時序

1.3.2 SIP關鍵電路設計

L波段收發變頻SIP設計的關鍵技術是垂直互聯。SIP的核心是元器件芯片與元器件高密度組裝互聯，尺寸減小。目前，平面的組裝密度已經達到理論極限值。而SIP將MCM沿垂直方向堆疊互連，可以獲得更大的組裝密度，實現系統的小型化。 L波段收發變頻SIP采用BGA焊球垂直互連技術，傳輸信號的BGA焊球與周圍接地焊球形成了一個類同軸結構，因此只要合理設計傳輸信號的BGA焊球與周圍接地焊球的間距和排布，就可實現BGA焊球對微波信號的連續傳輸。SIP內部垂直互聯仿真如圖9和圖10所示。

圖9 SIP內部垂直互聯仿真模型

圖10 SIP內部垂直互聯仿真模型仿真結果

1.4 PCB設計與結構設計

T/R通道中的L波段收發變頻SIP采用BGA封裝，T/R組件采用微波多層復合介質基板來實現一體化集成設計。微波電路、低頻控制電路、電源電路以及數字電路等共用一塊電路板，可有效實現微波電路小型化[6]。同時，由于SIP內部電磁屏蔽良好，可有效解決高密度T/R組件內部的電磁兼容問題。T/R組件采用12層微波復合多層板，采用RO4350B板材，板間采用半固化片進行壓合粘接，板厚2 mm，PCB層疊如圖11所示。

圖11 12層微波復合多層電路板疊層設計

L波段多通道T/R組件采用金屬屏蔽腔體結構形式，腔體和蓋板均采用5A06系列防銹鋁合金材，金屬屏蔽腔體本身具有很高的屏蔽效能。但由于屏蔽結構蓋板與腔體、連接器與腔體之間有縫隙的存在，使得模塊屏蔽結構的屏蔽效能大大降低。因此，為提高屏蔽結構的屏蔽效能，減少電磁泄漏，根據實際情況減小蓋板螺釘間距，縮小蓋板與腔體間縫隙的尺寸，使蓋板與腔體形成低阻抗連續通路，且對TR通道設計雙層蓋板屏蔽設計提升通道隔離度。T/R組件的結構尺寸為500 mm×86.5 mm×22 mm，結構如圖12所示。同時，T/R組件對天線射頻口采用小型化SMP連接器，對數字處理中頻口采用射頻毛紐扣集成連接器。

1.5 T/R組件測試結果

根據以上設計方案，制作了基于SIP技術的多通道L波段收發組件樣品，實物如圖11所示。利用功率計、信號源、頻譜分析儀及脈沖調制器對L波段多通道收發組件的性能進行了測試，測試結果如表3所示。

圖13 研制L多段多通道T/R組件實物

表3 L波段多通道T/R組件主要性能指標測試結果

研制產品的發射峰值功率、脈沖頂降、脈沖上升沿與下降沿、增益、噪聲系數、雜散抑制、通道相位差穩定度以及隔離度等指標實測數據與預期結果一致，滿足工程應用的功能需求和技術指標要求。

2 結 語

本文設計了一種新型、基于SIP技術的小型化、集成化多通道L波段T/R組件，經測試，滿足預計的電性能指標要求。SIP技術為有源相控陣雷達 T/R組件小型化提供了一條解決途徑，將該方法加以工程應用，能夠解決T/R組件難以小型化的問題，更好地滿足相控陣雷達等系統的要求，同時根據SIP技術可拓展性特點，后續可根據具體鏈路的需要，滿足更加復雜的系統使用，在縮減T/R組件尺寸的同時，可極大地優化T/R組件的性能指標。