一种基于SIP技术的多通道L波段T/R组件设计

徐海飞，蒋福生，杨 阳，任恒志，马 涛，沈 涛

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000）

0 引 言

有源相控阵技术如今在雷达系统、电子对抗、武器精确制导及通信技术等领域有着广泛的应用。特别是在雷达领域，有源相控阵雷达的波束指向灵敏迅速，能够实现预警搜索、跟踪定位、精确制导及无源探测等多种功能，具有较强的多目标接战能力、良好的抗干扰性能以及较高的可靠性，是现代军事领域中重要的武器装备[1]。而有源相控阵的每个天线单元都设置有一个收发（Transmitter and Receiver，T/R）组件，T/R组件的性能直接影响着雷达的性能。目前传统的MMIC混合集成（2D平面）T/R组件已成熟运用于各雷达和通信系统中，但随着雷达系统和微波通信的发展，小型化多通道L波段T/R组件的研制已迫在眉睫，其要求T/R组件体积越来越小、功能集成化越来越高，传统的MMIC混合集成T/R组件已然不能满足使用要求[2]。而基于系统级封装（System in Package，SIP）技术的L波段多通道T/R组件具有体积小、重量轻、集成度高等突出特点，必将得到广泛运用。

本文研制的基于SIP技术的多通道L波段收发组件，适用于L波段有源相控阵雷达系统。L波段T/R组件实现了发射300 MHz中频率上变频至1.2～1.4 GHz、滤波、放大、数控衰减、功率放大至50 W输出以及接收L波段信号预选滤波、限幅、放大、数控衰减、下变频、中频放大滤波输出300 MHz 中频信号等功能。验证产品实现了发射输出功率大于47 dBm，接收增益60±1.5 dB，噪声系数优于 3 dB，杂散优于60 dBc，通道隔离度优于50 dB。仿真设计和试验样品的测试结果验证了该设计方案的合理性和工程实用性。

1 设计方案及实现

1.1 方案设计

本文设计的基于SIP技术的多通道L波段收发组件由3个部分组成，分别是12路T/R通道、本振放大功分电路、电源调制及接口控制电路。其中，收发射频电路为一路发射上变频电路和两路接收下变频电路，电源调制及接口控制电路主要实现收发电源调制功能以及实现SPI串并转换功能。组件实现原理如图1所示。

图1 基于SIP技术的多通道L波段T/R组件原理框图

12路TR通道的设计原理完全相同，将小信号收发变频电路采用SIP技术进行小型化集成设计，单通道工作原理如图2所示。T/R通道主要由收发变频SIP、GaN功放、环形器、大功率滤波器以及中频滤波器等电路组成。

图2 L波段T/R组件单通道原理框图

发射时，直接式数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）产生功率为-5 dBm的300 MHz中频信号，经中频带通滤波抑制带外杂散，再经L波段收发变频SIP放大滤波后与本振信号LO混频后输出1.2～1.4 GHz的L波段射频信号，再经过带通滤波、数控衰减、射频放大后推动GaN功率放大器。GaN功率放大器功率增益大于35 dB，饱和输出功率大于100 W，功率附加效率大于50%。该信号经环形器以及带通滤波器抑制谐杂波后输出，端口输出功率大于60 W。发射通道设计有6位 0.5 dB步进的数控衰减器，最大衰减31.5 dB，满足发射功率程控要求。

接收时，从天线接收到的1.2～1.4 GHz的L波段射频信号通过天线进入T/R组件，首先经过带通滤波器抑制带外干扰信号，随后通过环行器后进入限幅低噪放，放大滤波后与本振信号LO混频后输出300 MHz中频信号。接收通道设计有6位 0.5 dB步进的数控衰减器，最大衰减31.5 dB，满足接收动态扩展要求。

T/R通道中的L波段收发变频电路采用SIP技术设计实现，通过采用新工艺和新材料，突破了微组装技术的关键工艺，实现多基板的三维垂直互联，实现了高密度、小型化集成。L波段收发变频SIP封装形式采用BGA表贴外壳，完全气密设计，其体积尺寸为22 mm×16 mm×4.5 mm，相比传统收发变频模块，其体积尺寸减少90%以上，外形尺寸对比如图3所示。

图3 L波段收发变频SIP与传统变频模块对比

SIP技术以器件级的封装实现组件级的功能，可大幅降低系统装备的体积和重量，同时还有利于产品可靠性的提升和封装的小型化[3]。三维集成SIP技术是电子设备向微系统方向发展的重要技术途径。

电源调制及接口控制电路主要实现GaN功放上下电时序控制、+28 V功放漏极电源调制以及+5 V 电源调制功能，其次还利用FPGA实现串并转换功能，配合离散线完成T/R通道工作状态控制等功能，电路原理如图4所示。

图4 电源管理及接口控制电路原理框图

1.2 关键技术指标分析

1.2.1 接收链路技术指标分析

接收链路包括滤波器、环形器、限幅低噪声放大器以及L波段收发变频SIP等组成，如图5所示。T/R接收通道主要的性能指标如表1所示。

图5 T/R接收通道链路框图

考虑到接收通道大线性动态范围及低噪声需求，选用了一款具备耐高功率、低噪声和高增益的限幅低噪放，增益可达28 dB以上，噪声系数最差为1.2 dB。按照链路方案，整个链路级联后，通道工作增益为60.8 dB，噪声系数为2.42 dB，输入P_1为-47.8 dBm。按照射频链路级联分析得到了接收通道噪声系数理论值为2.42 dB，依据实际工程经验，高温下噪声系数会有所恶化,约为0.4 dB，全温范围内小于3 dB。

1.2.2 发射链路技术指标分析

发射链路包括L波段收发变频SIP、GaN功率放大器、环形器及滤波器等，如图6所示。T/R发射通道主要的性能指标如表1所示。

表1 T/R接收通道指标

发射链路由L波段收发变频SIP及高增益的GaN功率放大模块构成，整个发射通道增益可达55.6 dB。由图6所示的链路增益分配图可知，当发射激励信号输入为-5 dBm，发射支路的末级放大器工作在饱和状态，并且发射通道链路增益能够保证在高温工作状态下使末级GaN芯片饱和输出，后级滤波器、环行器、连接器的损耗按照1.2 dB统计，则末级输出功率为48.8 dBm。末级高增益功率模块的功率附加效率可达到54%以上。

图6 T/R发射通道链路框图

发射脉冲功率要求在200 μs宽脉冲下顶降在1 dB以内。影响输出功率顶降的主要因素包括电源功率、储能电容容量[4]。一般而言，对于脉冲调制工作机制，采用高容量的储能电容来保证瞬时脉宽内提供大电流以满足顶降要求，可通过以下公式计算得出发射储能电容容量：

表2 T/R发射通道指标

式中：P为发射功率，t为发射脉宽，U为工作电压。

取工作电压U=28 V，发射峰值电流I=6.6 A，发射脉宽t=100 μs，如果单纯依靠储能电容来保证单通道发射脉冲顶降，则储能电容为至少需要490 μF 电容容量，这在现有规定的T/R通道体积内难以实现装配，需要整机+28 V电源模块能够提供较高的功率来保证，此外要求电源模块具备较快的响应速度。

发射输出脉冲前后沿主要由电源调制的速度决定。L波段收发SIP内的GaAs放大器件采用 +5 V供电，根据实际工程经验，其调制速率比较快，上升和下降沿可控制在50 ns以内。GaN功率器件工作在+28 V，工作电压较高并且工作电流大，采用专门研制的高速高压功率PMOSFET驱动器集成电路单片，可实现+28 V电源上升和下降沿在80 ns以内，满足指标要求的100 ns。

1.3 关键射频电路工作原理和设计

1.3.1 T/R组件工作时序设计

T/R通道中的放大器工作于A类或者AB类，增益较高，由于T/R收发通道形成了一个闭环回路，如图7所示，对于闭环回路就会存在不稳定的可能。若T/R收发通道发射控制上升沿与接收控制下降沿存在时序交叉，则收发通道的放大器同时工作，整个链路器件增益会达到Gain=21+36-20+28+34=99 dB。

图7 T/R通道收发链路同时工作时的环路状态

由于整个T/R通道的尺寸较小，在较小的尺寸范围内形成正反馈，环路总增益大于1，会导致整个收发通道的自激振荡，特别是在高低温工作时，较强的自激振荡可能导致GaN功率放大器件 烧毁。

因此，为解决T/R通道工作稳定性，提高整个工作周期内的收发隔离度，必须在发射期间关断接收通道，在接收期间关断发射通道，并且收发时序严格不交叉[5]。收发时序控制如图8所示。

图8 T/R通道收发时序

1.3.2 SIP关键电路设计

L波段收发变频SIP设计的关键技术是垂直互联。SIP的核心是元器件芯片与元器件高密度组装互联，尺寸减小。目前，平面的组装密度已经达到理论极限值。而SIP将MCM沿垂直方向堆叠互连，可以获得更大的组装密度，实现系统的小型化。 L波段收发变频SIP采用BGA焊球垂直互连技术，传输信号的BGA焊球与周围接地焊球形成了一个类同轴结构，因此只要合理设计传输信号的BGA焊球与周围接地焊球的间距和排布，就可实现BGA焊球对微波信号的连续传输。SIP内部垂直互联仿真如图9和图10所示。

图9 SIP内部垂直互联仿真模型

图10 SIP内部垂直互联仿真模型仿真结果

1.4 PCB设计与结构设计

T/R通道中的L波段收发变频SIP采用BGA封装，T/R组件采用微波多层复合介质基板来实现一体化集成设计。微波电路、低频控制电路、电源电路以及数字电路等共用一块电路板，可有效实现微波电路小型化[6]。同时，由于SIP内部电磁屏蔽良好，可有效解决高密度T/R组件内部的电磁兼容问题。T/R组件采用12层微波复合多层板，采用RO4350B板材，板间采用半固化片进行压合粘接，板厚2 mm，PCB层叠如图11所示。

图11 12层微波复合多层电路板叠层设计

L波段多通道T/R组件采用金属屏蔽腔体结构形式，腔体和盖板均采用5A06系列防锈铝合金材，金属屏蔽腔体本身具有很高的屏蔽效能。但由于屏蔽结构盖板与腔体、连接器与腔体之间有缝隙的存在，使得模块屏蔽结构的屏蔽效能大大降低。因此，为提高屏蔽结构的屏蔽效能，减少电磁泄漏，根据实际情况减小盖板螺钉间距，缩小盖板与腔体间缝隙的尺寸，使盖板与腔体形成低阻抗连续通路，且对TR通道设计双层盖板屏蔽设计提升通道隔离度。T/R组件的结构尺寸为500 mm×86.5 mm×22 mm，结构如图12所示。同时，T/R组件对天线射频口采用小型化SMP连接器，对数字处理中频口采用射频毛纽扣集成连接器。

1.5 T/R组件测试结果

根据以上设计方案，制作了基于SIP技术的多通道L波段收发组件样品，实物如图11所示。利用功率计、信号源、频谱分析仪及脉冲调制器对L波段多通道收发组件的性能进行了测试，测试结果如表3所示。

图13 研制L多段多通道T/R组件实物

表3 L波段多通道T/R组件主要性能指标测试结果

研制产品的发射峰值功率、脉冲顶降、脉冲上升沿与下降沿、增益、噪声系数、杂散抑制、通道相位差稳定度以及隔离度等指标实测数据与预期结果一致，满足工程应用的功能需求和技术指标要求。

2 结 语

本文设计了一种新型、基于SIP技术的小型化、集成化多通道L波段T/R组件，经测试，满足预计的电性能指标要求。SIP技术为有源相控阵雷达 T/R组件小型化提供了一条解决途径，将该方法加以工程应用，能够解决T/R组件难以小型化的问题，更好地满足相控阵雷达等系统的要求，同时根据SIP技术可拓展性特点，后续可根据具体链路的需要，满足更加复杂的系统使用，在缩减T/R组件尺寸的同时，可极大地优化T/R组件的性能指标。