一种宽带高性能T/R组件的设计

王立发，秦立峰

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

一种宽带高性能T/R组件的设计

王立发，秦立峰

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

介绍了一种宽带高性能T/R组件。该组件通过合理的分腔设计，减小了低频控制信号与微波信号的串扰，同时充分利用有效空间，减小了组件的尺寸。使用T型结优化键合匹配，使得组件微波信号在带内具有更小的插损及带内波动，实现更优越的传输性能。组件采用多芯片微组装技术，减小了体积和重量，同时设计合理的装配工艺，实现了组件的可批产性。组件包含4个独立收发通道，每个通道包含6位移相及6位衰减功能，具有宽带、低噪声、高功率以及良好的幅相性能。

分腔设计； T型结； 键合匹配； 独立收发； 宽带高性能

0 引 言

有源相控阵雷达系统是由计算机控制天线波束进行扫描的雷达系统，相对于传统机械雷达系统具有明显优势[1-3]。有源相控阵雷达系统中每一路天线对应一个T/R收发，因此T/R组件的性能优劣对相控阵雷达系统至关重要[4-5]。随着时代的进步，对T/R组件的指标要求越来越严格，所以对于宽带、高性能、小型化T/R组件的研究意义重大。

本文设计了一款Ku波段多通道收发组件，该组件设计利用分腔结构实现微波信号与低频控制信号的隔离，同时分腔结构能够更合理利用有效空间，减小T/R组件的尺寸，有利于小型化设计； 利用三维仿真软件匹配宽带驻波，保证了组件整个宽带带内良好的平坦度； 使用多芯片微组装技术，有效减小组件体积，保证组件产品一致性。最终实现宽带、高性能、小尺寸、高可靠性的可批产T/R组件。

1 工作原理

组件包含四个单独可控收发通道、一分四功分器以及电源电路。组件每个收发通道包含幅相多功能芯片、推动放大器、末级放大器、低噪声放大器、限幅器以及环形器，实现发射信号的移相及功率输出，接收信号的放大及移相衰减功能。组件中一分四功分器由两级一分二功分器芯片实现，使用两级一分二功分器芯片较单级一分四功分器芯片设计走线更加灵活，同时端口驻波及隔离特性更好，保证了每个通道相位及幅度的一致性。电源电路主要包含负压保护电路、放大器的漏压调制以及放大器的栅压控制。组件的原理框图如图1所示。

图1 T/R组件原理框图

2 T/R组件的设计

2.1 结构设计

由于组件工作带宽较宽(12～17 GHz)，且指标要求较高，为满足指标要求，采用微波信号与控制信号分腔处理形式，使用金属隔墙完成控制信号与微波信号的隔离，使微波信号性能更加优越[6-7]。同时合理设计腔体结构，充分利用有效空间，减小组件的尺寸，实现小型化设计。

腔体分为上下两部分，下层腔体放置控制板电路，上层腔体布置微波板电路。电源控制板电路使用多层环氧板制作，独立完成该电路板贴装后，通过螺钉将其紧固到盒体。微波板为双面微波板材，使用焊料烧结到盒体，保证良好的接地性能。腔体结构示意图如图2所示。

微波传输腔体近似为矩形，可认为是一节矩形波导，为避免不必要的腔体谐振及多模传输，要求其工作频率应低于其截止频率[8]：

图2 腔体结构示意图

f

其中：c为光速；a为矩形波导宽边尺寸。

组件最高工作频率为17 GHz，由式(1)可计算得到a=8.8 mm，由于要求设计天线间距为16.5 mm，故通道内通过使用金属隔墙实现腔体宽度小于8.8 mm要求。

单通道腔体示意图如图3所示。

图3 单通道腔体示意图

2.2 链路设计

根据组件指标要求，对微波链路做如下指标分解，以满足要求。

由图1可知，功分网络置于公共端口，实现信号等幅同相的分配。每个通道发射和接收共用1个幅相多功能芯片，该芯片集成6位数控移相器、6位数控衰减器、串转并电路以及三态开关。该高度集成化芯片可明显减小组件尺寸，提高产品一致性，提升产品可靠性。

接收支路链路分析如图4所示。从天线接收的信号经过双节环形器、限幅器到达低噪声放大器端口，信号经放大后进入幅相多功能芯片进行移相衰减功能，最终经过功分器到达集合端口。

图4 接收支路链路计算

根据理论计算, 组件设计增益为25 dB(指标要求设计增益≥24 dB)，噪声系数为2.94 dB(指标要求噪声系数≤3.5 dB)。

发射支路链路计算如图5所示。发射信号经过功率分配进入幅相多功能芯片实现移相功能，然后通过驱动放大器及功率放大器进行功率放大，最终通过天线发射信号。

图5 发射支路链路计算

根据理论计算，在注入功率为7 dBm时，推动放大器饱和输出，其输出功率为24 dBm，功率放大芯片的功率增益为20 dB，所以输入功率为24 dBm时功率放大器饱和输出，最终输出功率大于41 dBm。

由于该组件工作带宽较宽且指标要求较高，如果不对金丝键合线作匹配设计，则其接收增益带内平坦度较差(≥2.5 dB)，发射输出功率带内起伏较大(≥2 dB)。T型结微带线可等效为LC匹配，有效改善由金丝键合引起的端口失配问题。同时合理设置T型结微带线参数，适当调整各键合位置匹配性，使得组件在整个带内具有更优异的性能[9-12]。

在使用长度、直径、拱高、数量等参数相同的金丝条件下，使用T型结匹配与未使用T型结匹配的仿真对比曲线如图6所示。图6(a)是使用T型结匹配与未使用T型结键后的插入损耗仿真曲线图，通过仿真结果曲线可以看出，通过采用T型结进行键合匹配，可以使高频处的插入损耗由0.2 dB减小至0.13 dB; 图6(b)是使用T型结匹配与未使用T型结键合的端口驻波仿真曲线图，通过仿真结果曲线可以看出，采用T型结进行键合匹配，可以使带内的驻波减小8 dB以上。

图6 T型结仿真对比曲线

可以看出，使用T型结进行匹配可以明显改善键合金丝端口驻波，减小带内损耗，提升带内增益平坦度，使组件具有更优异性能。

2.3 组装工艺设计

由于组件功能复杂，涉及的元器件种类及数量都较多，包含裸芯片、接插头以及其他贴装元器件，为保证组件优越的性能和产品的可生产性，避免二次熔融现象[13-15]，设计合理且成熟的工艺温度梯度至关重要。工艺流程如图7所示。

图7 组装工艺流程图

3 测试结果

根据设计完成宽带高性能T/R组件的制作，最终测试曲线如图8所示。

图8 测试结果曲线

可以看出，该组件在整个5 GHz带宽内，接收增益平坦度小于±0.5 dB，移相精度(RMS)小于4.5°，衰减精度(RMS)小于1 dB，发射输出功率大于41 dBm，功率带内起伏小于1 dB，组件效率大于20%。

4 结 束 语

通过合理设计腔体结构，避免低频信号干扰射频信号，同时有效利用组件空间。组件使用高集成度多功能芯片，实现组件小型化、一致性及可靠性设计。利用T型结匹配技术，实现宽带内增益及功率的良好平坦度。通过多芯片微组装技术，合理设置装配工艺，实现组件的可批产性。

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Design of Broadband and Highperformance T/R Module

Wang Lifa, Qin Lifeng

(The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

The broadband and highperformance T/R module is described. The interference between the low frequency control signals and the microwave signals is reduced by reasonable cavity design, and the effective space is fully utilized, so the size of the module is reduced. Using the T type junction to optimize the key matching, the microwave signal of the module is provided with a smaller insertion loss and the band fluctuation, and the better transmission performance is achieved. In order to reduce the volume and weight, multi-chip module(MCM) technique is adopted to the module. At the same time, the manufacture of the module is possible by reasonable fabricate technics. The module includes 4 independent transceiver channels, each channel contains a 6-bit phaser and a 6-bit attenuation, it has wide-band, low-noise, high-power and good performance of amplitude and phase.

cavity design; T-shaped microstrip; bonding match; independent transceiver; broadband highperformance

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.006

2016-08-29

王立发(1981-)，男，河北邢台人，博士，研究方向为微波收发组件。

TN722.75

A

1673-5048(2016)06-0025-04