3cm-T/R组件的研制

李俊生

（盐城师范学院物理科学与电子技术学院，江苏 盐城 224002）

1 引言

近年来，随着电子技术的发展，对现代有源相控阵雷达的要求越来越高，而T/R组件[1-2]是构成有源相控阵雷达的核心部件之一，因此对T/R组件的各个性能[3-4]提出了更高的要求。同时微电子技术和MMIC电路的发展为T/R组件的设计提供了良好的基础，当前组件技术的发展趋势是在利用HTCC、LTCC等多层微带基板的基础上，集成一片或数片多功能MMIC电路，再经过微电子互连而成。而这种组件具有体积小、重量轻、性能指标高、一致性好的特点。

通常情况下，在数量相同的一组T/R组件中合成发射功率越大，其雷达照射的范围也就相应越大，所以研究高功率T/R组件也就显得非常重要。因此在T/R组件设计时，最关键的部分是功率放大模块。该组件通常运用了混合集成电路（HMIC）和多芯片组装（MCM）相结合的技术。运用其LTCC基板，根据现有的制造工艺，设计出了一种平衡放大器作为发射通道的末级功放模块，该平衡放大器是利用两只功率放大器裸芯片以及一个Wilkinson功分合成器组成的，其最终效果是提高了输出功率。

2 T/R组件的原理与组成

T/R组件原理框图如图1所示。在发射通道，由激励信号源送来的信号送入组件发射通道，经过功率放大器使信号放大后反馈至天线辐射单元；在接收通道，从天线受到的微弱信号经接收通道传到接收机。

图1 T/R组件原理框图

组件接收通道包括限幅器、低噪声放大器和数字衰减器。在组件发射期间，若天线有很大的功率反射，此时限幅器能起到保护低噪声放大器的作用。组件发射通道包括T/R开关、数字移相、驱动功率放大、末级功放和环形器。而末级高功率放大模块为下文重点介绍的。

控制电路部分包括数字移相器、数字可变衰减器、数字开关和驱动控制芯片。为了设计需要运用了正向和反向的环形器，其中一个当作隔离器使用，另外一个作环形器使用。对于电源部分，因为组件发射功率器件为GaAs器件，其必须要先加负压（Vgs），后加正压（Vds），加负压保护电路就行。

3 3cm-T/R组件的设计思路和过程

设计3cm-T/R组件时，考虑最关键的部分就是末级功放模块，因此本文将对末级功放部分展开详细探讨。

3.1 设计思路

设计一个Wilkinson功分合成器[5-6]，采用两个10W功率放大器裸芯片进行合成，组成一个平衡放大器。Wilkinson功分合成器采用了二等分功分器。因为信号在输入功分器的输出端是同相位的，所以注入放大器1之前的信号和放大器2之后的信号需要相移，将其中的一臂增加了λ/4的线长，其目的在于，如果两个放大器有驻波反射回来时，信号沿功分合成器两臂都在电阻R处会聚，并且刚好在R处相抵消。

3.2 Wilkinson功分合成器的设计与仿真

基于现有的工艺水平，我们选用的导体为金，其厚度为0.01mm，由于LTCC基板的工艺精度不佳，插损比较大，故利用陶瓷作为介质，其介电常数εr=9.9，厚度为0.635mm，损耗角正切值为0.006。通过软件HFSS仿真，可以计算出两段50 Ω的线宽W1=0.6mm，70.7Ω的线宽W2=0.023。电阻选为100Ω的薄膜电阻，如图2。

图2 Wilkinson功分合成器仿真设计图

3.3 3cm-T/R组件的电磁兼容分析

T/R组件中存在着数字信号、模拟信号、微波信号、直流信号和脉冲信号等。因此，电磁兼容设计将是工程实现、联机调试中的难点，在设计阶段必须充分认识到电磁兼容性设计的重要性。

3.3.1 腔体效应

腔体效应是组件EMC设计中的一个重要环节，除了谐振频率和相应的Q值会导致组件的不稳定工作以外，腔体内部具体场分布特征也可能导致组件整体性能上的失败或成品率的下降。我们设计优化的目标是尽量降低腔体内部场分布强度。另外，在热耗严重的地方（末级功率放大模块）不能有高强度的场分布，末级功率放大器的抗失配比对整个支路的稳定性也有很大的实际意义。如图3所示，在末级放大模块恰恰有很高的场分布，我们解决的办法是加上吸波材料，它是解决腔体自激现象的有用途径。

3.3.2 电源完整性

电源的完整性设计对T/R组件的正常稳定工作至关重要，造成电源不稳定的根源主要在于两个方面，一是器件高速开关状态下瞬态交变电流过大，二是电流回路上存在的电感。

图3 腔体内部场分布图

通过改变T/R组件内部接地方式，尤其是LTCC内部接地方式，可以在多层布线结构要求和地平面阻抗之间找到平衡点，对各种电源之间进行地的隔离等来改善电源之间的干扰等。

3.3.3 收发隔离设计

保证组件发射支路和接收支路之间无干扰，采用收发电源分时工作保证收发之间完全隔离。

T/R组件的发射通道和接收通道虽然分时工作，但在收发转换时，T/R开关的隔离度降低，收发之间形成回路，容易产生振荡，收发开关存在一定的开关时间，脉冲前沿时没有将接收支路完全关断，而接收支路已经部分连通，也使得收发通道形成回路，产生振荡。这在单独测试发射通道或接收通道时不会出现，只有在收发转换时才会发生。解决的方法是将T/R开关错开一定的时间，使得一个通道完全关断后再打开另一个通道，这样就不会发生振荡。

为有效避免暗箱操作，开县增加世行贷款项目建设的透明度，针对项目特点和要求，切实加强了公示制建设力度。一是在确定科技示范户和贫困户的过程中，由项目所涉村民委员会召集村民代表商议制定评选标准，并严格按照评选标准，经村民代表大会民主推选，张榜公示无异议后，最终确定科技示范户和贫困户。二是在项目区醒目位置专门设计制作了世行贷款项目公示牌，将项目建设内容、投资情况、融资结构、贷款使用方向等具体内容向项目区广大人民群众进行公示。同时在村民居住比较集中的地方，设计制作了每村利用世行贷款项目情况公示牌，对科技示范户、贫困户和各户具体贷款金额、将要实施的项目措施等进行张榜公示。

4 3cm-T/R组件设计制造工艺

末级攻放采用中国电科集团某所的两只型号GaAs功率管和加工的Wilkinson功分合成器组成，此功率管具有高功率输出（Pout=40.0dBm@8.5GHz ~10.5GHz）、高增益（Gain=26dB@8.5GHz ~10.5GHz）、高效率（ηadd=35%）以及高集成内匹配等优点。另外控制芯片采用该所的SW292，其他芯片也全部利用该所产品，LTCC基板是同其他研究所合作代加工完成，准备好后采用如下工艺[6]进行安装。

4.1 芯片安装

针对3cm-T/R组件来说，裸芯片贴装有两种方式：共晶焊接和导电胶粘接。共晶焊接就是通过金锡焊料将裸芯片焊接于芯片载体上，装配时基板相应位置开孔，芯片载体再通过其他方式固定于盒体底部；导电粘接就是通过导电胶将裸芯片粘接于基板表面，导电胶粘接不利于散热且没有焊接好。针对我们X波段高功率T/R组件来说，末级功放是发热较大的功率器件，所以主要采用280℃的共晶焊接。而一般小功率（如驱动功率放大器）、小信号（如低噪声放大器）、控制类器件（如移相器、衰减器和开关等）均可采用导电胶粘接。

4.2 电路互连

图4 电路焊接

如图4，末级放大电路互连时，芯片采用金丝热压焊，而基板之间的互连以及芯片电容与基板之间的互连都采用金丝球焊，为了改善微波传输性能，射频输入输出金丝应该尽量短，尽量使用两根金丝互连；电源馈电旁路电容离芯片距离应尽量短；大电流馈电焊点应采用两根或三根金丝，以防单根金丝过流熔断；馈电焊点可以采用金丝球焊，能够增加金丝的可靠性，射频传输采用金丝压焊性能更好。

5 3cm-T/R组件的测试与分析

图5为3cm-T/R组件实物图。根据分析，Wilkinson功分合成器的插损为0.6dB，得到输出功率达17.5W，而实际制造中考虑到加工工艺水平，结果要差一些。而对于组件的输出功率完全可以达到14W。表1为3cm-T/R组件测试结果，接收系统的增益大于25dB，噪声系数小于4dB，驻波小于1.5，移相精度为5°（RMS），衰减精度0.6°（RMS）。

图5 3cm-T/R组件实物图

6 结语

本文介绍了3cm-T/R组件的设计方案，对其制作样机并进行了调试和测量，测试结果表明组件的各项指标基本达到设计要求，很好地解决了大功率和电磁兼容问题。分析时的预计结果比测量的结果要好些，主要是少考虑了通过环形器和穿墙的损耗。我们今后将对此进行改进，如进一步缩小体积、减少插损和提高隔离度等等，将来研制的方向是将所有芯片直接设计在同一块LTCC基板上并能达到高性能的3cm-T/R组件。

［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］张琦，苏东林，张德智. 基于LTCC多层基板的X波段T /R组件小型化设计[J]. 现代电子技术，2007，1（3）：55-57.

［4］王周海，李雁. X波段双通道T/R组件的LTCC基板电路的设计[J]. 雷达科学与技术，2005，3（5）：301-305.

［5］Guillermo Gonzalez著，白晓东译. 微波晶体管放大器分析与设计（第二版）[M]. 北京：清华大学出版社，2003.288-294.

［6］清华大学《微带电路》编写组. 微带电路[M]. 北京：人民邮电出版社，1976. 209-214.

［7］姜伟卓，严伟，谢廉忠. LTCC多层微波互连基板布局布线设计及制造技术[J]. 电子工艺技术，2000，21（2）：81-83.