黄 建
(中国西南电子技术研究所,成都 610036)
毫米波有源相控阵TR组件集成技术
黄 建
(中国西南电子技术研究所,成都 610036)
通过分析有源相控阵技术发展趋势,提出集成技术是毫米波有源相控阵TR组件的关键技术,并按制造和装配层次将毫米波有源相控阵TR组件的集成分为芯片级、子阵级和全阵级等三级集成。分析了各级集成的关键技术及其发展趋势,提出关键集成技术发展路线,指出毫米波TR组件专用多功能芯片、垂直互联和高效小型化液冷器等三项技术是当前需重点突破的关键技术。
有源相控阵天线;毫米波;TR组件;集成技术
有源相控阵天线在军用雷达、通信、电子对抗等系统中已经得到了广泛应用[1]。随着工作频段逐步扩展,毫米波频段的有源相控阵天线显示出了十分迫切的应用需求,特别是在直升机载多功能雷达、车载多功能传感器及有源防护、导弹末制导雷达导引头、卫星通信、战斗机机间数据链和临近空间平台侦察监视系统等领域[2,3]。毫米波有源相控阵天线由于可实现灵活的波束控制和有效的射频能量管理,成为各种高速平台、多功能、多任务毫米波应用系统的最佳体制。毫米波相控阵天线可以适应机、星、弹等小型平台的安装使用条件,甚至可与载体共形,利于设备与平台的集成应用。毫米波有源相控阵天线无需扫描伺服机构,部分TR组件损坏并不会导致天线射频性能的显著退化,比机械扫描天线和集中式收发系统具有更高可靠性,尽管采购价格较高,但设备的全寿命周期成本仍然具有优势。
毫米波TR组件是毫米波有源相控阵天线的核心部件。TR组件的研制涉及多种关键技术,具有很高的难度。国外从1990开始研制TR组件微波单片集成电路(MMICs),并提出了毫米波有源相控阵天线Wafer级集成技术[4]。1995年,Shashi Sangzgiri等报道了混合瓦片式有源子阵TR组件模块[5],D.Mcpherson等介绍了卫星通信的20GHz和60GHz二维有源相控阵天线原型的研制[6]。2005年,德国IMST采用低温共烧陶瓷技术(LTCC)工艺研制了用于Ka频段移动卫星通信的高集成数字波束成形(DBF)收、发有源天线阵[7,8]。2006年,Raytheon公司演示了600阵元低成本35GHz二维有源相控阵导引头样机,采用单片集成TR组件,每个有源阵元成本仅30美元[1]。2007年,J.M.Yang等采用新型Wafer级封装技术,研制了Q频段4元线性有源天线阵列前端[9]。2007年以来,美国DAPAR已支持多个研究计划[10],以突破下一代传感、通信系统收发模块的关键技术。
根据系统应用的要求和技术发展情况,下一代有源相控阵TR组件要求可概括为高性能(大功率、高效率、低噪声)、微型化(更轻、更薄)、低成本(一体化制造、测试、装配)、高可靠性。
有源相控阵天线单元格距接近半波长,在毫米波频段,为了在这样的尺寸限制下实现高性能、低成本的TR组件,TR组件必须实现高度集成化制造,故集成化技术是毫米波二维有源相控阵天线最为核心的技术。本文对TR组件集成的关键技术及其现状进行分析,并提出集成技术发展步骤和重点。
20世纪90年代以来,随着微波单片集成电路(MM ICs)技术取得突破并大量进入实用,高性能、高一致性的TR组件得以大批量、低成本生产,从而推动了有源相控阵技术的迅速发展和应用。为满足TR组件一致性、微型化和低成本要求,现代有源相控阵天线越来越强调集成化和一体化批量制造,其制造过程主要涉及以下4级的集成。
有源相控阵TR组件需要完成信号放大、收发转换、信号幅相控制等多种微波电路功能,通常每一种功能均采用一片MMICs来实现。MM ICs是将多个有源器件、外围匹配电路、无源网络和电源去耦等电路集成在单片GaAs基片上的微波电路,本身可以完成独立的电路功能。MM ICs代替分立器件和无源部件,大大提高了TR组件电路集成度。
目前MM ICs工艺完全成熟,可大批量、低成本生产,并具有优良的一致性。针对TR组件的功能和技术性能的要求,目前已经在常用的微波频段开发出成套使用的TR组件MMICs芯片,主要包括微波开关、功率放大器、低噪声放大器、驱动放大器、数字移相器、数字衰减器等。MMICs套片的开发和使用,使TR组件电路和结构设计大为简化,突破了TR组件大量生产的技术瓶颈,对于推进有源相控阵天线应用起到了决定性的作用。
尽管不同应用的TR组件的技术指标可能会有较大差异,但收发幅相控制功能却基本通用。2005年,欧洲提出了将几个MMICs和数字控制电路集成在一个模块内,研制了通用性的TR组件的“内核模块”(CoreModule)[11],完成TR组件的收发幅相控制功能,并随后开发出其单片集成形式 CoreChip。CoreChip的出现进一步提高了TR组件的集成度。
目前,微波TR组件的主要结构形式仍然是单个独立封装,制造模式是每个TR组件分别进行装配和测试。TR组件一般采用一种或几种电路基板,实现多个MM ICs芯片或CoreModule的微波、射频、低频控制和直流信号的互联,并封装在一个壳体内,壳体提供了TR组件的机械保护、外部安装、信号接口馈通、电磁屏蔽等功能,并且通过气密性封装,实现TR组件内部环境与外部环境的隔离,保证TR组件的长期可靠性。
传统的TR组件测试一般是逐个进行输出功率、噪声系数、增益、各态相移等各项指标的测试,测试时间较长。借助于开关网络和自动测试系统,可以进行多个TR组件自动测试,但由于多路开关网络的复杂度,一般同时测试的TR组件数较少,测试效率仍然较低。
传统相控阵天线是用单个TR组件装配天线阵面,然后进行整体测试,对大型阵面装配和测试十分复杂。近年来西方提出了可扩展构造块的概念,其核心是将几个TR组件和天线单元集成为一个“积木块”,积木块本身是一个标准的子阵模块,可以集成制造和单独测试。同时,子阵模块具有可扩展性,可以再次组合形成更大阵面,因此称为有源电扫天线(AESA)的“可扩展构造块”,通过可扩展构造块的结构、接口以及制造、测试过程的标准化,实现不同规模有源相控阵天线的模块化,简化大型AESA阵面装配和测试。
有源天线制造的最后一步是将组件、天线单元或可扩展构造块装配成完整的天线阵面,然后进行天线总体性能的测试。当各个单元和组件,或可扩展构造块的技术指标都满足要求并且达到良好的一致性时,才能最终保证天线整体性能,天线集成测试也能大大简化。
在毫米波频段,由于阵列格距已经接近甚至小于MMICs的尺寸,因此,采用MMICs套片、单个 TR组件独立进行组装、封装和测试的传统制造方式已经无法达到TR组件小型化要求,因此必须进一步提高其电路集成度和减小封装壳体的尺寸。其主要的技术途径是将传统的4级集成的2、3级合并,综合为3级集成,并进一步提高每级的集成度。
(1)芯片级集成
将原来MMICs套片中的多种MMICs进一步集成为多功能芯片,从而使TR组件套片中芯片的种类和数量更少,集成度更高。目前已报道的有3片(CoreChip芯片+功放+低噪放)、2片(小信号多功能芯片+功放,收发多功能芯片+矢量调制器或数字移相器等)、1片(单片集成TR组件)等MMICs芯片组形式。这些芯片组中关键芯片均为专用多功能芯片,专门针对特定有源相控阵TR组件应用进行设计开发。
(2)子阵级集成
多个TR组件进行集成设计,共用同一个封装壳体,实现多个TR组件电路和馈线网络集成,进行整体装配和测试,从而使封装效率大为提高,并实现子阵级集成制造。根据需要,还可以将天线单元子阵与TR组件子阵集成制造,成为可扩展构造块。
(3)全阵集成
可能采用先集成制造天线辐射单元阵列,再进行TR组件子阵装配实现全阵集成,或直接将可扩展构造块进行装配构成全阵两种方式,最后完成全阵集成测试。
一般而言,为了实现AESA的模块化设计和制造,并使得芯片和模块具备一定的通用性,以上三级集成是必需的,从优化生产制造工艺、保证TR组件成品率和可靠性来看也是比较合理的。然而,对更高的频段和某些特殊小型化要求的应用,其集成度仍然难以满足要求,整个阵面需要一次完成集成制造,如2007年美国报道新型Wafer级封装技术用于全集成的有源相控阵天线前端的研究[9]。
从目前毫米波有源相控阵天线研制情况看,在前述TR组件三级集成制造过程中,均存在相应的设计和工艺关键技术需要突破。
多功能芯片包含两种以上通用芯片的电路功能,通过单片化集成设计,达到提高集成密度、减少电路面积和简化片外电路的目的,从而实现TR组件电路简化和微型化目的。由于各功能的技术指标必须根据电路面积、工艺选择进行折衷,因此这些芯片通常是针对毫米波有源相控阵特定应用需求设计开发的专用芯片,通用性较差。
目前开发的TR组件专用芯片有以下几种:收发多功能芯片(TRChip),电路原理如图1所示;TR组件“内核芯片”(CoreChip),电路原理图如图2所示;单片集成TR组件,包含完整收、发放大及收发切换、幅相控制电路;单片集成多通道集成TR组件,一个MMICs上集成多个收发通道,以单收、单发为主。
图1 TRChip多功能芯片原理图Fig.1 Schematic diagram of the multifunctionMMICs“TR Chip”
图2 CoreChip多功能芯片原理图Fig.2 Schematic diagram of the multifunctionMMICs“CoreChip”
TR组件专用多功能芯片的困难在于,各功能电路必须采用同一种工艺实现,而不能像通用MM ICs一样根据所实现的功能选择最佳的基片材料和工艺。在工艺选择上必须考虑对各种功能相关的电路性能进行折衷和平衡,选定工艺后,电路设计受到很大限制,因此难以实现性能指标的优化。同时,由于集成密度更高,设计困难也更大。
为了同时满足高集成度和高性能要求,未来多功能MMICs的发展趋势是寻求兼具较高功率性能和低噪声性能的材料,同时综合应用多种相容工艺在同一基片上制作功能器件,如在GaAs衬底上制作pHEMT管芯和MEMS元件,以达到性能的优化。
子阵级集成结构形式可分为“砖块式”和“瓦片式”[5]。砖块式结构TR组件是将多个TR组件射频通道并排组合集成。每个TR通道内信号传输为平面内互联,电路连续性好,高频性能优良,连接可靠,各个通道仍保持与单个TR组件相似电路布局,电路设计较简单。但受格距限制,TR组件热沉厚度小且不连续,散热性能差,集成密度和封装效率较低,子阵规模受限。同时,一次装配过程需实现基板上各种芯片混合组装,不利于自动化组装生产。
瓦片式结构为多层结构,TR组件基板和芯片平行于阵面组装,信号传输采用层间垂直互联,高频传输性能不易保证,且连接可靠性较差。TR组件电路在两个方向均受格距限制,设计难度大。瓦片式结构可以实现二维面阵TR组件集成和封装,利于自动化组装,芯片下面可设置厚度不受限制的完整热沉,有利于高效散热,因此集成密度较高。
垂直互联是瓦片式子阵的关键技术。表1对常见毫米波垂直互联方式和性能进行了比较。
表1 各种垂直互联方案性能比较Table 1 Comparison of some typical schemes of RF vertical inter connection
从表1可见,目前高频垂直互联尚没有一种方式能达到瓦片式子阵集成的要求。其难点在于,毫米波频段TR组件垂直互联在电路、结构、工艺三方面的要求都非常高。因此,未来应当发展新的垂直互联形式,能在三个方面都至少达到一般以上的折衷性能。同时,研究新的互联材料和工艺,改进现有垂直互联技术的工艺特性,提高其可靠性和生产性。
可扩展构造块集成天线辐射单元子阵和子阵功率分配/合成网络,多个TR组件、辐射单元和功分/合成网络已经集成为一个整体。此时,要准确测量子阵中每个TR组件通道的性能变得困难:一方面射频信号需要从辐射单元以无线方式输入/输出TR组件,导致输入射频信号幅度和相位难以准确标定;另一方面,子阵中各TR组件没有独立的输入/输出端口,对单个TR组件的所有测试结果将包含其它TR组件的影响。子阵级测试需要通过高效率的整体测量准确获取各通道的特性,现有基于开关网络的单通道测试不能满足以上要求。
对于集成辐射单元的子阵,可以采用测扫描波瓣图的方法进行子阵性能的整体测试,但天线方向图测试要求特殊的测试环境和测试设备,同时也不能获得特定TR通道的性能,不适用于子阵的生产制造过程检测。
解决措施是采用基于一组相关的整体传输特性测试结果反演得到各通道的特性,在目前基于FFT方法校准有源相控阵天线的技术原理基础上,通过适当改进可实现各种形式的集成子阵模块的测试,但还需要进行详细的测试校准、数据处理技术和误差分析研究。
TR组件高度集成后,子阵模块发热密度大幅增加,而TR组件热辐射面积减小、传热路径加长使得散热十分困难。子阵集成广泛采用多层基板,如LTCC、HTCC和有机基板,这些基板材料本身导热性能很差,增加了散热难度。高效的热管理设计对于子阵和全阵集成后TR组件的性能和可靠性都极其重要。
热管理包含散热、温度监测、温度补偿、过热保护等多个方面,重点是散热设计。目前报道的研究成果较少涉及子阵和全阵散热技术。子阵散热可以采用风冷和液冷技术,其中,风冷系统设计简单,成本低,但散热器体积较大,难以集成,且子阵内的TR组件散热较差,阵内温度不均匀将使子阵幅相一致性恶化。液冷较风冷散热效率高,同时只需要在全阵集成时保证子阵内集成流道贯通和封闭,则可在全阵集成后单独外加泵机和换热器,因此在子阵和全阵集成上均能使用。
设计液冷流道时,砖块式子阵结构热沉厚度受限,流道截面尺寸必须小,流道设计及加工困难,且流体阻力大,全阵装配时难以实现流道集成。瓦片式子阵芯片下可设置厚度不限的完整金属热沉,流道易于设计和加工,且全阵组装流道易于对接,因此比砖块式结构更适宜采用液冷散热。
液冷系统的难点在于流道设计既要实现小型化,并与TR组件子阵结构一体化集成和加工,同时也要保证流体阻力小,具有足够的散热效率,特别是对大功率芯片的散热能力。此外,流道设计也要考虑可扩展性,设置接头保证全阵装配时各子阵流道贯通和密封。
子阵集成需要将大量MMICs通过微组装装配到电路基板上,以实现毫米波TR组件高频、低频线路的互联,高密度集成TR组件子阵必须采用多层的电路基板。目前主要基板材料中,LTCC基板层数多,介电常数较高,具有良好的高频电路性能和槽孔加工精度,易于实现芯片组装和高密度互联,主要缺点是大面积基板平整度难以保证,且加工成本高。低介电常数多层聚合物PCB也能达到较好的高频性能,大面积平整度好,加工成本较低,但目前槽孔加工精度较差,不满足芯片微组装要求。
目前MM ICs的组装工艺以传统贴片和金丝键合互连为主。采用倒扣焊接工艺可以较大幅度减少组装工作量和成本,但可靠性和散热性能较差。
对微组装工艺的主要要求有:大量芯片高密度微组装的工艺一致性、可靠性和组装工艺适应大批量、低成本生产需要。其解决措施是尽可能使微组装工序自动化,对设计的要求就是芯片种类少而且规则布局,瓦片式结构在自动化组装上更具优势。
子阵级封装为芯片提供气密性环境,同时提供电磁屏蔽和隔离。目前常用两种工艺:一种将基板焊接或粘接到金属壳体内,在基板上完成芯片组装后,用平行缝焊或激光焊工艺进行封帽焊接实现气密封,这种方式工艺较简单,气密性好,但壳体材料热胀系数需与基片材料匹配,并要具有良好的散热能力,材料选择和工艺要求高,且壳体较大,不利于集成;第二种将基板先焊接到某种匹配的薄金属载体上,之后在基板上焊接金属围框,再进行芯片组装,最后封帽。这种方式工序较为复杂,基片材料本身以及焊接层气密性需要仔细保证,但材料要求较低,壳体小,在集成和成本控制上更有优势。
除了要求轻小型化、气密性和低成本外,封装的另一个难点是要提供优良的射频馈通和高密度的低频馈通能力。因此,管壳结构和工艺设计与馈通电路设计密不可分。
封装的发展趋势是采用高导热性新型轻质金属复合材料(如碳硅铝)管壳,保证与芯片和基板的热胀系数匹配,研究其加工成型、表面处理、焊接等相关工艺,解决与馈通电路设计、芯片微组装和封帽工艺的相容性,达到良好的气密性、环境适应性和电路馈通性能。
我国在毫米波频段有源相控阵天线相关技术上的研究已经起步,但关键技术仍未得到完全突破,与国外技术水平相比存在较大差距。为了解决毫米波有源相控阵天线工程研制的急需,应选择合理的技术路线,重点突破3级集成技术的关键技术瓶颈,实现样机研制和功能演示;然后再进行电路、结构、工艺优化,满足工程应用的平台安装、环境适应性和可靠性要求;最后解决大批量、低成本生产和应用问题。
在技术路线选择上,必须看到集成化是未来毫米波有源相控阵天线的发展趋势,也是实现大批量低成本生产制造和工程应用的主要技术途径。需根据各种应用要求,做好芯片级、子阵级和全阵级集成的总体设计与技术规划,逐步突破关键技术。根据这一指导思想,综合各应用需求,我们认为应当首先开展以下关键技术研究。
专用多功能MMICs是研制毫米波有源相控阵TR组件不可缺少的器件。由于集成度高,设计上需要对各性能指标进行折衷,必须紧密结合应用需求进行专门开发。由于开发费用高,周期长,应在充分了解雷达、通信、电子战等各应用领域技术要求基础上,进行专用MM ICs的系列化策划,尽量减少多功能MMICs的品种,有计划地进行开发,这对降低研发成本、提高芯片使用的互换性和TR组件批量生产的经济性都是十分必要的。
CoreChip芯片是实现TR组件幅相控制的关键器件,可以按最大的移相位数和幅度控制范围、幅度相位控制精度进行通用化设计,再根据频段划分,进行系列化开发。对于收发一体的TR组件必须采用TRChip,由于其主要应用领域为雷达、数据链等,其频段限定于这些应用规定的频段,因此要求针对特定的应用开发,保证技术指标充分满足应用需求。TR组件电路通常有共脚型和公共支路型两种形式,TRChip应对两种电路形式均能兼容使用。
多功能MMICs对制造工艺的要求十分苛刻,在规划阶段应当对工艺线进行充分调研,选择能满足多功能集成要求、工艺线完整、工艺成熟可靠、频率覆盖范围宽的工艺线,保证高的芯片开发成功率和批量生产的成品率,降低开发成本和生产成本。
相对而言,砖块式TR组件子阵设计和制造工艺要求较低,目前已经基本突破并得到应用。但其散热能力差,在很多应用中不能满足长期工作可靠性要求。同时,其集成密度较低,可扩展性较差,后期生产成本也较高。从发展趋势看,瓦片式TR组件应用将更为广泛。
瓦片式子阵结构的关键技术是小型化、可集成、高可靠的毫米波垂直互联技术。毫米波TR组件垂直互联对电路设计、结构、工艺的要求都非常高,现有的各种垂直互联都还不能满足工程应用的要求。因此,一方面应结合目前常用的LTCC基板和多层聚合物PCB,采用新工艺改善基板平整度、加工及装配精度和接触可靠性,或采用新材料对现有的垂直互联结构形式缺陷进行改进和优化;另一方面,研究新的垂直互联结构形式,特别是新型的非接触式毫米波垂直互联技术。通过多种方案并行的研究,比较、优选最佳的技术方案,完善制造工艺,为瓦片式TR组件子阵研制打下基础。
液冷技术具备着诸多的优越性,如原理相对简单、散热效率高、冷却工质热容大、成本较低等,其工质蒸发、泄漏等缺陷则随着制造工艺的进步而逐步克服,将成为未来一种主流的热控制方式。小型化、高效率、可集成化的液冷散热是毫米波有源相控阵天线功能演示和应用必须突破的关键技术。目前,液冷散热技术已经在工程上广泛应用,小型化、低成本液冷器大量用于民用产品。但是,要将其集成到TR组件子阵中还需要解决冷板与子阵结构一体化设计加工、流道与TR组件电路一体化设计、子阵流道扩展设计和可靠连接、小型化循环管路和泵机、高效率换热器等关键技术。重点是通过结构、工艺、电路设计的密切配合,解决液冷系统与子阵结构的集成化和扩展性设计问题。
集成化是毫米波有源相控阵TR组件的关键技术,毫米波TR组件的集成技术可以分成芯片级、子阵级和全阵级集成,不同等级的集成所用的技术各有侧重,但也存在共性的关键技术。其中,芯片级和子阵级高密度集成是毫米波TR组件的关键。建议首先重点突破毫米波专用MMICs的规划与开发、垂直互联和小型化液冷系统等三项关键技术,为毫米波有源相控阵天线性能样机研制和演示验证奠定基础。
[1] Eli Brookner.Phased array and radar astounding breakthroughs——an update[C]//Proceedings of International Conference on Radar.Rome:IEEE,2008:1552-1557.
[2] John H Wehling.Multifunction Millimeter-Wave systems for armored vehicle application[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(3):1021-1025.
[3] John Holloway.Design considerations for adaptive active phased-array`multifunction'radar[J].Electronics&Communication Engineering Journal,2001,13(6):277-88.
[4] Herman N I,Lan G L,Pao C K,et al.Monolithic Millimeterwave phased array component and module technology[C]//Proceedings of InternationalSymposium on Antennas and Propagation Society.Dallas,TX,USA:IEEE,1990:1417-20.
[5] Sanzgiri S,Bostrom D,Pottenger W.A hybrid tile approach for Ka band subarray modules[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1995,43(9):953-959.
[6] Mcpherson D,Bates D,Lang M,et al.Active phased array for MMW communications[C]//Proceedings of IEEE MILCOM'95.[S.l.]:IEEE,1995:1061-1065.
[7] Leif C Stange,Arne F Jacob.Highly integerated DBF receiver-array module for mobile Ka-band stellite communications[J].Microwave and Optical Technology Letters,2005,44(1):83-86.
[8] Stange L C,Geise A,Jacob A F.Highly Integrated 4×4 active array transm itter frontend for digital beamform ing at 30 GHz[C]//Proceedings of European Microwave Conference.[S.l.]:IEEE,2005:295-298.
[9] Yang J M,Chung Y,Nishimoto M,et al.Wafer level integrated antenna frontend module for low cost phased array implementation[C]//Proceedings of Digest IEEE/MTT-S International Microwave Symposium.Honolu lu,H I:IEEE,2007:1879-1881.
[10] Mark J Rosker.Technologyies for nest generation T/R module[C]//Proceedings of International Conference on Radar.Boston,MA:IEEE,2007:944-947.
[11] Cetronio A,Cicolani M,Comparini M,et al.A Finmeccanica initiative for the development of high performance/Low cost multi-domain application T/Rmodu les[C]//Proceedings of 2005 European Microwave Conference.[S.l.]:IEEE,2005:801-804.
Crucial Integration Technology of T/R M odule for M illimeter-wave Active Phased Array
HUANGJian
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)
Integration technology is regarded to be the crucial technology of T/R module for Millimeter-wave(MMW)phased array through analysis of the technical trends of active phased array.The integration technologies in manufacturing and testing T/Rmodules are classified in 3 levels(chip-level,subarray-level and wholearray-level).The key technologies in each level are analysed and the route map of technology developing is presented.It is suggested that the customization multifunctional MMICs for MMW T/Rmodule,reliable integrated vertical interconnection in MMW band and efficient m iniature liquid cooler should be conquered first.
active phased array;m illimeter-wave;T/R module;integration technology
TN821;TN958.92
A
10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.001
1001-893X(2011)02-0001-06
2010-12-06;
2011-02-16
黄 建(1971-),男,四川邻水人,分别于1993年和1996年获电子科技大学工学学士学位和硕士学位,现为研究员级高级工程师,主要研究领域为毫米波电路与系统。
HUANG Jian was born in Linshui,Sichuan Province,in 1971.He
the B.S.degree and the M.S.degree from University of ElectronicScience and Technology of China in1993 and 1996,respectively.He is now a senior engineer of professor.H is research concerns millimeter-wave components and systems.
Email:huangjian@swiet.com.cn