李俊生

（鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

1 引言

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)的要求越來(lái)越高，而T/R組件[1-2]是構(gòu)成有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件之一，因此對(duì)T/R組件的各個(gè)性能[3-4]提出了更高的要求。同時(shí)微電子技術(shù)和MMIC電路的發(fā)展為T/R組件的設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)，當(dāng)前組件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是在利用HTCC、LTCC等多層微帶基板的基礎(chǔ)上，集成一片或數(shù)片多功能MMIC電路，再經(jīng)過(guò)微電子互連而成。而這種組件具有體積小、重量輕、性能指標(biāo)高、一致性好的特點(diǎn)。

通常情況下，在數(shù)量相同的一組T/R組件中合成發(fā)射功率越大，其雷達(dá)照射的范圍也就相應(yīng)越大，所以研究高功率T/R組件也就顯得非常重要。因此在T/R組件設(shè)計(jì)時(shí)，最關(guān)鍵的部分是功率放大模塊。該組件通常運(yùn)用了混合集成電路（HMIC）和多芯片組裝（MCM）相結(jié)合的技術(shù)。運(yùn)用其LTCC基板，根據(jù)現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計(jì)出了一種平衡放大器作為發(fā)射通道的末級(jí)功放模塊，該平衡放大器是利用兩只功率放大器裸芯片以及一個(gè)Wilkinson功分合成器組成的，其最終效果是提高了輸出功率。

2 T/R組件的原理與組成

T/R組件原理框圖如圖1所示。在發(fā)射通道，由激勵(lì)信號(hào)源送來(lái)的信號(hào)送入組件發(fā)射通道，經(jīng)過(guò)功率放大器使信號(hào)放大后反饋至天線輻射單元；在接收通道，從天線受到的微弱信號(hào)經(jīng)接收通道傳到接收機(jī)。

圖1 T/R組件原理框圖

組件接收通道包括限幅器、低噪聲放大器和數(shù)字衰減器。在組件發(fā)射期間，若天線有很大的功率反射，此時(shí)限幅器能起到保護(hù)低噪聲放大器的作用。組件發(fā)射通道包括T/R開(kāi)關(guān)、數(shù)字移相、驅(qū)動(dòng)功率放大、末級(jí)功放和環(huán)形器。而末級(jí)高功率放大模塊為下文重點(diǎn)介紹的。

控制電路部分包括數(shù)字移相器、數(shù)字可變衰減器、數(shù)字開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)控制芯片。為了設(shè)計(jì)需要運(yùn)用了正向和反向的環(huán)形器，其中一個(gè)當(dāng)作隔離器使用，另外一個(gè)作環(huán)形器使用。對(duì)于電源部分，因?yàn)榻M件發(fā)射功率器件為GaAs器件，其必須要先加負(fù)壓（Vgs），后加正壓（Vds），加負(fù)壓保護(hù)電路就行。

3 3cm-T/R組件的設(shè)計(jì)思路和過(guò)程

設(shè)計(jì)3cm-T/R組件時(shí)，考慮最關(guān)鍵的部分就是末級(jí)功放模塊，因此本文將對(duì)末級(jí)功放部分展開(kāi)詳細(xì)探討。

3.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)一個(gè)Wilkinson功分合成器[5-6]，采用兩個(gè)10W功率放大器裸芯片進(jìn)行合成，組成一個(gè)平衡放大器。Wilkinson功分合成器采用了二等分功分器。因?yàn)樾盘?hào)在輸入功分器的輸出端是同相位的，所以注入放大器1之前的信號(hào)和放大器2之后的信號(hào)需要相移，將其中的一臂增加了λ/4的線長(zhǎng)，其目的在于，如果兩個(gè)放大器有駐波反射回來(lái)時(shí)，信號(hào)沿功分合成器兩臂都在電阻R處會(huì)聚，并且剛好在R處相抵消。

3.2 Wilkinson功分合成器的設(shè)計(jì)與仿真

基于現(xiàn)有的工藝水平，我們選用的導(dǎo)體為金，其厚度為0.01mm，由于LTCC基板的工藝精度不佳，插損比較大，故利用陶瓷作為介質(zhì)，其介電常數(shù)εr=9.9，厚度為0.635mm，損耗角正切值為0.006。通過(guò)軟件HFSS仿真，可以計(jì)算出兩段50 Ω的線寬W1=0.6mm，70.7Ω的線寬W2=0.023。電阻選為100Ω的薄膜電阻，如圖2。

圖2 Wilkinson功分合成器仿真設(shè)計(jì)圖

3.3 3cm-T/R組件的電磁兼容分析

T/R組件中存在著數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、微波信號(hào)、直流信號(hào)和脈沖信號(hào)等。因此，電磁兼容設(shè)計(jì)將是工程實(shí)現(xiàn)、聯(lián)機(jī)調(diào)試中的難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段必須充分認(rèn)識(shí)到電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要性。

3.3.1 腔體效應(yīng)

腔體效應(yīng)是組件EMC設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，除了諧振頻率和相應(yīng)的Q值會(huì)導(dǎo)致組件的不穩(wěn)定工作以外，腔體內(nèi)部具體場(chǎng)分布特征也可能導(dǎo)致組件整體性能上的失敗或成品率的下降。我們?cè)O(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)是盡量降低腔體內(nèi)部場(chǎng)分布強(qiáng)度。另外，在熱耗嚴(yán)重的地方（末級(jí)功率放大模塊）不能有高強(qiáng)度的場(chǎng)分布，末級(jí)功率放大器的抗失配比對(duì)整個(gè)支路的穩(wěn)定性也有很大的實(shí)際意義。如圖3所示，在末級(jí)放大模塊恰恰有很高的場(chǎng)分布，我們解決的辦法是加上吸波材料，它是解決腔體自激現(xiàn)象的有用途徑。

3.3.2 電源完整性

電源的完整性設(shè)計(jì)對(duì)T/R組件的正常穩(wěn)定工作至關(guān)重要，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面，一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下瞬態(tài)交變電流過(guò)大，二是電流回路上存在的電感。

圖3 腔體內(nèi)部場(chǎng)分布圖

通過(guò)改變T/R組件內(nèi)部接地方式，尤其是LTCC內(nèi)部接地方式，可以在多層布線結(jié)構(gòu)要求和地平面阻抗之間找到平衡點(diǎn)，對(duì)各種電源之間進(jìn)行地的隔離等來(lái)改善電源之間的干擾等。

3.3.3 收發(fā)隔離設(shè)計(jì)

保證組件發(fā)射支路和接收支路之間無(wú)干擾，采用收發(fā)電源分時(shí)工作保證收發(fā)之間完全隔離。

T/R組件的發(fā)射通道和接收通道雖然分時(shí)工作，但在收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)，T/R開(kāi)關(guān)的隔離度降低，收發(fā)之間形成回路，容易產(chǎn)生振蕩，收發(fā)開(kāi)關(guān)存在一定的開(kāi)關(guān)時(shí)間，脈沖前沿時(shí)沒(méi)有將接收支路完全關(guān)斷，而接收支路已經(jīng)部分連通，也使得收發(fā)通道形成回路，產(chǎn)生振蕩。這在單獨(dú)測(cè)試發(fā)射通道或接收通道時(shí)不會(huì)出現(xiàn)，只有在收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)才會(huì)發(fā)生。解決的方法是將T/R開(kāi)關(guān)錯(cuò)開(kāi)一定的時(shí)間，使得一個(gè)通道完全關(guān)斷后再打開(kāi)另一個(gè)通道，這樣就不會(huì)發(fā)生振蕩。

為有效避免暗箱操作，開(kāi)縣增加世行貸款項(xiàng)目建設(shè)的透明度，針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)和要求，切實(shí)加強(qiáng)了公示制建設(shè)力度。一是在確定科技示范戶和貧困戶的過(guò)程中，由項(xiàng)目所涉村民委員會(huì)召集村民代表商議制定評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格按照評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)村民代表大會(huì)民主推選，張榜公示無(wú)異議后，最終確定科技示范戶和貧困戶。二是在項(xiàng)目區(qū)醒目位置專門設(shè)計(jì)制作了世行貸款項(xiàng)目公示牌，將項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容、投資情況、融資結(jié)構(gòu)、貸款使用方向等具體內(nèi)容向項(xiàng)目區(qū)廣大人民群眾進(jìn)行公示。同時(shí)在村民居住比較集中的地方，設(shè)計(jì)制作了每村利用世行貸款項(xiàng)目情況公示牌，對(duì)科技示范戶、貧困戶和各戶具體貸款金額、將要實(shí)施的項(xiàng)目措施等進(jìn)行張榜公示。

4 3cm-T/R組件設(shè)計(jì)制造工藝

末級(jí)攻放采用中國(guó)電科集團(tuán)某所的兩只型號(hào)GaAs功率管和加工的Wilkinson功分合成器組成，此功率管具有高功率輸出（Pout=40.0dBm@8.5GHz ~10.5GHz）、高增益（Gain=26dB@8.5GHz ~10.5GHz）、高效率（ηadd=35%）以及高集成內(nèi)匹配等優(yōu)點(diǎn)。另外控制芯片采用該所的SW292，其他芯片也全部利用該所產(chǎn)品，LTCC基板是同其他研究所合作代加工完成，準(zhǔn)備好后采用如下工藝[6]進(jìn)行安裝。

4.1 芯片安裝

針對(duì)3cm-T/R組件來(lái)說(shuō)，裸芯片貼裝有兩種方式：共晶焊接和導(dǎo)電膠粘接。共晶焊接就是通過(guò)金錫焊料將裸芯片焊接于芯片載體上，裝配時(shí)基板相應(yīng)位置開(kāi)孔，芯片載體再通過(guò)其他方式固定于盒體底部；導(dǎo)電粘接就是通過(guò)導(dǎo)電膠將裸芯片粘接于基板表面，導(dǎo)電膠粘接不利于散熱且沒(méi)有焊接好。針對(duì)我們X波段高功率T/R組件來(lái)說(shuō)，末級(jí)功放是發(fā)熱較大的功率器件，所以主要采用280℃的共晶焊接。而一般小功率（如驅(qū)動(dòng)功率放大器）、小信號(hào)（如低噪聲放大器）、控制類器件（如移相器、衰減器和開(kāi)關(guān)等）均可采用導(dǎo)電膠粘接。

4.2 電路互連

圖4 電路焊接

如圖4，末級(jí)放大電路互連時(shí)，芯片采用金絲熱壓焊，而基板之間的互連以及芯片電容與基板之間的互連都采用金絲球焊，為了改善微波傳輸性能，射頻輸入輸出金絲應(yīng)該盡量短，盡量使用兩根金絲互連；電源饋電旁路電容離芯片距離應(yīng)盡量短；大電流饋電焊點(diǎn)應(yīng)采用兩根或三根金絲，以防單根金絲過(guò)流熔斷；饋電焊點(diǎn)可以采用金絲球焊，能夠增加金絲的可靠性，射頻傳輸采用金絲壓焊性能更好。

5 3cm-T/R組件的測(cè)試與分析

圖5為3cm-T/R組件實(shí)物圖。根據(jù)分析，Wilkinson功分合成器的插損為0.6dB，得到輸出功率達(dá)17.5W，而實(shí)際制造中考慮到加工工藝水平，結(jié)果要差一些。而對(duì)于組件的輸出功率完全可以達(dá)到14W。表1為3cm-T/R組件測(cè)試結(jié)果，接收系統(tǒng)的增益大于25dB，噪聲系數(shù)小于4dB，駐波小于1.5，移相精度為5°（RMS），衰減精度0.6°（RMS）。

圖5 3cm-T/R組件實(shí)物圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了3cm-T/R組件的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其制作樣機(jī)并進(jìn)行了調(diào)試和測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明組件的各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，很好地解決了大功率和電磁兼容問(wèn)題。分析時(shí)的預(yù)計(jì)結(jié)果比測(cè)量的結(jié)果要好些，主要是少考慮了通過(guò)環(huán)形器和穿墻的損耗。我們今后將對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，如進(jìn)一步縮小體積、減少插損和提高隔離度等等，將來(lái)研制的方向是將所有芯片直接設(shè)計(jì)在同一塊LTCC基板上并能達(dá)到高性能的3cm-T/R組件。

［1］M.Adolph, U.Hackenberg, R.Reber, et al..High-precision temperature drift compensated T/R-Module for satellite based SAR applications[C].European Microwave Conference Proceedings,2005. 813-816.

［2］P.Schuh,R.Leberer,H.Sledzik,et al.. Advanced High Power Amplifier Chain for X-band T/R-Moudles based on Gan MMICs[C]. European Microwave Conference Proceedings,2006. 241-244.

［3］張琦，蘇東林，張德智. 基于LTCC多層基板的X波段T /R組件小型化設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，1（3）：55-57.

［4］王周海，李雁. X波段雙通道T/R組件的LTCC基板電路的設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2005，3（5）：301-305.

［5］Guillermo Gonzalez著，白曉東譯. 微波晶體管放大器分析與設(shè)計(jì)（第二版）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.288-294.

［6］清華大學(xué)《微帶電路》編寫組. 微帶電路[M]. 北京：人民郵電出版社，1976. 209-214.

［7］姜偉卓，嚴(yán)偉，謝廉忠. LTCC多層微波互連基板布局布線設(shè)計(jì)及制造技術(shù)[J]. 電子工藝技術(shù)，2000，21（2）：81-83.