X波段四聯(lián)裝T組件的研究與設(shè)計(jì)

趙濤，孫斌，沈瑋

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

X波段四聯(lián)裝T組件的研究與設(shè)計(jì)

趙濤，孫斌，沈瑋

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

介紹了相控陣天線中使用的一種X波段多聯(lián)裝高集成度T組件，簡(jiǎn)述了該組件的原理電路、設(shè)計(jì)思想及相關(guān)工藝。在器件選型中，利用集成數(shù)個(gè)微波單片的多功能芯片，縮小組件面積。在結(jié)構(gòu)布局上，合理安排各微波單片集成電路單元，利用異形結(jié)構(gòu)減弱腔體效應(yīng)。采用微組裝工藝，設(shè)置合理的溫度梯度和裝配手段，提高產(chǎn)品可靠性。該T組件在X波段9～12 GHz帶寬范圍內(nèi)，連續(xù)波條件下工作輸出功率大于6 W，移相均方根誤差小于3°。

X波段；T組件；多功能芯片；腔體效應(yīng)；相位精度

1 引言

T/R組件(Transmit/Receive Modules)是相控陣?yán)走_(dá)有源分布陣列天線的核心部件，其性能直接決定了整部雷達(dá)系統(tǒng)的性能[1]。為達(dá)到一定的照射距離，常常需要成百上千或更多的T組件形成陣列，相控陣天線與普通天線本質(zhì)的差別在于前者的每個(gè)陣元或者子陣都有移相器，通過(guò)程控移相器來(lái)改變陣元或子陣的饋電電流相位，使陣列孔徑形成新的等相面，改變波束的指向，具有傳統(tǒng)天線不具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。T/R組件間發(fā)射支路和接收支路的幅度和相位不一致將會(huì)導(dǎo)致有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射波束和接收波束的波束指向偏移、副瓣電平抬高和天線增益下降，最終影響有源相控陣?yán)走_(dá)的指向精度、抗干擾能力和作用距離，其性能直接關(guān)系到整部雷達(dá)的成敗。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于T/R組件的研究成果不斷[3]，小型化[4]、輕便化[5]、大功率[6]、寬帶[7]和高可靠性[8]等特點(diǎn)成為實(shí)際工程應(yīng)用的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)制作了一款X波段四通道連續(xù)波工作的T組件，每個(gè)通道輸出功率大于6 W，移相精度小于3°，各通道間幅相一致性較好。

2 組件的設(shè)計(jì)原理與組成

T組件實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)的放大、相位控制、幅度控制及發(fā)射功率監(jiān)測(cè)功能，主要由移相器、驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器和隔離器等器件組成。四聯(lián)裝T組件可以提高裝配密度，有效減小組件體積和重量，降低生產(chǎn)成本，減小調(diào)試工作量，而且有效提高了照射器性能，單個(gè)發(fā)射通道的原理框圖如圖1所示。

圖1 T組件原理圖

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

T組件中微波器件較多，高低功率器件排布相對(duì)集中，空間耦合影響較大，電磁兼容(EMC)問(wèn)題很?chē)?yán)重。采用腔體隔離的方法可以實(shí)現(xiàn)各功能電路及發(fā)射、接收通道間的電磁干擾隔離[9]。而解決電磁兼容的方法主要有三種：接地、屏蔽、濾波?？紤]以上幾個(gè)方面的影響，設(shè)計(jì)時(shí)為改善性能可以從以下幾處入手：

（1）加強(qiáng)多功能芯片和功放芯片的接地，并保持接地連續(xù)性；

（2）提高微組裝工藝水平，使組裝和焊接技術(shù)的精確度得到進(jìn)一步提高；

（3）改善發(fā)射支路放大器之間的屏蔽效果，如采用隔板進(jìn)行屏蔽；

（4）減小通道縱向尺寸，使諧振頻率遠(yuǎn)離工作頻段。3.1多功能芯片

隨著微波T/R組件小型化需求的增加，微波單片集成電路(MMIC)向小型化和多功能方向發(fā)展。現(xiàn)采用一款集成了6位數(shù)字移相器、驅(qū)動(dòng)放大器和并行驅(qū)動(dòng)器的多功能芯片，實(shí)現(xiàn)了芯片的小型化。多功能芯片組成原理圖如圖2所示。

圖2 多功能芯片組成原理圖

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，多功能芯片的四周采取包地的措施來(lái)加強(qiáng)接地的連續(xù)性，并且在其周?chē)黾哟罅康慕拥乜?，確保微波地良好。圖3為多功能芯片是否接地良好的對(duì)比圖。

圖3 多功能芯片加強(qiáng)接地前后對(duì)比圖

3.2 級(jí)間隔離度設(shè)計(jì)

多功能芯片內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)放大器和后一級(jí)的功放級(jí)聯(lián)，增益達(dá)到了40 dB，極有可能出現(xiàn)自激的現(xiàn)象，導(dǎo)致通道不能正常工作，所以在多功能芯片和功放之間加了一層隔板，如圖4所示，來(lái)屏蔽前后放大器之間的影響。對(duì)導(dǎo)帶上方的隔板挖槽，如圖5所示，對(duì)過(guò)孔的寬度W和高度H進(jìn)行調(diào)整，保證微波信號(hào)既能正常傳輸，又有一定的空間隔離度。

圖4 多功能芯片與功放芯片之間加隔板示意圖

圖5 隔板橫跨導(dǎo)帶示意圖

仿真結(jié)果表明，當(dāng)前后級(jí)不加隔板時(shí)，空間隔離度小于10 dB；當(dāng)加上隔板，隔板中間過(guò)孔的尺寸會(huì)影響腔體內(nèi)的空間隔離度，通過(guò)對(duì)不同尺寸的過(guò)孔進(jìn)行仿真，結(jié)果表明當(dāng)隔板開(kāi)一個(gè)W=4 mm、H=4 mm的方孔時(shí)，空間隔離度大于30 dB，X波段內(nèi)的整體隔離度性能優(yōu)于其他尺寸對(duì)應(yīng)的隔離度，對(duì)比圖見(jiàn)圖6。

3.3 腔體設(shè)計(jì)

進(jìn)行組件的分腔設(shè)計(jì)時(shí)，要防止組件腔體微波電路處出現(xiàn)諧振。若將組件腔體視為矩形波導(dǎo)，則存在一定的諧振頻率，當(dāng)工作頻率接近諧振頻率時(shí)，內(nèi)部的微波器件將不能正常工作。腔體的寬度可由公式(1)得出：

圖6 加隔板后空間隔離度對(duì)比圖

式中W為發(fā)射通道的寬度，c為光速，fc為工作截止頻率，即一般微波通路的縱向尺寸要小于工作波長(zhǎng)的1/2，該腔體寬度將有效減小輻射信號(hào)對(duì)微波元器件的影響，從而使腔體的第一諧振頻率出現(xiàn)在工作頻帶之外。利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)腔體進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，根據(jù)仿真情況及時(shí)調(diào)整微波通道的腔體寬度，使腔體的諧振頻率遠(yuǎn)離工作頻帶。腔體諧振頻率的計(jì)算如式（2）所示：

式中，c為光速，εr為相對(duì)介電常數(shù)，m、n、l為模式數(shù)，a、b、c為腔體有效寬度、長(zhǎng)度和高度。

根據(jù)雷達(dá)發(fā)射陣面間距限制，單個(gè)發(fā)射組件的寬度為14 mm，而1/2λ=12.5 mm，經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)射電路的優(yōu)化，將縱向方向的尺寸壓縮到9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二分之一個(gè)工作波長(zhǎng)，對(duì)腔體的空間電場(chǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)腔體的第一諧振頻率出現(xiàn)在9.7 GHz，第二諧振頻率出現(xiàn)在11.8 GHz，空間電場(chǎng)分布如圖7所示。雖然諧振點(diǎn)出現(xiàn)在X波段，但根據(jù)空間電場(chǎng)分布可知，諧振出現(xiàn)在腔體內(nèi)公共區(qū)域，且并非出現(xiàn)在微波器件工作的區(qū)域，在每個(gè)微波發(fā)射通道內(nèi)無(wú)明顯電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在熱耗嚴(yán)重地方的通道末端（末級(jí)功率放大器芯片）未出現(xiàn)高強(qiáng)度的電場(chǎng)分布。即單個(gè)通道的諧振點(diǎn)都在工作頻帶外，腔內(nèi)公共部分出現(xiàn)的諧振不會(huì)對(duì)組件的發(fā)射性能帶來(lái)影響。

圖7 腔體內(nèi)電場(chǎng)分布圖

4 測(cè)試結(jié)果與討論

組件基板選擇傳輸損耗較小且在高頻時(shí)較穩(wěn)定的微波多層基板，盒體結(jié)構(gòu)件選用鋁硅材料，盒體內(nèi)部設(shè)計(jì)不同臺(tái)階高度差，確保各微波器件組裝完成后表面處于同一水平面，大功率芯片下方采用銅鉬銅墊塊與之焊接來(lái)加強(qiáng)散熱，選用不同熔點(diǎn)的高溫焊料，設(shè)置合理的溫度梯度來(lái)焊接大功率芯片和墊塊，采用微組裝工藝[11]加工出四通道T組件，實(shí)物圖見(jiàn)圖8。

圖8 組件實(shí)物圖

移相精度用式（3）計(jì)算：

式中n為64，表示64態(tài)。θi為在規(guī)定頻率點(diǎn)下各態(tài)的移相量，θi0為相應(yīng)態(tài)移相量的標(biāo)稱值。T組件通道內(nèi)45°和90°的移相情況如圖9所示。改版前的組件因多功能芯片接地不好和腔體設(shè)計(jì)不到位帶來(lái)相位畸變，而改版后的組件在加強(qiáng)接地的同時(shí)，在級(jí)間隔離和腔體結(jié)構(gòu)方面均做了仿真與設(shè)計(jì)，改善效果明顯，移相功能良好，精度較高。

圖9 兩版組件通道移相45°和90°時(shí)的對(duì)比

經(jīng)過(guò)樣機(jī)測(cè)試，發(fā)射組件實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示，發(fā)射組件輸出功率≥6 W，組件效率≥30%，組件移相精度＜3°(RMS)，指標(biāo)全面達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)要求。

表1 組件主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

5 小結(jié)

緊湊的空間增加了電路布局和電磁兼容設(shè)計(jì)的難度，但可通過(guò)合理的設(shè)計(jì)途徑解決工程中的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)良好的電氣性能。同時(shí)，運(yùn)用微波仿真軟件的建模和優(yōu)化可有效加速組件的設(shè)計(jì)過(guò)程。本文成功研制出尺寸為70 mm×54 mm×8.5 mm、重量?jī)H為60 g的四通道小型化T組件，發(fā)射功率大于6 W，具有尺寸小、重量輕、頻率寬、發(fā)射功率大、移相精度高等特點(diǎn)，適用于X波段固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。

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

[2]ANTHONY J H,ERIK LIER,MARTIN B.RF on Flex Tile for L Band Phased Arrays[C].2010 IEEE MTT-S IMSD, Anaheim,CA,2010.

[3]吳禮群，孫再吉.T/R組件核心技術(shù)最新發(fā)展綜述[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2012(1):29-30.

[4]Qi Zhang,Yuefei Dai.Highly compacted X-band T/R Module using LTCC multilayer ceramic[C].Radar Conference,2009 IET International,2009:1-3.

[5]CHIEN P C,ZENG X,CHUNG Y,et al.Ultra Compact Light Weight T/R Modules Constructed by Hermetic Wafer-Level Packaging Technology[C].2010 IEEE MTT-S IMSD,Anaheim,CA,2010.

[6]Schuh P,Leberer R,Sledzik H,et al.Advanced High Power Amplifier Chain for X-band T/R-Modules Based on GaN MMICs[C].European Microwave Conference Proceedings，2006:241-244.

[7]KOMIAK J J,CHU K,CHAO P C.Decade Bandwidth 2 to 20 GHz GaN HEMT Power Amplifier MMICs in DFP and No FP Technology[C].2011 IEEE MTT-S IMSD,Baltimore, MD,USA,2011.

[8]於洪標(biāo).有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào)，2005，33(6):1102-1104.

[9]王潔，陳波.一種X波段高功率多通道發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014，27(6):72-74.

[10]廖原，王潔，張娟.小型化X波段雙通道T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2014，27(4):66-68.

[11]電子產(chǎn)品微組裝技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2011，27(1):1-6.

Design of X-Band 4-Channel Transmit Module

ZHAO Tao,SUN Bin,SHEN Wei
（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute,Shanghai 201109,China）

An X-band high power 4-channel T module for phased array antenna is presented in the paper.The principle,design idea and micro-assembly processes are discussed.In order to reduce the module volume,the multifunction-chip integrates several monolithic microwave integrated circuits(MMICs).The weak cavity effectenablesreasonable placementofcircuitunitsin the module architecture.In the micro-assembly processes, reasonable temperature gradients and assemble technology are used to control product reliability.The rest results show that output power of the T module is more than 6 W and less than 3°of root mean square(RMS) phase error in the range of9 GHz～12 GHz.

X-band;transmitmodule;multifunction-chip;cavity effect;phase shiftaccuracy

TN957.3

A

1681-1070（2017）07-0036-04

趙濤（1981—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ńM件設(shè)計(jì)；

2017-4-14

孫斌（1987—），男，江蘇東臺(tái)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)門(mén)/R組件設(shè)計(jì)；

沈瑋（1981—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ńM件設(shè)計(jì)。