一種緊湊型Ka波段八通道T/R組件的設計

張生春 廖 原 雷國忠 李 寧 華根瑞 楊 莉 康 穎 楊 春

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現代有源相控陣雷達的快速發展對T/R組件的電性能、體積、重量等提出了越來越高的要求。尤其是Ka頻段相控陣雷達，由于工作波長為8mm，T/R組件的體積、重量受到嚴格的限制[1-4]。多芯片組件(Multi-chip Module,MCM)工藝為實現Ka波段雷達所需的多功能、高密度和小型化T/R組件提供了技術保證[5]。LTCC技術和微波多層混壓板集成技術提供了比傳統的混裝組件集成技術更加靈活的設計方式，多層基板結構可以將微波傳輸、邏輯控制、電源等多種混合信號分層設計，將它們集成設計在同一印制板中，是實現高集成T/R組件的一種理想的集成設計技術[6-7]。相比于LTCC基板，微波混壓板的加工成本更低，加工周期更短，通用性更強。將多層混壓板集成技術應用于Ka波段T/R組件中可提升T/R組件的集成度和通道一致性。

本文提出一種基于多層混壓板集成組件技術和MCM工藝的Ka波段八通道T/R組件，與傳統T/R組件相比具有體積小、集成度高、通道一致性好的特點，適用于多種多功能Ka波段相控陣雷達。

1 T/R組件工作原理

T/R組件工作原理如圖1所示。T/R組件主要由8個收發通道、1分8功分網絡、前級雙向放大器和電源調制及控制電路組成。每個收發通道由PIN開關、功率放大器、限幅器、低噪聲放大器、收發多功能放大器和數控移相衰減多功能芯片組成。

圖1 T/R組件工作原理框圖

發射工作時，發射輸入信號經前級雙向放大器驅動后功分為8路，進入每個收發通道。數控移相衰減多功能芯片完成發射信號移相控制，收發多功能放大器完成信號驅動放大，功率放大器將信號飽和放大后經PIN開關后輸出。

接收工作時，接收信號經PIN開關和限幅器后由低噪聲放大器放大后，再經進入收發多功能放大器和數控移相衰減多功能芯片，收發多功能放大器完成接收信號第2級放大，數控移相衰減多功能芯片完成接收信號相位控制和幅度控制，最后經1分8功分網絡合成后再經雙向放大器放大后輸出。

T/R組件的激勵信號與接收信號是分時的，在Ka波段T/R組件內部通過4組開關實現激勵/接收信號與發射通道/接收通道間的切換。T/R組件的收發脈沖控制信號分別對發射和接收放大器進行電源調制。

T/R組件通過將輸入的串口信號轉換為并口信號控制每個通道的移相器和衰減器，實現通道移相和幅度控制功能。串口數據信號8路共用，通過地址片選信號位進行通道選擇后輸入到串并轉換芯片，再通過鎖存脈沖信號執行幅相控制指令信息。

2 T/R組件詳細設計

2.1 T/R組件組成構架

T/R組件應用于一維Ka波段相控陣雷達，陣列單元排布為兩排線陣。T/R組件通道間距5mm，輸入輸出口均為波導口，采用磚塊方式進行設計。

裸芯片全部采用微組裝工藝封裝在核心收發模塊內，射頻信號通過射頻絕緣子和微帶相接，再通過微帶E面探針轉為波導接口，波導接口采用6mm×2mm。T/R組件波導接口在上表面，下表面為散熱面。T/R組件內部剖面如圖2所示。

圖2 T/R組件內部剖面圖

2.2 發射通道設計

由圖1所示，發射通道由三級放大器、收發開關、數控移相衰減多功能芯片、功分網絡組成。末級開關采用高功率反射式PIN開關，典型插入損耗0.6～0.8dB。功率放大器采用GaAs功放芯片，飽和輸出功率30.5dBm，效率30%。數控移相衰減多功能集成衰減器和移相器，實現發射移相和高低溫增益調節。雙向放大器和收發多功能放大器完成兩級前級驅動放大。

T/R組件發射鏈路功率增益預算如表1所示。

表1 T/R組件發射鏈路預算表

輸入信號(0～4dBm)，經輸入波導微帶轉換、2dB衰減器后，可將前級雙向放大器推至飽和輸出(22dBm)，再經功分網絡、數控移相衰減多功能芯片后，可將收發多功能放大器推至飽和輸出(13dBm)，再經衰減器后，可將功率放大器推動到飽和輸出(Pout=30～31dBm)。最后經過PIN開關(-0.7dB)和波導微帶轉換(-0.3dB)后輸出，輸出功率Pout=29～30dBm。

2.3 接收通道設計

由圖1所示，接收通道由PIN開關、低噪聲放大器、收發多功能放大器、數控移相衰減多功能芯片、功率合成網絡、雙向放大器組成。低噪聲放大器采用GaAs芯片，噪聲系數2.0dB，增益22dB。數控移相衰減多功能集成衰減器和移相器，實現接收移相和增益控制。雙向放大器和收發多功能放大器完成兩級后級增益放大。

T/R組件接收鏈路預算如表2所示。

定義接收F為T/R組件接收通道噪聲系數，則計算組件接收通道噪聲系數為

F=10×lg2.64=4.21 dB

經計算T/R組件噪聲系數4.21dB，單通道接收增益為22.5dB，八通道合成增益為31.5dB。接收通道增益壓縮1dB時的輸入功率為-25dBm。

2.4 關鍵電路的設計仿真

在T/R組件設計過程中，通常采用理論分析和微波仿真軟件的建模仿真相結合的方法。采用三維電磁仿真軟件有Ansoft HFSS可對組件中的電磁場進行仿真分析和優化設計，可以有效地加速組件的設計過程。本小節的內容主要是利用仿真軟件對T/R組件設計中的關鍵的無源傳輸電路進行分析和仿真。

2.4.1 陣列波導微帶轉換優化仿真

設計中，對輸入輸出波導端口微帶波導轉換電路進行了基于HFSS仿真設計。輸出微帶波導轉換電路仿真模型和仿真結果如圖3所示，波導口尺寸為6mm×2mm。在工作頻率范圍內，插損小于0.04dB，駐波小于1.08。

圖3 微帶波導轉換仿真模型和仿真結果

2.4.2 Ka波段絕緣子過渡技術

由圖2可見，T/R組件裸芯片全部封裝在核心收發模塊內，射頻信號通過射頻絕緣子過渡出來，再通過外部微帶E面探針轉為波導接口。

微帶-同軸-微帶轉換模型仿真模型和仿真結果如圖4所示。絕緣子兩側過渡均采用兩次空氣環進行過渡，在工作頻率范圍內，插損小于0.04dB，駐波小于1.1。

圖4 微帶-同軸-微帶轉換模型及仿真結果

2.5 混壓板基板設計

與普通混裝MCM電路相比，T/R組件采用的多層混壓基板集成了微波電路、邏輯控制電路和電源電路。對低頻信號，只需按常規PCB電路原則進行設計即可；對于微波電路，則在遵循印制板的設計規范基礎上，采取合理的分層設計和微波大面積接地方式，重點解決微波信號傳輸中不連續性和通道之間的耦合，合理布置各功能元件在基板中的位置，優化設計信號的分布和走線形式。基于以上原則完成了8層微波混壓板的設計，層功能說明如圖5所示。為確保微波信號傳輸的連續性，輸入輸出微帶線接口均采用共面波導形式，采用金絲鍵合進行互連。

圖5 微波混壓多層基板層功能說明圖

3 T/R組件測試結果分析

T/R組件的裝配采用成熟的微組裝工藝，先將絕緣子和多芯插座以最高溫度燒結在殼體上，再將微波混壓板燒結在殼體底部，最后進行裸芯片裝配和金絲鍵合。由于需要裝配的芯片數量較大，而且沒有大功率器件，因此MMIC芯片的裝配采用環氧導電膠粘接工藝安裝到微波混壓基板上。裝配后的T/R組件內部圖如圖6所示。

圖6 T/R組件內部圖

T/R組件的電氣性能實測結果如表3所示。在5GHz的工作帶寬內發射功率≥29dBm，接收增益≥22dB，噪聲系數≤4.5，移相精度≤4.0°(RMS)，衰減精度≤0.5dB(RMS)，主要技術參數均達到了設計指標要求。

表3 TR組件主要電氣性能測量結果

4 結束語

本文介紹了一種緊湊型Ka波段八通道T/R組件的設計，詳細地論述了T/R組件組成構架、收發通道指標預算、關鍵電路設計仿真、微波多層混壓基板設計。T/R組件采用微波多層混壓板集成設計技術，具有體積小、集成度高、通道一致性好的特點。測試結果表明，T/R組件具有良好的電氣性能，可適用于多種多功能Ka波段相控陣雷達。