X波段四联装T组件的研究与设计

赵涛，孙斌，沈玮

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

X波段四联装T组件的研究与设计

赵涛，孙斌，沈玮

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

介绍了相控阵天线中使用的一种X波段多联装高集成度T组件，简述了该组件的原理电路、设计思想及相关工艺。在器件选型中，利用集成数个微波单片的多功能芯片，缩小组件面积。在结构布局上，合理安排各微波单片集成电路单元，利用异形结构减弱腔体效应。采用微组装工艺，设置合理的温度梯度和装配手段，提高产品可靠性。该T组件在X波段9～12 GHz带宽范围内，连续波条件下工作输出功率大于6 W，移相均方根误差小于3°。

X波段；T组件；多功能芯片；腔体效应；相位精度

1 引言

T/R组件(Transmit/Receive Modules)是相控阵雷达有源分布阵列天线的核心部件，其性能直接决定了整部雷达系统的性能[1]。为达到一定的照射距离，常常需要成百上千或更多的T组件形成阵列，相控阵天线与普通天线本质的差别在于前者的每个阵元或者子阵都有移相器，通过程控移相器来改变阵元或子阵的馈电电流相位，使阵列孔径形成新的等相面，改变波束的指向，具有传统天线不具备的技术优势[2]。T/R组件间发射支路和接收支路的幅度和相位不一致将会导致有源相控阵雷达发射波束和接收波束的波束指向偏移、副瓣电平抬高和天线增益下降，最终影响有源相控阵雷达的指向精度、抗干扰能力和作用距离，其性能直接关系到整部雷达的成败。

近年来，国内外关于T/R组件的研究成果不断[3]，小型化[4]、轻便化[5]、大功率[6]、宽带[7]和高可靠性[8]等特点成为实际工程应用的发展方向。本文设计制作了一款X波段四通道连续波工作的T组件，每个通道输出功率大于6 W，移相精度小于3°，各通道间幅相一致性较好。

2 组件的设计原理与组成

T组件实现对射频信号的放大、相位控制、幅度控制及发射功率监测功能，主要由移相器、驱动放大器、功率放大器和隔离器等器件组成。四联装T组件可以提高装配密度，有效减小组件体积和重量，降低生产成本，减小调试工作量，而且有效提高了照射器性能，单个发射通道的原理框图如图1所示。

图1 T组件原理图

3 设计与实现

T组件中微波器件较多，高低功率器件排布相对集中，空间耦合影响较大，电磁兼容(EMC)问题很严重。采用腔体隔离的方法可以实现各功能电路及发射、接收通道间的电磁干扰隔离[9]。而解决电磁兼容的方法主要有三种：接地、屏蔽、滤波。考虑以上几个方面的影响，设计时为改善性能可以从以下几处入手：

（1）加强多功能芯片和功放芯片的接地，并保持接地连续性；

（2）提高微组装工艺水平，使组装和焊接技术的精确度得到进一步提高；

（3）改善发射支路放大器之间的屏蔽效果，如采用隔板进行屏蔽；

（4）减小通道纵向尺寸，使谐振频率远离工作频段。3.1多功能芯片

随着微波T/R组件小型化需求的增加，微波单片集成电路(MMIC)向小型化和多功能方向发展。现采用一款集成了6位数字移相器、驱动放大器和并行驱动器的多功能芯片，实现了芯片的小型化。多功能芯片组成原理图如图2所示。

图2 多功能芯片组成原理图

在电路设计时，多功能芯片的四周采取包地的措施来加强接地的连续性，并且在其周围增加大量的接地孔，确保微波地良好。图3为多功能芯片是否接地良好的对比图。

图3 多功能芯片加强接地前后对比图

3.2 级间隔离度设计

多功能芯片内部的驱动放大器和后一级的功放级联，增益达到了40 dB，极有可能出现自激的现象，导致通道不能正常工作，所以在多功能芯片和功放之间加了一层隔板，如图4所示，来屏蔽前后放大器之间的影响。对导带上方的隔板挖槽，如图5所示，对过孔的宽度W和高度H进行调整，保证微波信号既能正常传输，又有一定的空间隔离度。

图4 多功能芯片与功放芯片之间加隔板示意图

图5 隔板横跨导带示意图

仿真结果表明，当前后级不加隔板时，空间隔离度小于10 dB；当加上隔板，隔板中间过孔的尺寸会影响腔体内的空间隔离度，通过对不同尺寸的过孔进行仿真，结果表明当隔板开一个W=4 mm、H=4 mm的方孔时，空间隔离度大于30 dB，X波段内的整体隔离度性能优于其他尺寸对应的隔离度，对比图见图6。

3.3 腔体设计

进行组件的分腔设计时，要防止组件腔体微波电路处出现谐振。若将组件腔体视为矩形波导，则存在一定的谐振频率，当工作频率接近谐振频率时，内部的微波器件将不能正常工作。腔体的宽度可由公式(1)得出：

图6 加隔板后空间隔离度对比图

式中W为发射通道的宽度，c为光速，fc为工作截止频率，即一般微波通路的纵向尺寸要小于工作波长的1/2，该腔体宽度将有效减小辐射信号对微波元器件的影响，从而使腔体的第一谐振频率出现在工作频带之外。利用三维电磁场仿真软件HFSS对腔体进行电磁场分析，根据仿真情况及时调整微波通道的腔体宽度，使腔体的谐振频率远离工作频带。腔体谐振频率的计算如式（2）所示：

式中，c为光速，εr为相对介电常数，m、n、l为模式数，a、b、c为腔体有效宽度、长度和高度。

根据雷达发射阵面间距限制，单个发射组件的宽度为14 mm，而1/2λ=12.5 mm，经过对发射电路的优化，将纵向方向的尺寸压缩到9 mm，远远小于二分之一个工作波长，对腔体的空间电场进行仿真实验，发现整个腔体的第一谐振频率出现在9.7 GHz，第二谐振频率出现在11.8 GHz，空间电场分布如图7所示。虽然谐振点出现在X波段，但根据空间电场分布可知，谐振出现在腔体内公共区域，且并非出现在微波器件工作的区域，在每个微波发射通道内无明显电场强度分布，在热耗严重地方的通道末端（末级功率放大器芯片）未出现高强度的电场分布。即单个通道的谐振点都在工作频带外，腔内公共部分出现的谐振不会对组件的发射性能带来影响。

图7 腔体内电场分布图

4 测试结果与讨论

组件基板选择传输损耗较小且在高频时较稳定的微波多层基板，盒体结构件选用铝硅材料，盒体内部设计不同台阶高度差，确保各微波器件组装完成后表面处于同一水平面，大功率芯片下方采用铜钼铜垫块与之焊接来加强散热，选用不同熔点的高温焊料，设置合理的温度梯度来焊接大功率芯片和垫块，采用微组装工艺[11]加工出四通道T组件，实物图见图8。

图8 组件实物图

移相精度用式（3）计算：

式中n为64，表示64态。θi为在规定频率点下各态的移相量，θi0为相应态移相量的标称值。T组件通道内45°和90°的移相情况如图9所示。改版前的组件因多功能芯片接地不好和腔体设计不到位带来相位畸变，而改版后的组件在加强接地的同时，在级间隔离和腔体结构方面均做了仿真与设计，改善效果明显，移相功能良好，精度较高。

图9 两版组件通道移相45°和90°时的对比

经过样机测试，发射组件实测结果如表1所示，发射组件输出功率≥6 W，组件效率≥30%，组件移相精度＜3°(RMS)，指标全面达到并超过了设计要求。

表1 组件主要指标测试结果

5 小结

紧凑的空间增加了电路布局和电磁兼容设计的难度，但可通过合理的设计途径解决工程中的难点，实现良好的电气性能。同时，运用微波仿真软件的建模和优化可有效加速组件的设计过程。本文成功研制出尺寸为70 mm×54 mm×8.5 mm、重量仅为60 g的四通道小型化T组件，发射功率大于6 W，具有尺寸小、重量轻、频率宽、发射功率大、移相精度高等特点，适用于X波段固态相控阵雷达系统。

[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]吴礼群，孙再吉.T/R组件核心技术最新发展综述[J].中国电子科学研究院学报，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]於洪标.有源相控阵雷达T/R组件稳定性分析设计[J].电子学报，2005，33(6):1102-1104.

[9]王洁，陈波.一种X波段高功率多通道发射系统设计[J].电子科技，2014，27(6):72-74.

[10]廖原，王洁，张娟.小型化X波段双通道T/R组件的设计与实现[J].电子科技，2014，27(4):66-68.

[11]电子产品微组装技术[J].电子机械工程，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

赵涛（1981—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为微波组件设计；

2017-4-14

孙斌（1987—），男，江苏东台人，硕士，工程师，主要研究方向为T/R组件设计；

沈玮（1981—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为微波组件设计。