一种P波段小型化表贴型T/R组件研制

刘建勇 陈兴国

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

随着雷达载荷在气球、飞艇、天基等平台的逐渐发展，天线孔径越来越大，有源通道数目越来越多，但受到平台对雷达载荷重量和体积近乎苛刻的限制，要求雷达系统尤其是相控阵雷达中装机量最大的核心部件收发(T/R)组件要尽可能的轻量化、小型化。而传统的砖块式收发组件一般采用完整的金属盒子作为封装壳体以满足气密性和屏蔽的要求，其重量受到在盒体尤其是底座重量的制约；并且其接口需要采用高频、低频连接器，通过电缆组件或转接器实现与天线、馈电板的互连，需要占用额外的重量和空间。因此，在某些应用场合下传统的收发组件形式已经不能满足雷达载荷的应用需求。

本文给出了一种P波段的小型化表面贴装式雷达T/R组件的实现形式，可有效解决气球、飞艇载、天基等平台上雷达T/R组件在体积、重量、安装方式、馈电方式等方面的瓶颈问题。

1 组件电路设计

1.1 组件组成

图1给出了P波段T/R组件的组成框图，主要包含发射通道、接收通道、驱动控制、电源调制等4个部分组成[1]。核心电路主要包括多功能芯片、串转并控制芯片、功率放大器、低噪声放大器、限幅器、预选滤波器、射频开关、电源调制电路、电源管理电路等。

本组件的主要技术指标设计要求如下：

工作频率400～450MHz；

发射输出功率≥3W；

组件效率≥30%(占空比10%)；

噪声系数≤6dB(含预选滤波器)；

接收增益≥20dB。

图1 P波段T/R组件原理框图

1.2 射频核心电路设计

T/R组件的一个核心功能就是要完成收发通道的幅相调节，因此其内部需包含数控移相器和数控衰减器等。SiGe材料由于衬底的良好热导率、与传统成熟的Si工艺兼容、具有良好的噪声性能和较低的功耗、成本较低等特点[2]，近年来广受重视。我们自主开发一款SiGe多功能芯片，其集成开关、放大器、移相器、衰减器等功能于一体，提高了芯片集成度。该芯片采用0.18μm SiGe工艺设计，经过装架测试：接收增益12.3±0.5dB、噪声系数小于2.9dB、端口驻波比小于1.5、接收P-1压缩点输出功率大于-5.2dBm；发射增益29.7±0.5dB、发射P-1压缩点输出功率大于20dBm，可以满足本组件的使用要求。

发射电路的关键是末级功率放大器的设计。采用LDMOS功率管，利用EDA仿真设计工具ADS软件对输入输出匹配电路进行了仿真设计[3]，仿真优化后的输入、输出匹配电路如图2和图3所示。依据设计的匹配电路，我们单独对功放电路进行了装配和调试；由于我们无法获得该LDMOS功率管的准确大信号模型，故仿真仅是对其输入输出阻抗进行匹配仿真，因此在调试过程中需对匹配电路中的电容和电容参数进行微调，但仿真仍在匹配电路拓扑结构、器件参数选择方面具有指导意义。在如下条件进行测试：栅压+2.43V(脉冲调制、10%占空比)，漏压+12.5V，输入功率20dBm；实测的输出功率大于3.5W，在10%占空比工作时功放效率大于56%，如图4所示，实测指标表明实现T/R组件发射链路技术指标有较大裕量。

图2 功放输入匹配电路

图3 功放输出匹配电路

图4 功放电路实测指标曲线

限幅器是接收链路中一个重要器件，其作用是保护接收通道器件，我们采用三节并联PIN二极管芯片实现了一款P波段限幅器[4]，其实物照片与测试曲线如图5所示，实测结果表明其具有良好的性能指标：输入输出驻波小于1.45，插入损耗小于0.45dB，限幅电平小于5.5dBm。

图5 限幅器实物照片及实测曲线

低噪声放大器芯片选用CMOS工艺实现的裸芯片，其实物照片及实测曲线如图6所示，该芯片接收增益大于17dB，噪声系数仅不到1.1dB。

图6 低噪声放大器实物照片及实测曲线

1.3 电源电路设计

T/R组件内部需要多种电源品种，包括LDMOS功率管栅压+2.43V及漏压+12.5V、多功能芯片+3.3V、逻辑控制电路的+5V和-5V，为了减少电源品种数量以利于简化电源接口设计和组件内部电源完整性，将本组件对外的接口电压减少到三种，即+15V、+5V、-5V，其他所需电源品种均由DC/DC变换产生。在组件内部，+12.5V电压由+15V通过线性稳压器件产生；+3.3V、+2.43V两种电压均由+5V通过线性稳压器件产生，二者采用相同的电路通过调整外接精密电阻的阻值来改变输出电压。

本组件同时还设计了一种先进的可级联馈电方法，即收发组件同时设置了电源和控制信号的输入和输出的接口，在天线阵面上多个收发组件可级联使用，极大简化了阵列化使用时电源和控制信号的布线方式。

2 表贴型封装设计

为满足T/R组件小型化、轻量化的需求，本组件采用一种表贴型封装设计方式，即利用基板即封装技术，直接将用于器件装载和电路布线的基板作为封装的一部分，在基板上焊接环框从而形成一体化的盒体，在基板下表面开腔并焊接引线作为信号接口；盖板与围框采用平行封焊来实现器件的气密封装。这样设计无连接器的接口技术，使用引线作为射频、电源和控制信号的对外输入、输出接口，免去了使用连接器、电缆组件进行转接额外带来重量和体积的增加，同时也省去了组件盒体的底座，实现了小型化、轻质的封装形式。因而收发组件具有类似器件、表面贴装的特点。

本组件的封装实现形式示意图见图7所示，在基板选择方面，由于功率放大器需要考虑散热要求，选择氮化铝陶瓷多层基板作为底板是目前设计最佳选择。氮化铝陶瓷是一种新型的高导热基板和封装材料，具有高的热导率、低的热膨胀系数、低的介电常数和低的介质损耗、高的机械强度、无毒等特点，能够实现电性能、热性能、机械性能的一体设计优化，能够实现腔体、多层布线、过孔互连、气密封接等结构。

图7 表贴式T/R组件封装示意图

封装材料的选择主要考虑热膨胀系数、导热率方面，同时要考虑材料的强度、加工性能、气密性能等；本组件采用钛合金(TC4)的围框，Kovar盖板的设计方案；射频输入输出和低频馈电方式都采用Kovar引线。

3 研制结果

依据前述对T/R组件电路和封装的设计，研制出P波段T/R组件，实物如图8所示。其典型实测指标如图9所示，可见接收增益大于23dB，噪声系数小于5.8dB(含预选滤波器)，移相精度(RMS)小于1.3°，衰减精度(RMS)小于0.2dB，端口驻波小于1.7，输入1dB压缩点大于-25dBm，输出功率大于3.4W，发射效率大于35%；图10给出了输出功率和接收增益高低温测试指标相对常温的变化曲线，可见发射功率低温-40℃下增大0.9dB左右、高温+50℃减小0.5dB左右；接收增益低温-40℃下增大约2.5dB左右、高温+50℃减小约1.2dB；满足本项目需求；对于增益的温度特性有严格要求的情形可考虑在链路中加入温补衰减器以实现良好的增益温度稳定性。该组件的尺寸为40mm×25mm×4.8mm，重量小于10g，达到了小型化、轻量化的设计目标。

图10 输出功率和接收增益高低温变化曲线

4 结束语

本文给出了一种小型化、表贴型雷达T/R组件

的电路设计方法和封装实现形式。该T/R组件利用基板即封装、引线作为馈电接口、多组件可级联技术，实现直接表面贴装在天线面板上的安装方式，大幅度降低了组件的体积和重量，具有小型、轻质、类器件式的特质；通过电路仿真优化设计，其性能指标满足研制要求，已在某预警监视雷达中得到了应用。