一种宽带多通道瓦片式T/R 组件的研制*

郝金中，张 瑜，周 扬

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄050051)

1 引 言

T/R 组件是相控阵雷达最关键最基本的单元，包括发射通道、接收通道和公共通道。相控阵雷达小尺寸和轻量化设计必然要从缩小每个T/R 组件的体积入手。瓦片式技术将组成T/R 各功能的芯片和其他器件集成在一个模块内，使传统的“砖块式”T/R 的体积大大缩小，大大加快了T/R 组件小型化、轻重量的进程，因此进行瓦片式T/R 组件的研究和开发是十分必要的。

国外开展瓦片式T/R 组件研究较早。文献［1］介绍了一种采用多层AlN 基板、倒装单片微波集成电路芯片(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)、毛钮扣实现的瓦片式T/R 组件，工程应用在X 频段性能较好，但毛纽扣需要较好的精确对位和组装，占用空间较大，且不利于生产过程中的返修。国内瓦片式T/R 组件研究起步较晚，对于瓦片式T/R 组件整体研制中的各项技术难题和工艺实现过程，国内可循的文献相对较少。文献［2］提出了一种使用小端口脊波导来实现瓦片式T/R 组件的子阵集成，以8 个组件为例进行子阵电路布局设计，未涉及瓦片式T/R 组件的关键技术。文献［3－6］研究了瓦片式T/R 组件的关键技术之一垂直互联技术，使用了毛纽扣、锡球拟同轴结构、夹层互联技术等模型。本设计中的瓦片式T/R 组件工作在X～Ku 频段，工作频率高、带宽宽，对尺寸要求更加严格，上述模型存在高频宽带内微波性能、装配返修、尺寸、散热等各式问题，不能满足设计要求或不适用于批量生产的加工返修。

针对上述分析，本文利用现有成熟工艺技术条件，提出了一种高集成T/R 组件三维立体组装方法，在较宽频带内(6 GHz)性能优越，易于装配和维护，更适合于工程应用。为提高集成度，组件同时也使用了多功能MMIC 芯片技术、多芯片组装(Multi－chip Module，MCM)等技术。文中详尽介绍了该瓦片式组件实现的各项关键和难点技术，为保证组件工作的长期可靠性，针对盒体结构进行了热分析仿真和密封性设计。经测试，组件各项性能指标满足用户的使用要求。

2 关键技术及难点实现

该瓦片式T/R 组件采用分层结构，将多个通道相同功能的芯片或电路集成在不同的平面上，然后采用垂直互联技术实现电器和射频信号的连通。另外，为充分节省空间并减小装配难度，采用集成度高的多功能芯片和多芯片组装技术，也是实现瓦片式T/R 组件的关键之处。

2.1 三维垂直互联技术

对于瓦片式T/R 组件三维集成微波电路来说，形成三维结构的关键在于如何实现各平面微波电路间的垂直互联［7］。垂直互联是指三维模块中的电源、接地及层间射频信号所需的互联。互联既要保证微波信号的完整性，又要具有结构简单的特点。本文研制的T/R 组件在有限空间范围内经过合理的结构设计和巧妙的电路布局，使用了两个平行的层面，完成了信号的接收和发射功率辐射。下面分别介绍该T/R 组件的低频信号和微波信号的垂直互联方式。

由于组件通道数较多，低频接口包括电源、控制、天线信息等多个信号，对于低频信号的垂直互联，为了提高组件的集成度，设计上选用信号可以上下连通的多层基板来实现。组件外部接口将电源和控制信号引入到组件以后，通过键合的方式将该类信号全部加到组件的一个平面上，该平面使用多层电路板。通过多层电路板的内部走线，在另一个层面需要低频信号引入位置的垂直背后，将盒体该位置局部挖空，利用环氧板上的多个通孔，将需要的信号过渡到盒体另一个层面，如图1所示。同样也使用键合的方式，将信号加到该层面需要的位置。

图1 T/R 组件剖面模型Fig.1 Profile module of T/R

考虑到微波垂直互联的连续性，射频传输时的路径要与腔体、低频信号做好充分的屏蔽和隔离，避免因辐射引起的各种信号干扰。电路上采取合理布局，结构上采取分腔设计，保证电路的稳定性。

通过上述分析，结合实现的空间和装配难度，射频信号的垂直互联采用定制的穿墙绝缘子，绝缘子与上下层面的电路板使用焊锡焊接相连。绝缘子的孔径和长度、焊接的焊锡量，均对射频性能产生影响。使用三维电磁仿真软件HFSS 对该结构模型进行分析和优化，确定了穿墙绝缘子的外形尺寸。

图2为使用绝缘子实现二维微波多芯片层面垂直互联的三维仿真模型图和单独测试绝缘子的差损结果，去掉与矢网连接的接头差损为0.4～0.5 dB，在工作频带内，绝缘子的差损和平坦度均在0.5 dB以内。

图2 绝缘子仿真模型及测试结果Fig.2 Simulation module and test result of insulator

该结构微波信号垂直互联的绝缘子占用平面空间为直径2 mm的孔径，每个低频信号互联占用直径0.4 mm的孔径，较毛纽扣等其他目前已经开发的垂直互联方式所占空间更小，且在高频、宽带组件中性能更加优越，成本低，装配容易，且给返修提供了便利［8］。

2.2 多功能芯片技术

单芯片实现多功能微波电路是T/R 组件技术的发展趋势，高度的集成化可以显著提高一致性，降低成本，缩小体积，增加可靠性，从而提高整体的系统性能。使用多功能芯片后，射频链路除了多通道的功分器芯片外，只用了3 个芯片便实现了信号的收发。

该T/R 组件所使用的多功能芯片集成了以下电路功能:单刀三掷开关、6 位移相器、6 位衰减器、收发放大器、串并转换电路、开关驱动电路、均衡电路，其原理框图如图3所示。

图3 多功能芯片原理框图Fig.3 Circuit schematic of multifunctional chip

2.3 MCM 多芯片组装技术

瓦片式T/R 组件功能比较复杂，含有的芯片比较多，要在很小的体积内实现射频信号的收发、控制，需要先进的多芯片组装技术，将元器件通过合理的结构布局，形成三维立体结构，以减小模块的尺寸［9－10］。

同一年，湛江农垦被列入广东省人大水库移民议案资金扶持范围，此后，水库移民扶持政策在红湖逐步落实。目前，农场职工住房已达3000多栋，其中95%是两层以上的砖混楼房，职工居住环境面积大大改善。

本文介绍的T/R 组件包含的功能比较复杂，既有高频微波电路又有低频调制电路;装配工艺复杂，包含多种薄膜、厚膜微组装工艺;所用基板包括多层环氧板、微波电路板等，确保精细线条的加工和多层布线的可靠性。在组装方面，优先考虑成熟的工艺路线，并严格按照工艺文件的要求进行加工。合理安排装配工艺温度梯度，避免工艺过程中的二次熔融问题。

该T/R 组件分为上下两个平行的层面，对于不同层面的电路板和器件，不仅要考虑温度梯度的顺次装配，由于盒体尺寸较小，且上下开腔仅能从盒体壁进行传热，因此要考虑在器件烧焊过程中如何能使器件充分熔融。

3 热分析

瓦片式T/R 组件的热设计是贯穿于研制全过程的重要环节，通过选取材料、器件，采取合理的工艺措施，把元器件产生的热有效地传导出盒体，确保发热量较大的功率器件的结温或者最高温度工作在允许的温度范围内，使热源布局均匀，避免局部热源集中。完成热设计后，利用ANSYS 等有限元分析软件建立分析模型，进行热仿真，再通过试验进行验证。该T/R 组件选用热导率比较高的无氧铜盒体和介质基板材料，通过电路的热设计降低半导体芯片的结温，可以比较好地改善电路的可靠性。

通过热分析仿真，组件在发射通道工作时的芯片结温在100℃左右，远远小于GaAs 芯片最高结温为175℃。

通过仿真分析结果可以看出，该组件提出的三维结构解决了通常三维互联方式存在的连接空间和缝隙造成散热困难的问题，在小尺寸空间内散热性能良好，符合长期工作可靠性的要求。

4 密封性设计

瓦片式T/R 组件功能比较复杂，含有的芯片比较多，并且有需要铝丝键合的铝压点芯片，对环境的密封性要求比较严格。通过平行缝焊工艺研究，解决了瓦片式T/R 组件的密封性问题，提高了瓦片式T/R 组件的环境适应性。

由于无氧铜盒体材料不适用于平行缝焊，在盒体设计时，在盒体上下盖板处的盒体边缘焊上一圈可伐环，盒体整体镀金。可伐环的厚度要求在0.3 mm以上，才能满足缝焊要求。通过密封试验，该方法满足组件的密封要求。

5 研制结果及性能分析

基于以上的设计分析，成功研制出X～Ku 频段瓦片式T/R 组件，已经过与整机的联机测试，并已通过高低温验证。常温主要指标为:功率27 dBm，效率18%;接收通道增益28 dB，噪声系数小于4 dB;6 位移相，6 位衰减，精度较高。尺寸为41.8 mm×8 mm×8.2 mm，质量为13 g。图4为组件产品外形图。

图4 组件实物Fig.4 Photo of the module

图5为组件接收增益和发射功率的变化曲线。从图中可以看出，组件的增益大于28 dB，输出功率大于27 dBm。研制结果表明，该多通道瓦片式T/R组件较可循文献中相同频段组件更具结构尺寸上的优势，在高频、更宽频带内性能优越。表1给出了通常三维结构与本设计的对比分析。

图5 测试曲线Fig.5 Test results

表1 不同互联方式对比分析Table 1 Contrastive analysis of different interconnections

6 结束语

本文介绍了一种瓦片式T/R 组件的实现，提出了一种新的高集成T/R 组件三维立体组装方法。组件性能优越，较“砖块式”T/R 组件，在结构尺寸和质量上约为1/6，大大减小了雷达尺寸，使高性能共形有源相控阵成为可能，顺应了军事电子产品具有高性能、小型化、轻重量等特点的应用需求［11－12］，具有较高的指导意义，将有力地促进我国系统级微波集成电路技术的发展。后续工作将在整机中继续验证组件使用的长期可靠性。另外，对于其他频段和更大输出功率的瓦片式T/R 组件，将进行一系列的专题研究，赶超国际先进水平。

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