T/R组件核心技术最新发展综述(一)

吴礼群，孙再吉

(南京电子器件研究所，南京 210016)

0 引言

以固态T/R组件为核心的有源相控阵(AESA)技术在雷达、电子战、制导武器和通信等领域都得到了广泛应用。固态有源相控阵雷达具有快速电扫描、数字波束形成和空间功率合成等优点，可同时完成预警、跟踪、制导和火力控制等多种功能，具有非常强的多批目标处理功能，是现代作战体系依赖的先进装备。迄今为止，各种地面防空、舰船防御、导弹制导、炮位侦察、机载火控和靶场测量等普遍采用了有源相控阵雷达技术。无论是何种用途的有源相控阵雷达，其每个或数个辐射单元后均接有一个固态T/R组件，一部有源相控阵雷达，少者需几十数百，多则要成千上万个T/R组件，T/R组件的性能直接决定了雷达整机的各项指标，可见T/R组件是固态有源相控阵雷达的核心。

GaAs微波单片集成电路(MMIC)技术和微波多芯片组件(MMCM)技术成为有源相控阵雷达T/R组件发展的关键技术。随着以SiC和GaN为代表的第三代半导体器件和电路的发展及新的MMCM技术的应用，将会使有源相控阵雷达用T/R组件构成及功能产生质的飞跃。

1 T/R组件及其核心技术

T/R组件是现代雷达和电子战系统最关键的组成部分，因此美国DARPA/MTO十分重视对新一代有源相控阵(AESA)T/R组件使然技术的研发，在近几年中相继推出 WBGS－RF、ABCS、SMART、ISIS－CTD 和 SWIFT等诸多计划［1］。

2005年执行的宽禁带半导体－射频(WBGSRF)计划旨在研发高功率、高效率的GaN基MMIC，以此来推动雷达系统进一步降低功耗，延长工作寿命和简化组件的散热系统。该计划第二阶段的目标是解决SiC衬底GaN HEMT器件的可制造性、成品率和可靠性等问题，该阶段的目标在2008年4月份已全面实现，特别是器件可靠性得到了有效解决，为工程化应用奠定了基础，其中Raytheon/Cree团队实现的可靠性指标150℃结温下MTTF 1×107小时，Northrop Grumman团队实现了 MTTF 1.9×109小时。2009年～2010年是计划的第三阶段，该阶段的目标是研发SiC衬底GaN MMIC T/R组件。计划最终实现目标是:工作时间超过106小时，工作温度达150℃，而输出功率退化小于1 dB的GaN T/R组件。

根据目前的报道说明第三阶段是由Triquint公司领导的，该计划至少到2010年5月还在进行，其成果在2011年的国际微波会议上也有所披露。Triquint公司除了进行该计划外，还接受了2009年开始实施的NEXT计划的合同。一般认为，NEXT计划是WBGS—RF计划的继续。通过NEXT计划的实施，有望利用GaN材料，把RF和混合信号电路的性能提升到更高层次，包括有源混频器，D/A、A/D转换器，直接数字合成器等，进一步推动新一代T/R组件技术的发展。

1.1 MMIC 技术

美国DARPA MMIC计划的成功执行，给军用微波系统产生了划时代的影响。而推动MMIC技术的关键因素是:① 晶片、外延生长和离子注入等材料技术的进步，GaAs、InP和GaN等一代又一代半导体材料的应用与开发;② 光学光刻、远紫外光刻和电子束光刻等光刻技术的发展促进了微细加工技术的进步;③ 成熟的GaAs MESFET、HEMT和HBT技术提供了各种高性能的有源器件;④表征有源器件和无源器件的模型，以及微波电路CAD的开发;⑤ 先进封装技术和在片测试等支撑技术的开发应用。

1.1.1 功率放大器MMIC

功率放大器MMIC在T/R组件中的主要功能是将信号电平进行放大，达到预定的单元发射功率电平。为了同时满足高功率和高效率的要求，电路中的器件特别是末级器件多工作在非线性状态。MMIC功率放大器在T/R组件中是公认的最关键的电路，其关键指标为功率、效率、带宽及工作电压等。对T/R组件可靠性影响最大的也是功率放大器MMIC。

目前国外研发生产PA MMIC产品比较知名的公司主要有MA/COM、TriQuint和UMS等公司。TriQuint公司在国际上属于领先地位，尤其在宽带大功率方面有多款性能领先的功率放大器芯片。TriQuint公司推出的一款X波段的功率芯片TGA9083最为典型:频率范围 6.5 GHz～11 GHz，最大输出功率大于9 W，效率40%。M/A-COM公司最近推出的产品MAAPGM 0079-DIE，频率范围7.5 GHz～ 10.5 GHz，输出功率大于 17 W，效率30%［2］。

1.1.2 低噪声放大器MMIC

低噪声放大器用在T/R组件中主要作用是将接收到的微弱信号进行放大。噪声系数是其最重要的性能指标，对系统的接收灵敏度产生影响。通常接收系统中的低噪声放大器电路中的器件处于线性工作状态。

就相控阵雷达而言，动态范围和工作频段指标对多任务系统极为重要。在亚毫米波成像焦平面技术(SWIFT)项目中，验证了InP器件的特征频率大于500 GHz。该项目的目标是开发出50 mW的信号源，以及在340 GHz频率下，噪声系数(NF)小于8 dB的LNA MMIC;LNA MMIC目前的水平是工作频率为270 GHz，增益为11.5 dB。研发人员将进一步降低LNA MMIC的噪声系数、提高动态范围和提高工作频率，有助于研发的T/R组件适用于极小的移动平台［3］。

1.1.3 移相器MMIC

在AESA体制中，为大量辐射单元提供不同相位的微波信号。在T/R组件中主要有三种移相器设计方案。①用PIN开关二极管实现的数字式移相器;②用MMIC实现的数字式移相器;③ 用矢量调制器实现的移相器。

MMIC移相器产品的主流工艺加工技术为0.5 μm PHEMT 和 0.25 μm PHEMT 技术。0.25 μm PHEMT技术具有较低的开关插入损耗和较高的频率性能，0.5 μm PHEMT技术具有较低的成本。N位数控移相器采用N位电路级连的方式排布，按控制提供步进为(360°/2N)的2N种状态的相移量。数控移相器的主要技术指标有:位数、工作频带、相移精度、插入损耗、各态幅度变化和电压驻波比等。诺·格公司曾演示过一种垂直集成的8 GHz 3D MMIC移相器，采用了一种共有7层金属层的5层苯并环丁烯(BCB)工艺。这种多层技术与该公司的0.15 μm GaN HEMT技术完全兼容，使得MMIC实现超小型化，显著减小了MMIC的尺寸和成本。这一技术的重要优点是实现了保持高隔离度的3D MMIC的垂直集成组件［4］。

采用MEMS开关技术来实现低损耗移相器MMIC也是当前的发展趋势之一。用MEMS开关取代固态开关的移相器，其性能得以大大改善。RF MEMS移相器的损耗在任一频段下都很小，比同类固态移相器至少小3～7 dB。这意味着T/R组件中可减少一个或两个放大级。

1.2 MMCM 技术

微波毫米波多芯片组件(MMCM)是为满足相控阵雷达T/R组件小型化需求而逐步发展和成熟起来的一种新型组装技术。微波T/R组件对小型化有着严格的要求。随着雷达工作频率的不断提高，波长越来越短，必须减小T/R组件的截面尺寸。如X波段T/R组件的截面尺寸必须控制在十几毫米量级甚至更小。微波T/R组件的小型化取决于两大关键技术:一是成熟的固态MMIC技术，二是组装n个MMIC的MMCM封装技术。

1.2.1 LTCC 多层基板

LTCC在所有微波多层互连基板技术中是最成熟的，在MMCM中也是使用最频繁的一种技术，主要用于高速、高频系统。采用生瓷片为基板材料，以导浆料丝网印刷成走线和填充层际互连通孔。布线完成后的生瓷片逐层堆叠、热压，然后在气体中烧结。

共烧陶瓷多层基板的发展非常迅速，其重点是低温共烧陶瓷型。共烧陶瓷多层基板将来的应用领域主要为:高频应用、新型陶瓷材料、埋置无源元件、细间距互连和热控制技术。

在未来几年，LTCC无源器件的高密度集成将进一步快速发展，由数百乃至数千个无源器件构成的毫米波无源集成器件，如X波段的128单元的平面天线阵等。细线技术也将成为共烧陶瓷的发展趋势，未来的目标是使导电带的宽度和间距小于25 μm。随着细线技术的发展，这个目标将会达到。未来军事系统中要求的共烧陶瓷多层基板能工作在40 GHz～60 GHz的高频范围内，LTCC材料很快能达到此要求。

LTCC技术可以应用于制作滤波器、压控振荡器(VCO)、功率放大器、锁相环路(PLL)和天线等。

1.2.2 微波高密度互连(MHDI)

MHDI技术是在20世纪80年代末由美国Lockhead Martin公司与GE公司联合开发的一项关于聚酰亚胺/金属薄膜多层(TFML)互连系统的实用化研究，研究的初衷是用薄膜工艺的多层互连来替代早期MMCM中的金丝连线，从而提高互连密度并具有可重复性和可生产性。20世纪90年代初、中期趋于成熟，具有高成品率、低成本和无引线键合的特点。

在MMCM的互连技术中主要采用倒装芯片(FC)和微波高密度互连(MHDI)技术。所谓“芯片朝上”(face up或chip first)，还是“芯片朝下”(face down或chip last)的讨论，其实质是以MHDI为代表的芯片朝上工艺与FC为代表的芯片朝下工艺的讨论。

FC和MHDI两种技术的比较，在热特性方面，MHDI的芯片直接置于热通孔上，再加上使用AIN多层陶瓷，其导热性能肯定比FC好;而认同FC的科技人员认为，芯片发热区是在表面，芯片朝下可不通过导热较差的GaAs材料而直接通过金或银凸点到达基板。在对比实验中，“朝上”的GaAs芯片中结温上升了14.9℃，而“朝下”的仅上升8.9℃。在可生产性方面，FC占优势。FC是基板和芯片分离的工艺，直到后道才将它们装为一体，可以控制各自的成品率，而提高组件的成品率。

MHDI技术可看作为MMCM的专用芯片互连技术，一般不用于单芯片模块。MHDI的特殊性在于互连电路和安装基板在空间上分离了。芯片首先贴装在基板上，基板主要完成支撑和散热作用。互连电路是在众多芯片表面上逐层制作的，所以又称为“芯片先行(chip first approach)”。

2 T/R组件发展中的新技术

由于 T/R组件的关键性作用，DARPA/MTO十分重视对新一代AESA T/R组件使然技术的研发，所涉项目从器件、材料到封装无所不包。从器件材料来讲，重点是第三代(宽禁带)半导体器件和MMIC的研发，以实现新一代高功率、高效率的MMIC。其工作频率、带宽都将比目前的 GaAs MMIC有大幅提升，并能有效降低功耗。在封装方面，主要是研发新型圆片级异构集成(heterogeneously integrated)技术，该技术可将不同的子阵列合成在一起，且不影响系统性能。DARPA/MTO各项目的研发战略可归纳为两点:① 大幅提高单个器件、MMIC的技术水平，使各类T/R组件发生革命性变化;②研发新的集成方案，在提高性能的同时使体积、重量和成本方面取得突破。

近几年来DARPA/MTO推出了多项计划支持三维圆片集成T/R组件的研发，采用高度集成的多功能模块形成可缩放的子阵，进而实现更大规模阵列和低成本小型阵列。在 MTO的相关计划中，WBGS－RF计划目的是研发高功率、高效率的SiC基GaN器件和芯片;ISIS－CTD计划的目的是超低功耗ABCS材料及其LNA的研发;SMART计划的目的是研究T/R组件自身集成技术和T/R组件与天线阵列的集成技术，这些集成技术将进一步促进T/R组件内的异构集成，已有MMIC间的圆片级规模集成(如，将GaN PA、ABCS LNA与InP ADC的集成)。SWIFT计划的执行促进InP器件及芯片的研发，使低成本毫米波阵列和更高频率阵列成为可能;COSMOS计划的目的是实现多种化合物半导体器件与VLSI CMOS器件集成，在单个芯片上实现更为复杂的电路，该计划也将推动WIS技术的发展，而异构集成电路的实现大大拓宽了集成电路的应用范围［5］。

2.1 GaN微波功率器件

目前全世界GaN功率MMIC的研究主要集中在X波段、毫米波及宽带等热门应用上。

2007年美国TriQuint半导体公司研发了一种在微波毫米波频率实现高功率、高附加效率和低噪声的AlGaN/GaN HEMTS。该器件以SiC材料为衬底，采用0.25 μm栅长的凹槽栅结构。在10 GHz、20 GHz和35 GHz下分别获得的功率附加效率为62%、57%和47%。在10 GHz、30 V偏压下的功率附加效率是67%，功率增益为11.3 dB，功率密度为5.6 W/mm。该器件在26 GHz下的噪声系数为1.4 dB，在 18 GHz时为 1.0 dB。从各种性能看，与迄今报道的GaAs PHEMT相当，但在相同频段上的输出功率密度是PHEMT器件的4～5倍［6］。

采用宽禁带GaN和SiC MMIC芯片可使T/R组件的功率增加1个量级。GaAs T/R组件被5～10倍于其功率的GaN或SiC T/R组件所替代，有利于提升现有AESA的性能［7］。

2011年国际微波会议上Triquint团队所在的BAE公司报道了DMS 328-2(DFP)型号，工作在2～20 GHz的超宽带GaN功率MMIC，该功率MMIC性能指标为:输出功率最大值21.6 W、最小值16.0 W，功率附加效率最大值35.7%、平均值25.9%。2～20 GHz超宽带GaN功率MMIC的研制成功使得2～20 GHz超宽带GaN T/R组件的研制成为可能，也充分展示了GaN HEMT在超宽带、大功率应用中的广阔前景［8］。

此外，2011年9月日本富士通实验室在互联网宣布，该实验室已经成功开发出号称世界第一枚覆盖C～Ku波段的采用GaN HEMT技术的T/R组件。该组件的特征是输出10 W的功率，可以在C～Ku波段(即6 GHz～18 GHz)的带宽内工作。

2.2 RF－MEMS技术

MEMS在相控阵天线中的应用有多种，其中之一是用MEMS实现移相器的相移功能和实现宽带相控阵雷达要求的实时延迟线(TTD，true time Delay)或时间延迟单元(TDU，time delay unit)。由于MEMS工艺是一种基于微机械(micro machine)的技术，所以可以融合到3D MMIC之中［9］。MEMS在相控阵天线及其他RF电路中的应用是MEMS开关及移相器、低损微带传输线、微机电天线(MEM－tenna)和相控阵可重构天线等。

2.2.1 MEMS 开关器件

通过DARPA的RF MEMS改进项目的赞助，美国Radant MEMS公司研发了一种采用悬臂梁的三端器件。这种器件采用全金属、表面微切削加工工艺在高阻硅基片上制成。完整的模片尺寸仅为1.5 mm2，包含一大小为 100 μm ×50 μm 的 MEMS。模片的大部分被传输线、键合片和压顶占用。所取得的一项重要成就是在晶片大小的气密封装中封装这些开关，要做到既满足低成本和气密性要求，又要使其射频性能的影响最小。该公司的低频MEMS开关在50 Ω系统中的典型串联插损在10 GHz时为0.25 dB。其他 MEMS开关的工作带宽很宽，1.5 mm2模片内单个 MEMS开关在 DC至40 GHz范围内的插损小于 0.5 dB。海军研究实验室(NRL)用Radant MEMS公司的这种开关在18个月连续可靠性测试中完成了9000多亿次开关循环测试［10］。

2.2.2 相控阵可重构天线

可重构天线是MEMS的另一重要研究项目。基于MEMS的可重构天线亦称为可重构孔径，DARPA支持可重构孔径(RECAP)项目的目标有:① 演示电子可重构天线概念的可行性;②动态自适应改变天线方向图;③实现大于倍频程的带宽覆盖。动态地、自适应地改变相控阵天线的方向图是提高雷达与目标环境、杂波环境、电磁环境匹配的关键。至于实现大于倍频程的带宽覆盖则是实现多波段雷达的关键。这些都是雷达研究的前沿课题［11］。

可重构天线孔径研究项目的一个重要目的是提高相控阵雷达的信号带宽，随着工作信号频率的大范围变化或信号频段的变化，天线单元的拓扑图形也应随之发生变化。

在RECAP项目中另一个重要课题是超宽带天线(UWB percolating antenna)设计。承担该项目的是GTRI。其目标是研制宽带可重构天线的核心技术与集成方法，包括超宽带砂滤型天线设计，磁激活的MEMS开关。宽频带地平面与光子禁带结构等关键技术，并要建立一个用于信号侦察与卫星通信的可重构天线孔径，它的工作频段覆盖范围应从0.8 ～12 GHz扩展至0.2 ～30 GHz。

2.2.3 盒式结构MEMS阵列天线

盒式结构阵列并非是一个新概念，实际是大家熟知的一个列线阵(也可以是一个行线阵)，每个列线阵包括多个天线单元，实验中为8个天线单元，每一天线单元有一个MEMS移相器，因此这一列线阵可以在仰角方向进行相控扫描;每一个列线阵包含一个T/R组件，在发射工作状态下，T/R组件中固态发射机的输出功率经功率分配网络将发射信号分配给列线阵中的各个单元。多个盒式列线阵组装在一起，构成整个天线。这种天线系统实际上是子天线阵级别上的有源相控阵天线系统，其中移相器的开关、T/R组件中的放大器、天线单元、微波功率分配网络等均是用大规模集成电路工艺集成为一个整体。

盒式结构的行线阵的多层结构约为0.25英寸(1英寸=25.4 mm)，多层结构的底层是T/R组件层，由下而上分别为射频微带分配网络层、无源与有源阵列天线单元层和阵列保护层。这是一种“瓦片式阵列(tile array)”多层结构，各层叠加在一起构成一个完整的线阵系统。

2.3 共形天线阵列［12］

共形天线阵列是当前天线技术中最重要的发展之一，将对有源相控阵雷达、电子战和通信等领域产生深远的影响，同时对平台的设计也将带来一次革命。

目前已尝试在飞机的机翼上蒙上X波段的天线阵列，也正在研究其他频率的阵列，如 VHF、UHF、S、X、Ku和Ka等波段。由于考虑器件对高功率微波攻击的易损性，设计者采用GaN材料制作T/R组件的HPA和LNA。

共面组装T/R子阵的概念导致圆片规模集成(WSI)，而WSI的成功关键在于大面积下的高成品率，且圆片生产阶段必须完成密封保护工艺。

美国空军正在进行的共形天线项目主要有两项，一是“结构一体化X波段阵列(SIXA)”项目，另一个是“传感器飞机共形低波段天线结构(SCLAS)”项目。

SIXA项目中雷声公司和波音公司都将独立设计并制造出长20英尺(1英尺=0.3048 m)的共形天线，作为飞机机翼的一部分，在约3平方英尺的范围内安装有源器件。S－CLAS项目是为美国空军研究实验室的传感器飞机设计共形阵列，诺·格公司将在传感器飞机的大型机翼上研制一个由25个单元组成的UHF结构一体化阵列。在两个项目中都在研究机翼弯曲对阵列性能的影响及弯曲补偿技术。