C波段高集成高功率GaN T/R模块研究

李小春

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



C波段高集成高功率GaN T/R模块研究

李小春

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

采用ADS软件仿真设计了一种基于GaAs小信号单片微波集成电路(MMIC)、GaN大功率MMIC和多层复合介质板的C波段小型化发射/接收(T/R)模块，实现了微波信号的放大、收发控制、数字幅相控制及+28 V高压电源调制的一体化，具有小体积、轻量化、低噪声、高功率、高效率等特点。TR模块尺寸为33 mm×65 mm×10 mm，在C波段实现指标为：发射功率50 W，功率附加效率28%，接收增益37 dB，噪声系数3 dB。

GaN功放芯片；单片微波集成电路；发射/接收模块

0 引 言

多年来，国内外硅(Si)、砷化镓(GaAs)固态功放技术发展日益成熟，其高功率输出条件下的高效率问题比较突出[1-2]。而在雷达、通信、遥控遥测等应用领域中又需要高功率、高效率、小型化、高击穿电压特性的器件[3]。GaN器件具有高击穿场强、高截止频率、高功率、高热导率、高电子迁移率等特点，为满足这一高性能器件的设计提供了可能[4]。

随着技术的进步和人们对电子设备小型化的需求，印制电路板(PCB)的导线互连密度不断提高，PCB也从最初的单面到双面发展到现在的多层板[5]。层与层之间的电气互连则一般通过金属化的通孔、盲孔或埋孔来实现，具有工期短、成本低等优势。

本文介绍的C波段小型化收发模块，基于多层复合介质板工艺技术，采用自主研发的GaN功放芯片，在33 mm×65 mm×10 mm的小体积范围内实现了发射功率大于50 W，功率附加效率大于28%。在缩小体积的同时，实现了模块的低成本、小型化。

1 TR模块设计

模块由电源与微波两大部分组成，分别布局到盒体的上层和下层腔体，之间的互联采用键合引线进行垂直互联。微波通道部分包括接收支路和发射支路。发射支路实现信号的相位控制、功率放大输出，接收支路实现信号的低噪声放大、数字幅相控制等功能，并且集成了大功率限幅器以防止发射泄露信号烧毁前级低噪放和提高模块的抗烧毁能力。电源部分实现稳压、滤波、储能、电源调制等功能[6-7]。

在选材方面微波通道部分的所有元器件,电源部分除阻容元件及个别二极管外均选用无封装芯片，以实现模块的小型化。

1.1 TR模块原理

小型化TR模块原理图如图1所示。进入模块接收通道的射频信号经过环形器、高功率限幅器、低噪声放大器、收发切换开关、数控移相器后输出。发射信号通过移相器、驱动放大器、隔离器和功率放大器后经环形器输出，隔离器起到前后级匹配，提高级间隔离，防止自激的作用。

图1 TR模块原理图

使用Agilent公司的ADS电路系统仿真软件对收发链路进行系统仿真。射频链路微带线采用RT5880作为基板，相对介电常数2.2，损耗角正切0.000 9。仿真电路中用到的有源器件S参数模型采用器件厂家提供的S参数模型，环形器的S参数通过测试获得。在仿真中加入微带键合线模型，通过仿真优化设计合理的匹配电路，在接收通道获得增益最平坦响应，发射通道获得最高效率响应。

1.2 TR模块制作

小型化TR模块控制电路采用6层PCB板，射频链路基板选用RT5880，电源及控制基板选用FR4材料，采用回流焊工艺将其烧结到盒体上。电源控制板采用多层混压板，对控制电路进行高密度布线，并对表面进行镀厚金处理，与微波链路的电连接通过键合工艺实现。控制电路中所用的CMOS电路芯片直接粘结到PCB基板上，与表贴器件进行高密度混合装配。

射频小信号GaAs MMIC芯片通过过渡层直接粘结在盒体上。大功率GaN芯片先将其烧结到热膨胀系数与其相匹配的载体上，再通过螺钉紧固到盒体上。射频端口为可拆卸SMA接头，内部绝缘子和J30J微矩形控制接口高温烧结到盒体上。如图2所示为C波段小型化TR模块实物照片，模块尺寸为33 mm×65 mm×10 mm。

图2 C波段小型化TR模块实物照片

2 仿真测试结果对比

C波段TR模块发射通道小信号增益曲线如图3所示。设计频带内仿真测试增益保持一致，吻合较好。

图3 发射小信号增益曲线

发射通道输出功率随频率变化曲线如图4所示。设计频带内仿真测试发射功率基本保持一致，吻合较好。

图4 发射输出功率随频率变化曲线

发射通道功率附加效率随频率变化曲线如图5所示。设计频带内仿真测试发射功率附加效率趋势保持一致，吻合较好。

图5 发射输出功率随频率变化曲线

接收增益随频率变化曲线如图6所示。设计频带内仿真测试结果保持一致，吻合很好。

图6 接收增益随频率变化曲线

接收噪声系数随频率变化曲线如图7所示。设计频带内仿真测试噪声系数保持一致，吻合较好。

图7 噪声系数随频率变化曲线

3 结束语

本文采用ADS系统仿真软件仿真并设计制作

了一款小尺寸的C波段高功率GaN TR模块。仿真结果和实测结果吻合较好。

该模块采用GaAS小信号芯片、GaN 大功率芯片和多层复合介质板，在极小的体积内实现了预期技术指标，提高了模块的集成度，顺应了当代产品的小型化高集成的趋势，能为类似产品的小型化设计提供参考。

[1] HAUHE M S，WOOLDRIDGE J J.High density packaging of X-band active array modules[J].IEEE Transaction Components,Packaging,and Manufacturing Technology,1997,4(3):672-679.

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[3] SCHUH P,SLEDZIK H,REBER R,et al.GaN MMIC based T/R-module front-end for X-band applications[C]//European Microwave Integrated Circuits Conference Proceedings,2008:274-277.

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[5] 胡明春,周志鹏,严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].北京:国防工业出版社,2010:287-309.

[6] 高勇，王绍东.采用LTCC技术的X波段接收前端MCM设计[J].现代雷达，2008,30(5):106-108.

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Study of C Band High Integration & High Power GaN T/R Module

LI Xiao-chun

(The 13th Research Institute，CETC,Shijiazhuang 050051，China)

This paper uses ADS software to simulate and design a C band miniaturization transmit/receive (T/R) module based on GaAs small signal monolithic microwave integrated circuit (MMIC),GaN large power MMIC and multilayer composite medium board,which realizes the integration of microwave signal amplification,T/R control,digital magnitude and phase control,high voltage +28 V modulation,takes advantage of small volume,light weight,low noise,high power and high efficiency.The size of T/R module is 33 mm×65 mm×10 mm,and the module can realize: transmitting power 50 W，power additional efficiency 28%，receiving gain 37 dB,noise coefficient 3 dB at C-band.

GaN power amplifier chip；monolithic microwave integrated circuit；transmit/receive module

2016-03-24

TN803.5

B

CN32-1413(2016)04-0110-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.024