毫米波T/R子陣研究與設(shè)計(jì)

張　維，張均華

?

毫米波T/R子陣研究與設(shè)計(jì)

張維，張均華

（南京電子器件研究所，南京 210016）

介紹了毫米波T/R子陣的設(shè)計(jì)方法，給出減小陣面體積、提高陣面散熱能力、提高陣面可靠性和維修性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決方案。實(shí)際制作出一款Ka波段8×8通道T/R子陣。該T/R子陣具有頻段高、體積小、集成度高、電性能優(yōu)異、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可維修性強(qiáng)等特點(diǎn)。

毫米波；T/R子陣；大口徑相控陣；體積；散熱

1　引言

毫米波相控陣應(yīng)用前景廣闊，其綜合了毫米波和相控陣的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、快速、多目標(biāo)的搜索跟蹤，是現(xiàn)代雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展的重要方向［1］。但由于天線尺寸空間的限制，頻率越高，要求陣子間距越小，T/R組件尺寸越小，需要在有限的空間內(nèi)進(jìn)行合理的電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)進(jìn)一步提高陣面集成度，提升系統(tǒng)的綜合性能。同時(shí)，每個(gè)T/R組件都會(huì)產(chǎn)生熱耗，尺寸越小，天線陣面的熱功率密度越大［2，3］。長(zhǎng)時(shí)間的熱能聚集會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度升高，一旦高于芯片結(jié)溫，芯片將可能永久失效，散熱冷卻成為設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一款Ka波段8×8通道T/R子陣，每個(gè)子陣有1個(gè)射頻輸入激勵(lì)口及64個(gè)射頻輸出口，滿足毫米波相控陣電性能指標(biāo)、體積及散熱要求，并可方便地?cái)U(kuò)展出更大口徑的毫米波相控陣，有效降低了毫米波相控陣的設(shè)計(jì)難度。

2　子陣設(shè)計(jì)

2.1電路設(shè)計(jì)

T/R子陣由8只8通道模塊組成，其中8通道模塊由8個(gè)T/R通道、饋電網(wǎng)絡(luò)、脈沖調(diào)制電源等構(gòu)成。每個(gè)T/R通道內(nèi)包含五位移相器、五位衰減器、收發(fā)切換開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器以及功率放大器芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、幅度和相位調(diào)整功能，電原理圖見(jiàn)圖1。

圖1　T/R單通道電原理圖

接收支路由兩級(jí)低噪聲放大器、五位數(shù)控移相器、五位數(shù)控衰減器、開(kāi)關(guān)以及一分八功分網(wǎng)絡(luò)組成，考慮天線以及各種傳輸模式間轉(zhuǎn)換的插入損耗，預(yù)計(jì)接收支路的增益為15.8 dB，噪聲系數(shù)為4.1 dB。

發(fā)射支路由一分八功分網(wǎng)絡(luò)、移相器、衰減器、開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)放大器、高功率放大器等部分組成，考慮天線以及各種傳輸模式間轉(zhuǎn)換的插入損耗，預(yù)計(jì)發(fā)射支路飽和輸出功率約為26 dBm。模塊鏈路設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)對(duì)組件的電性能指標(biāo)要求。

8通道模塊采用LTCC基板封裝一體化設(shè)計(jì)方法，利用LTCC多層基板可實(shí)現(xiàn)微波電路三維信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，將LTCC基板既作為各類(lèi)信號(hào)及元器件的載體，又作為元器件封裝的外殼，在提高封裝密度、減小體積、減輕重量的同時(shí)，改善微波特性，提高可靠性［4］。

8只8通道模塊由一分八功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率分配或合成。常見(jiàn)饋線網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)體積巨大，顯然不能滿足毫米波相控陣的體積要求，且固定困難，易損壞或變形。采用微帶功分，由7只威爾金森功分器級(jí)聯(lián)而成，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。功分網(wǎng)絡(luò)集合口通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊后，經(jīng)微帶轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是子陣設(shè)計(jì)的重要部分之一，子陣結(jié)構(gòu)為組件提供一個(gè)良好的保護(hù)環(huán)境、支撐和安裝界面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下幾方面：體積、重量、安裝、散熱、接口位置和形式、環(huán)境適應(yīng)性。

在選擇子陣結(jié)構(gòu)材料時(shí)統(tǒng)籌考慮了強(qiáng)度、成本、重量、加工性、熱和電性能要求等方面綜合因素。由于子陣要求重量輕、傳熱快，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)所用材料能夠易于加工，選擇鋁作為主體材料。

制作功分盒體，實(shí)現(xiàn)功分網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)模塊、微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換以及控制信號(hào)與電源匯流板功能一體化設(shè)計(jì)，有效緩解布局壓力，體積僅為37mm×34mm×39mm。微波接口采用標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)口，控制信號(hào)和電源采用接插件，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)、控制信號(hào)、電源互相隔離。波導(dǎo)口與接插件位置分布合理，與后端連接時(shí)互不干擾。

將8通道模塊、天線單元與功分盒體連接，形成T/R子陣。子陣的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)子陣均具有獨(dú)立的安裝口，將其與陣面框架螺釘連接，即可快速拼裝形成大口徑面陣，降低了組陣難度，便于有源相控陣的拓展和重構(gòu)。子陣采用了模塊化設(shè)計(jì)，以功能單元的互換為前提，包括功能互換和尺寸互換，發(fā)生故障時(shí)可直接替換故障模塊，實(shí)現(xiàn)快速維修。

2.3熱設(shè)計(jì)

毫米波子陣體積小，內(nèi)部集成了眾多熱源，其中最大的熱源是末級(jí)功率放大器，受制于芯片自身效率，大部分功耗都將以熱能形式散發(fā)出去。為達(dá)到單通道26 dBm飽和輸出功率的要求，選擇的末級(jí)功率放大器連續(xù)波熱耗大于2.6 W。子陣在很小的空間內(nèi)集成了64個(gè)通道，為避免熱能聚集導(dǎo)致芯片失效，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮散熱，以提高系統(tǒng)可靠性。

子陣熱設(shè)計(jì)包括以下方面：（1）功放芯片設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮熱效應(yīng)，增加器件柵柵間距，減小單指柵寬，減小芯片厚度；（2）版圖設(shè)計(jì)時(shí)，將熱耗器件分散放置，防止熱源集中；（3）LTCC采用密集通孔方式，提高散熱效率，減少熱阻；（4）燒結(jié)或粘接工藝控制空洞率，減小熱阻；（5）提高安裝面平整度，減小表面粗糙度，增加模塊與散熱板的接觸面積，提高散熱效果；（6）子陣系統(tǒng)加裝液冷裝置，靠近末級(jí)功率放大器，有效提高散熱效率。

采用Flotherm熱仿真軟件對(duì)子陣設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真研究，重點(diǎn)關(guān)注高熱耗芯片內(nèi)部溝道溫度。通過(guò)Solidworks繪圖軟件按照實(shí)物繪制出三維模型，將實(shí)體模型導(dǎo)入到熱仿真軟件中，并為各實(shí)體部件設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。仿真時(shí)，設(shè)置外部環(huán)境溫度為25℃，冷管溫度為50℃。

圖3為仿真出的溫度分布云圖，即達(dá)到熱平衡狀態(tài)下的溫度分布情況。從圖中可以看出，芯片管芯位置溫度最高，熱量向四周均勻擴(kuò)散，呈遞減趨勢(shì)，冷管處溫度最低。當(dāng)控制冷管溫度在50℃時(shí)，芯片結(jié)溫為102℃，滿足芯片結(jié)溫低于150℃的可靠性要求，子陣可以正常工作。

3　子陣性能

采用上述設(shè)計(jì)方法，最終研制出一款Ka波段8×8通道T/R子陣，體積僅為116 mm×34 mm×43 mm。使用矢網(wǎng)、信號(hào)源、功率計(jì)等儀器進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：輸入駐波小于1.8，噪聲系數(shù)小于4.5 dB，增益大于20 dB，功率大于26 dBm，移相控制誤差小于5°（RMS），衰減控制誤差小于±（0.3 dB+7%×衰減量）。

將多個(gè)子陣組裝成大口徑天線陣，交付整機(jī)單位使用，進(jìn)行了方向圖測(cè)試、輻射功率增益積測(cè)試以及整機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，測(cè)得的天線增益、副瓣、指向精度、測(cè)角精度、系統(tǒng)靈敏度等主要指標(biāo)均滿足系統(tǒng)要求。進(jìn)行了外場(chǎng)目標(biāo)跟飛試驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，探測(cè)距離達(dá)到要求。系統(tǒng)散熱效果良好，滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的需求。

4　結(jié)論

本文對(duì)毫米波T/R子陣的設(shè)計(jì)方法做了介紹，并實(shí)際研制出一款Ka波段8×8通道T/R子陣，具有優(yōu)良的微波性能，單通道輸出功率大于26 dBm，體積僅為116 mm×34 mm×43 mm，滿足毫米波相控陣嚴(yán)格的體積和散熱要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。子陣采用模塊化設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和可替換性，簡(jiǎn)化了毫米波相控陣系統(tǒng)的研制過(guò)程，對(duì)于大口徑毫米波相控陣研究具有較高的價(jià)值。

［1］石星.毫米波相控陣?yán)走_(dá)及其應(yīng)用發(fā)展 ［J］.電訊技術(shù)，2008（1）：6-12.

［2］於洪標(biāo).X波段T/R組件功率放大器芯片的熱設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2010（4）：74-78.

［3］Li Geng,Chen Zhi-ming,Kruemmer R.A Precise Model for Simulation of Temperature Distribution in Power Modules［J］.Chinese of Journal of Semiconductors,2001,22（5）：548-553.

［4］沈亞，周駿，沈亮，葉育紅，李朝陽(yáng)，孫春妹，張維.多通道小型化三維封裝T/R組件 ［J］.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2011，31（4）：F0003-F0003.

Investigation and Design of Millimeter-wave T/R Sub-array

ZHANG Wei，ZHANG Junhua
（Nanjing Electronic Device Institute，Nanjing 210016，China）

A design method of millimeter-wave T/R sub-array is introduced in the paper,solutions of key technical problems are presented to decrease the volume,improve the heat dissipation capability,improve the reliability and maintainability of array.Finally,a Ka band 8×8 channel T/R sub-array is actually produced, with characteristics such as high frequency band,small size,high integration level,excellent electrical properties,strong expansibility and high maintainability.

millimeter-wave；T/R sub-array；large-diameter phased array；volume；heat dissipation

TN385

A

1681-1070（2016）09-0028-03

張維（1985—），女，江蘇南通人，碩士，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所工程師，主要從事T/R組件電路設(shè)計(jì)工作。

2016-6-21