毫米波T/R子阵研究与设计

张　维，张均华



毫米波T/R子阵研究与设计

张维，张均华

（南京电子器件研究所，南京 210016）

介绍了毫米波T/R子阵的设计方法，给出减小阵面体积、提高阵面散热能力、提高阵面可靠性和维修性等关键技术问题的解决方案。实际制作出一款Ka波段8×8通道T/R子阵。该T/R子阵具有频段高、体积小、集成度高、电性能优异、可扩展性强、可维修性强等特点。

毫米波；T/R子阵；大口径相控阵；体积；散热

1　引言

毫米波相控阵应用前景广阔，其综合了毫米波和相控阵的优点，可实现大范围、快速、多目标的搜索跟踪，是现代雷达应用发展的重要方向［1］。但由于天线尺寸空间的限制，频率越高，要求阵子间距越小，T/R组件尺寸越小，需要在有限的空间内进行合理的电路与结构设计，通过进一步提高阵面集成度，提升系统的综合性能。同时，每个T/R组件都会产生热耗，尺寸越小，天线阵面的热功率密度越大［2，3］。长时间的热能聚集会导致芯片内部温度升高，一旦高于芯片结温，芯片将可能永久失效，散热冷却成为设计中的重点和难点。

本文设计了一款Ka波段8×8通道T/R子阵，每个子阵有1个射频输入激励口及64个射频输出口，满足毫米波相控阵电性能指标、体积及散热要求，并可方便地扩展出更大口径的毫米波相控阵，有效降低了毫米波相控阵的设计难度。

2　子阵设计

2.1电路设计

T/R子阵由8只8通道模块组成，其中8通道模块由8个T/R通道、馈电网络、脉冲调制电源等构成。每个T/R通道内包含五位移相器、五位衰减器、收发切换开关、低噪声放大器以及功率放大器芯片，实现信号放大、幅度和相位调整功能，电原理图见图1。

图1　T/R单通道电原理图

接收支路由两级低噪声放大器、五位数控移相器、五位数控衰减器、开关以及一分八功分网络组成，考虑天线以及各种传输模式间转换的插入损耗，预计接收支路的增益为15.8 dB，噪声系数为4.1 dB。

发射支路由一分八功分网络、移相器、衰减器、开关、驱动放大器、高功率放大器等部分组成，考虑天线以及各种传输模式间转换的插入损耗，预计发射支路饱和输出功率约为26 dBm。模块链路设计满足系统对组件的电性能指标要求。

8通道模块采用LTCC基板封装一体化设计方法，利用LTCC多层基板可实现微波电路三维信号传输的特点，将LTCC基板既作为各类信号及元器件的载体，又作为元器件封装的外壳，在提高封装密度、减小体积、减轻重量的同时，改善微波特性，提高可靠性［4］。

8只8通道模块由一分八功分网络进行功率分配或合成。常见馈线网络波导体积巨大，显然不能满足毫米波相控阵的体积要求，且固定困难，易损坏或变形。采用微带功分，由7只威尔金森功分器级联而成，具有体积小、重量轻、结构简单、易于实现等优点。功分网络集合口通过驱动模块后，经微带转换成标准BJ320波导结构。

2.2结构设计

结构设计是子阵设计的重要部分之一，子阵结构为组件提供一个良好的保护环境、支撑和安装界面。结构设计时考虑以下几方面：体积、重量、安装、散热、接口位置和形式、环境适应性。

在选择子阵结构材料时统筹考虑了强度、成本、重量、加工性、热和电性能要求等方面综合因素。由于子阵要求重量轻、传热快，同时要求结构所用材料能够易于加工，选择铝作为主体材料。

制作功分盒体，实现功分网络、驱动模块、微带-波导转换以及控制信号与电源汇流板功能一体化设计，有效缓解布局压力，体积仅为37mm×34mm×39mm。微波接口采用标准BJ320波导口，控制信号和电源采用接插件，实现微波信号、控制信号、电源互相隔离。波导口与接插件位置分布合理，与后端连接时互不干扰。

将8通道模块、天线单元与功分盒体连接，形成T/R子阵。子阵的总体结构如图2所示。每个子阵均具有独立的安装口，将其与阵面框架螺钉连接，即可快速拼装形成大口径面阵，降低了组阵难度，便于有源相控阵的拓展和重构。子阵采用了模块化设计，以功能单元的互换为前提，包括功能互换和尺寸互换，发生故障时可直接替换故障模块，实现快速维修。

2.3热设计

毫米波子阵体积小，内部集成了众多热源，其中最大的热源是末级功率放大器，受制于芯片自身效率，大部分功耗都将以热能形式散发出去。为达到单通道26 dBm饱和输出功率的要求，选择的末级功率放大器连续波热耗大于2.6 W。子阵在很小的空间内集成了64个通道，为避免热能聚集导致芯片失效，设计时需充分考虑散热，以提高系统可靠性。

子阵热设计包括以下方面：（1）功放芯片设计时充分考虑热效应，增加器件栅栅间距，减小单指栅宽，减小芯片厚度；（2）版图设计时，将热耗器件分散放置，防止热源集中；（3）LTCC采用密集通孔方式，提高散热效率，减少热阻；（4）烧结或粘接工艺控制空洞率，减小热阻；（5）提高安装面平整度，减小表面粗糙度，增加模块与散热板的接触面积，提高散热效果；（6）子阵系统加装液冷装置，靠近末级功率放大器，有效提高散热效率。

采用Flotherm热仿真软件对子阵设计进行仿真研究，重点关注高热耗芯片内部沟道温度。通过Solidworks绘图软件按照实物绘制出三维模型，将实体模型导入到热仿真软件中，并为各实体部件设置相应的材料属性。仿真时，设置外部环境温度为25℃，冷管温度为50℃。

图3为仿真出的温度分布云图，即达到热平衡状态下的温度分布情况。从图中可以看出，芯片管芯位置温度最高，热量向四周均匀扩散，呈递减趋势，冷管处温度最低。当控制冷管温度在50℃时，芯片结温为102℃，满足芯片结温低于150℃的可靠性要求，子阵可以正常工作。

3　子阵性能

采用上述设计方法，最终研制出一款Ka波段8×8通道T/R子阵，体积仅为116 mm×34 mm×43 mm。使用矢网、信号源、功率计等仪器进行电性能测试，测试结果如下：输入驻波小于1.8，噪声系数小于4.5 dB，增益大于20 dB，功率大于26 dBm，移相控制误差小于5°（RMS），衰减控制误差小于±（0.3 dB+7%×衰减量）。

将多个子阵组装成大口径天线阵，交付整机单位使用，进行了方向图测试、辐射功率增益积测试以及整机系统实验室测试，测得的天线增益、副瓣、指向精度、测角精度、系统灵敏度等主要指标均满足系统要求。进行了外场目标跟飞试验，系统工作稳定，探测距离达到要求。系统散热效果良好，满足系统长时间稳定工作的需求。

4　结论

本文对毫米波T/R子阵的设计方法做了介绍，并实际研制出一款Ka波段8×8通道T/R子阵，具有优良的微波性能，单通道输出功率大于26 dBm，体积仅为116 mm×34 mm×43 mm，满足毫米波相控阵严格的体积和散热要求，系统工作稳定。子阵采用模块化设计，具有强大的扩展能力和可替换性，简化了毫米波相控阵系统的研制过程，对于大口径毫米波相控阵研究具有较高的价值。

［1］石星.毫米波相控阵雷达及其应用发展 ［J］.电讯技术，2008（1）：6-12.

［2］於洪标.X波段T/R组件功率放大器芯片的热设计［J］.现代雷达，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］沈亚，周骏，沈亮，叶育红，李朝阳，孙春妹，张维.多通道小型化三维封装T/R组件 ［J］.固体电子学研究与进展，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

张维（1985—），女，江苏南通人，硕士，现为中国电子科技集团公司第55研究所工程师，主要从事T/R组件电路设计工作。

2016-6-21