Ka波段高功率T／R组件的研制

宋 静， 唐 亮

（中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥230031）

1 引言

随着毫米波段基础理论和应用技术不断取得的重大进展，毫米波段有源相控阵雷达的性能获得了极大的提升。而作为其核心部件的T／R组件，不仅占整部雷达成本的70%以上，而且其性能指标的好坏将直接影响相控阵雷达系统的发现能力、收发波束副瓣大小、指向精度和作用距离等技战术指标。故指标优良、性能可靠的毫米波T／R组件是毫米波段有源相控阵雷达系统的设计关键。

在国外，毫米波T／R组件研制已十分深入，并且有着成功运用的例子，如美军军事卫星通信用的44GHz毫米波有源相控阵发射天线阵的T／R组件，其组件功率输出为28dBm，T／R组件总效率为21%～23%。在国内，各大研究院所和高校也广泛开展了毫米波T／R组件的技术研究，本文介绍了一款应用于星载环境中、高功率输出的Ka波段T／R组件，从其电讯、工艺和结构等设计方面进行论述。

2 组件设计

A.组件方案

有源相控阵雷达中的T／R组件主要是完成发射信号的大功率放大和接收信号的低噪声放大，能实现波束对收／发信号进行幅度和相位的控制，并根据系统要求实现不同的极化方式。图1为此Ka波段T／R组件工作原理框图。

鉴于星载应用平台对有效载荷的要求，该组件需具备体积小、重量轻、性能指标高、一致性好的特点，故在Ka波段T／R组件的设计中，运用了单片集成电路（MMIC）和多芯片组装（MCM）相结合的技术来实现以上特性。

图1 T／R组件工作原理框图

而在各项性能指标的实现过程中，输出功率是该组件的设计重点。根据MMIC工艺特性，功率芯片的输出能力随工作频率的升高而下降，为达到3.5W输出功率的要求，组件的发射通道末级需由两只功率放大器芯片合成输出。

B、功率合成设计

在T／R组件设计中考虑功率合成，就必须对合成器的设计、功率芯片的一致性以及工艺装连的对称性提出很高要求。

其中Ka波段合成器的设计，既要考虑到合成效率，又要关注8mm波长尺寸所带来的影响，以及组件设计中必须考虑的小型化要求和易于平面集成特性。满足这些要求的合成电路形式有基片集成波导合成电路和Wilkinson合成电路两种，比较它们的尺寸大小、性能指标及实现难易程度，在设计中选择了Wilkinson合成电路。同时鉴于隔离电阻的尺寸与8mm波长相近以及工艺装配的准确性，为避免隔离电阻的不利影响，在 Wilkinson电路的设计中去除隔离电阻，为改进型Wilkinson电路。

Wilkinson电路的设计选择RT／Duriod 5880软基板材料，按Ka波段最低TM模截止频率选择最佳基片厚度0.254mm，导体厚度18um，损耗角正切值为0.0009。通过软件仿真可以计算出两段50Ω微带线线宽为 W1＝0.77mm，70.7Ω的线宽为W2＝0.43mm。按照上面的初始参数，利用HFSS仿真的结果计算，如图2所示，在Ka波段，两臂的功分比：端口二为－3.13dB，端口三为－3.11dB，合成端口一的驻波为1.23，端口二、三的驻波均在1.9以下，两臂的隔离度在－13dB以下。

图2 改进型Wilkson电路

同时，在工艺装连的过程中，金丝键合的质量对功率放大器芯片的性能有较大的影响，金丝键合的高度应尽可能地小，以减小金丝的高频辐射效应。同时，源极采用多根长度小于0.2mm并联金丝，使得引入的等效电感小于0.02nH，防止源极连接不良造成的潜在不稳定现象。

通过以上的设计，两片功率芯片的合成输出功率实测值为5W。

C、结构与工艺设计

考虑基板热膨胀系数、导热率的匹配以及盒体气密性等因素，选择Kovar材料作为组件结构的盒体材料。

在组件的微组装方面，所有的裸芯片全部采用焊接工艺技术来实现，未采用导电胶，避免因导电胶配胶、固化等因素而造成导电性的离散和因导电胶的稳定性原因而造成的早期失效，从而避免造成T／R组件性能的离散和不稳定，确保T／R组件在各种环境条件下都能正常稳定的工作。其中，需要散热的功率放大器芯片，则是通过Au80Sn20焊料在300℃温度下以共晶焊工艺焊接在钼铜载体后，再焊接至Kovar盒体所镶嵌的散热性能良好的无氧铜热沉位置。

此外，基板材料也采用焊接工艺，保证与盒底材料85%以上的钎着率。在芯片与微带板之间的射频互连采用金丝热压焊，其他低频信号之间的互连则采用金丝球焊。最终的Kovar盒体采用平行缝焊工艺实现组件气密性设计。

3 测试数据

Ka波段T／R组件的测试采用自动测试系统，通过GPIB总线将矢量网络分析仪、信号源、峰值功率计等连接到计算机上，自动设置测试参数，自动数据采集和计算，提高测试效率。

图3为该组件的实物照片，图4为组件的发射功率的测试曲线图。

图3 Ka波段高功率T／R组件照片

图4 Ka波段高功率T／R组件发射功率测试曲线

4 结论

通过对功率合成技术的研究，该Ka波段T／R组件实现了3.5W高功率输出，实现了设计目标。而作为有源相控阵雷达的关键技术之一，T／R组件的设计越来越引起重视。要研制出具有批量、性能稳定可靠且一致性优良的T／R组件，需要电讯、结构和工艺的密切配合。当电路的关键技术突破以后，批生产的制造技术则变得更为重要。

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