趙青

一種Ka頻段瓦片式TR組件子陣集成方案?

趙青

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

提出了一種Ka頻段瓦片式TR組件子陣集成方案，采用多層電路技術(shù)、內(nèi)層帶狀線功分器、優(yōu)化脊波導(dǎo)口徑、同型端口集中分布等手段大幅提高集成度，采用高可靠性小截面脊波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)模塊間高性能垂直互聯(lián)。給出了TR組件子陣電路布局設(shè)計(jì)，對(duì)小截面脊波導(dǎo)傳輸特性、脊波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡和集成功率分配網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵無(wú)源電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明其性能和尺寸滿足Ka頻段TR組件子陣集成要求。

有源相控陣；TR組件；Ka頻段；垂直互聯(lián)；無(wú)源電路

1 引言

按組裝方式進(jìn)行劃分，二維有源相控陣天線TR組件可分為磚塊式和瓦片式兩種結(jié)構(gòu)［1］。近年來(lái)，磚塊式結(jié)構(gòu)在有源陣列中得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠浼夹g(shù)成熟度高，電路設(shè)計(jì)及組裝容易實(shí)現(xiàn)。但其子陣集成度低、縱向尺寸大，不利于共形；散熱路徑長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)大型陣列應(yīng)用并保證TR組件長(zhǎng)期可靠工作。而瓦片式TR組件技術(shù)難度大，單元尺寸更小，必須采用高密度集成技術(shù)（HDI）和小型化、高性能高可靠射頻垂直互聯(lián)。但瓦片式TR組件可以采用整體液冷散熱，具有優(yōu)良的散熱能力，子陣集成度高，在降低TR組件成本、減小體積尺寸、減輕設(shè)備重量方面具有優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列。隨著集成化程度的逐步提高，瓦片式TR組件有望在現(xiàn)有小型化磚式TR組件基礎(chǔ)上體積減小20%～80%。由于z向尺寸大幅縮減，熱路徑縮短，散熱效率也相應(yīng)提高，具有更高可靠性。文獻(xiàn)［2］提供了磚瓦兩種結(jié)構(gòu)TR組件在體積、重量、成本等幾方面的詳細(xì)對(duì)比。

未來(lái)幾年，隨著自動(dòng)化微組裝技術(shù)的普及，瓦片式TR組件由于集成度更高、芯片布局更為規(guī)則，可一次性完成子陣模塊所有芯片的自動(dòng)化裝配，其生產(chǎn)效率將大大提升，因此，在批生產(chǎn)階段將具有更好的生產(chǎn)性。同時(shí)，瓦片式TR組件的低廓線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，便于天線實(shí)現(xiàn)共形設(shè)計(jì)，特別適合于在共形有源相控陣領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國(guó)在瓦式相控陣天線領(lǐng)域的研究開(kāi)展的最早，相關(guān)報(bào)道主要集中在系統(tǒng)整機(jī)的研制［3］，而鮮有提及關(guān)鍵技術(shù)的具體設(shè)計(jì)。近年來(lái)，歐洲對(duì)該領(lǐng)域關(guān)注度提高，就瓦式相控陣天線TR組件的多功能專用芯片、垂直互聯(lián)技術(shù)、多層電路設(shè)計(jì)、子陣設(shè)計(jì)等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都有研究［4-5］。但這些解決方案目前多處于學(xué)術(shù)科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室階段，其中一些方案在工程應(yīng)用實(shí)際環(huán)境條件的工作效果有待驗(yàn)證。毫米波頻段由于工作波長(zhǎng)很短，對(duì)瓦式TR組件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、組裝各環(huán)節(jié)要求更高。毫米波瓦式TR組件的發(fā)展有賴于先進(jìn)制造業(yè)的配套發(fā)展。

本文提出的子陣集成方案，以目前國(guó)內(nèi)成熟的加工制造技術(shù)及組裝工藝為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以低成本、高可靠為目標(biāo)，采用脊波導(dǎo)保證信號(hào)垂直傳輸?shù)母呖煽炕ヂ?lián)。對(duì)子陣進(jìn)行合理的模塊劃分，并通過(guò)采用多層電路、在內(nèi)層設(shè)計(jì)功分網(wǎng)絡(luò)、同型端口集中布局等方式大幅提高電路集成度。

2 系統(tǒng)方案

2.1 半雙工Ka頻段TR組件功能及組成

半雙工TR組件需要實(shí)現(xiàn)接收低噪聲放大及發(fā)射功率放大，并以電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)收發(fā)切換。為提高集成度，一般采用雙向工作的移相器及衰減器做收發(fā)公共支路。通常一個(gè)TR組件集成2n個(gè)通道，以Wilkinson功分器實(shí)現(xiàn)各通道按比例功率分配及合成，常見(jiàn)為等功分；為降低副瓣電平，也有用不等功分來(lái)實(shí)現(xiàn)幅度加權(quán)的。針對(duì)具體指標(biāo)分配情況，可能還需要在功分合成網(wǎng)絡(luò)后加驅(qū)動(dòng)，功能框圖見(jiàn)圖1，虛線框內(nèi)為TR組件。

2.2 TR組件子陣集成方案

設(shè)垂直于天線口徑面為z向，瓦式TR組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求通道間距在x、y方向都嚴(yán)格受限于波長(zhǎng)的比值。若掃描角度60°，則單元間距在x、y方向均要求小于0.53λ。以中心頻率30 GHz的陣列天線為例，TR組件通道間距小于等于5.3 mm。對(duì)于瓦式TR組件，則要求通道面積小于等于5.3 mm×5.3 mm。在此范圍內(nèi)要實(shí)現(xiàn)收發(fā)放大、移相衰減等功能，即使采用高集成度專用芯片也可能無(wú)法完成電路排布。因此，需要把TR組件進(jìn)行模塊劃分。

以滿足性能指標(biāo)要求為前提，以設(shè)備盡量簡(jiǎn)單并具工藝可實(shí)現(xiàn)性為原則，劃分方式比較靈活?？砂垂δ苄酒M(jìn)行劃分，如所有的收發(fā)放大器劃分為一個(gè)模塊，移相衰減劃分為另一模塊。根據(jù)實(shí)際電路排布，本文按通道數(shù)劃分為兩個(gè)模塊，單行通道劃分為一個(gè)模塊，雙行劃分為另一模塊。兩模塊疊裝為一個(gè)完整TR組件，每個(gè)模塊的輸入或輸出接口穿過(guò)另一模塊，最終在頂層匯集為完整的對(duì)天線接口數(shù)，如圖2所示。

3 子陣電路布局設(shè)計(jì)

大規(guī)模及超大規(guī)模陣列，一般由小規(guī)模子陣構(gòu)成，如256陣列可由4個(gè)8×8子陣組成。子陣劃分要綜合各種因素，規(guī)模過(guò)大，可能會(huì)帶來(lái)某些電路加工困難、腔體結(jié)構(gòu)表面平整度降低等問(wèn)題；而規(guī)模太小，不僅組裝工作量增加，而且集成度也降低。本文以8×8通道數(shù)的子陣作為研究目標(biāo)。

圖3為8×8子陣兩模塊電路布局圖。圖3（a）所示模塊一與天線對(duì)接，包括8個(gè)輸入口、64個(gè)輸出口，其中32個(gè)為模塊二輸出信號(hào)提供到天線的傳輸通道；圖3（b）所示模塊二與模塊一對(duì)接，包括16個(gè)輸入口、32個(gè)輸出口，其中有8個(gè)輸入口為模塊一輸入（都對(duì)發(fā)射狀態(tài)而言）。兩模塊垂直組裝為一體后，對(duì)天線陣列接口如圖4所示。為提高集成度，每個(gè)模塊電路集成一分四功分合成網(wǎng)絡(luò)，輸入接口數(shù)減少為通道數(shù)1／4。

4 關(guān)鍵無(wú)源部件設(shè)計(jì)

4.1 Ka頻段脊波導(dǎo)垂直互聯(lián)

對(duì)于較低工作頻率，可采用同軸接插件等方式實(shí)現(xiàn)模塊間的垂直互聯(lián)。Ku頻段也采用BGA工藝實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)［6］。本方案采用脊波導(dǎo)互聯(lián)，以獲得低插損、高可靠性。脊波導(dǎo)壓縮波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)度，提高集成度。

對(duì)該過(guò)渡結(jié)構(gòu)加工參數(shù)進(jìn)行容差分析得到，在±0.02 mm的電路加工精度范圍內(nèi)，帶內(nèi)S11仿真結(jié)果均優(yōu)于-20 dB。

對(duì)組裝過(guò)程引入的各項(xiàng)誤差參數(shù)容差分析發(fā)現(xiàn)，垂直于寬邊方向的裝配誤差對(duì)過(guò)渡性能影響較大。根據(jù)波導(dǎo)短路面和輸入波導(dǎo)在垂直于寬邊方向的裝配誤差的容差分析結(jié)果，誤差取值在±0.05 mm以內(nèi)，帶內(nèi)S11仿真結(jié)果低于-20 dB。

脊波導(dǎo)垂直互聯(lián)具有較高容差性，加工及組裝公差并不會(huì)導(dǎo)致駐波大幅惡化，通道幅相一致性更易得到保證。對(duì)大規(guī)模陣列，這一點(diǎn)很關(guān)鍵。

4.2 平面集成功分合成網(wǎng)絡(luò)

圖5給出一分四功分網(wǎng)絡(luò)電路布局及場(chǎng)仿真結(jié)果。采用帶狀線Wilkinson功分器與芯片連接處過(guò)渡為微帶線。由仿真結(jié)果可看出，4個(gè)功分端口之間幅度一致性在0.1 dB以內(nèi)。出于電路布局的考慮，4個(gè)輸出端口接微帶線長(zhǎng)度略有差異，帶來(lái)8°相位差。通過(guò)相控陣天線校準(zhǔn)技術(shù)，這種固定相位誤差的影響可以去掉。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完整的TR組件由兩個(gè)模塊、共計(jì)4個(gè)金屬腔體及兩塊多層電路基板組裝而成，多層電路板與腔體壓合成形為一體，如圖6所示。

6 實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

6.1 單脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)測(cè)試

對(duì)基于脊波導(dǎo)的垂直互聯(lián)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡。結(jié)構(gòu)及仿真性能如圖7所示。

表1給出單個(gè)脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)變換背靠背結(jié)構(gòu)S參數(shù)測(cè)試結(jié)果?？鄢魞蓚€(gè)波導(dǎo)同軸過(guò)渡插損約0.9～1 dB，單個(gè)脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡測(cè)試件插損0.4 dB以內(nèi)。

6.2 四端口脊波導(dǎo)陣列到四端口標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)陣列變換及測(cè)試

為實(shí)現(xiàn)對(duì)TR組件每個(gè)通道電性能的獨(dú)立測(cè)試，除單個(gè)脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)變換，還須解決陣列脊波導(dǎo)測(cè)試問(wèn)題。圖8所示為4個(gè)脊波導(dǎo)組到四錯(cuò)位標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)變換，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)通道的單獨(dú)測(cè)量。其結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖9所示。

表2給出了四端口脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡的測(cè)試結(jié)果。扣除標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)同軸過(guò)渡的插損，脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡插損約0.5 dB，帶內(nèi)波動(dòng)0.3 dB以內(nèi)。

6.3 脊波導(dǎo)微帶過(guò)渡測(cè)試

分別對(duì)3片脊波導(dǎo)微帶過(guò)渡電路進(jìn)行測(cè)試，每片測(cè)試電路包含了4對(duì)背靠背過(guò)渡及一段微帶線，如圖10所示。長(zhǎng)微帶線約40 mm，短微帶線約30 mm，從上往下分別以No.1～No.4進(jìn)行編號(hào)?？鄢魷y(cè)試用波導(dǎo)同軸過(guò)渡（一對(duì)），脊波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡（一對(duì)）的插損實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。

7 結(jié)論

本文提出了一種基于小截面脊波導(dǎo)的Ka頻段瓦式TR組件子陣集成方案。本方案繼承了波導(dǎo)連接的高可靠性，同時(shí)又大幅提高了電路集成度。對(duì)關(guān)鍵無(wú)源部件的數(shù)值分析表明本方案具有良好容差性，這對(duì)保證陣列的通道間一致性極為關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真吻合。下一步在對(duì)無(wú)源電路進(jìn)一步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，還要解決有源高密度組裝后可能帶來(lái)的其他問(wèn)題。

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A Sub-array Integration Solution for Ka-band Tile-type TR Module

ZHAO Qing
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A new sub-array integration solution for Ka band tile-type TR module is proposed.By applying multilayer circuit technology，inner layer stripline power divider，section optimized ridge waveguide，same type ports centralized distribution，the circuit integration level is increased substantially.Low cross-profile ridge waveguide is employed as vertical interconnection between modules.Layout of sub-array circuit is provided. Passive components such as ridge waveguide transition and divider are modeled，simulated and demonstrated. The result shows that the size and performance of these passive circuits can fulfill the integration requirements.

active phased array；TR module；Ka-band；vertical interconnection；passive circuit

the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2004.She is now an engineer.Her research concerns R＆D of millimeter wave module.

1001-893X（2012）07-1155-05

2012-04-13；

2012-05-21

TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.022

趙青（1979—），女，四川瀘州人，2004年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事毫米波組件的開(kāi)發(fā)研究工作。

Email：qinglemon＠gmail.com

ZHAO Qing was born in Luzhou，Sichuan Province，in 1979. She