X波段氮化镓小型化T/R组件的设计与实现

肖 宁，秦立峰，张 选，程显平

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

X波段氮化镓小型化T/R组件的设计与实现

肖 宁，秦立峰，张 选，程显平

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

针对高功率T/R组件的小型化问题，提出了一种X波段氮化镓(GaN)小型化T/R组件的设计与实现方法。在小型化尺寸内实现了4个收发通道，内部包含了318个元器件。对组件复杂功能及由此带来的工艺装配问题和热问题进行了阐述与分析。研制出了采用多功能芯片技术、多层复合基板技术和多芯片组装(MCM)技术的组件，内部高度集成，实现了小型化。测试结果表明，组件尺寸为65 mm×60 mm×8.5 mm，发射输出功率≥30 W，实现了小型化和良好的电气性能。

T/R组件；X波段；多功能芯片；多层复合基板；多芯片组装；氮化镓；小型化

AbstractAiming at the problems on miniaturization of high-power T/R module,design and implementation methods of miniaturized X-band GaN T/R module are presented.The T/R module contains 4 transmitting and receiving channels in a miniaturized dimension,which is built up by 318 devices.Assembly process and thermal problems are analyzed,which are brought by complicated function.Multifunctional transmit/receive chip,microwave composite substrate and MCM technologies are used to make the T/R module integrated and miniaturized.Tests show that the dimension of the T/R module is 65 mm×60 mm×8.5 mm,the output power of the transmitting channel can reach at least 30 W.The electrical and structural properties are technically satisfied.

KeywordsT/R module;X-band;multifunctional chip;microwave composite substrate;MCM technology;GaN;miniaturized

0 引言

T/R组件是构成有源相控阵雷达天线的基础，是有源相控阵雷达的核心部件[1]。T/R组件的功能主要包括：发射信号的放大、接收信号的放大、天线波束扫描所需要的相移及波束控制等。在整个雷达系统中，T/R组件是整机系统成本高低的决定性因素[2]。高性能、高可靠的T/R组件是雷达的核心部件。X波段的相控阵雷达由于波长短，探测精度高，并且天线口径小，重量轻，广泛应用于各种探测、制导及成像系统[3]。因此，对X波段T/R组件的研制非常重要[4]。

多功能芯片技术[5]在T/R组件中的应用越来越广泛。T/R多功能芯片单片中集成了5～8种芯片，有效地降低了成本，提高了可生产性与可靠性。

与LTCC基板相比，多层复合基板[6]具有如下优点：生产加工成本低，约为LTCC基板成本的1/4～1/10；可以生产大尺寸幅面基板，面积比LTCC扩大5～10倍，可满足电路组装要求；组装工艺性好。

MCM技术[7]的发展使得组件体积显著减小，实现了多通道输出。通过合理的设置工艺流程，可以成功地解决了数百只芯片的装配问题，提高成品率。

本文提出了一种X波段GaN小型化T/R组件，相比较传统的X波段高功率T/R组件，使用了多功能芯片，采用多层互联复合基板技术和MCM技术，具有体积小、散热良好和可靠性高等特点。

1 总体设计方案

X波段GaN小型化T/R组件，每个通道均由1∶4功分器、多功能芯片、接收支路、发射支路和环行器组成。单芯片实现多功能微波电路是T/R组件技术的发展趋势，高度的集成化可以显著提高T/R组件的一致性，降低成本，缩小体积，增加可靠性，从而提高整体的系统性能[8]。T/R多功能芯片内部集成数控移相、数控衰减、收发开关、接收与发射放大、串并转换等多种功能，使得T/R组件的每个通道仅由5只芯片组成，既节约了成本，又简化了装配。组件原理框图如图1所示。

图1 组件原理

2 技术特点和难点

针对X波段GaN小型化T/R组件功能复杂、4通道外形尺寸仅有65 mm×60 mm×8.5 mm、输出功率达到30 W等设计难点，在电路设计、工艺设计和结构设计上分别采取了先进的措施，将318只元器件合理地安排在腔体内，避免了各器件间的相互干扰与串扰，并能实现稳定的高功率输出和良好的散热。

2.1 小型化结构设计与电磁兼容设计

针对现有结构，对T/R组件的散热和减重综合做出了考虑。首先要求盒体有良好的热传导。考虑到重量和精度，盒体采用了硬铝合金LY12材料(密度2.7 g/cm3)，并采用了精密加工方法。另外T/R组件壳体采用密封结构，在设计上保证产品的电磁兼容性。组件三维结构图如图2所示。

图2 组件三维结构

T/R组件内部微波传输通道使用了大量微带线，传输线间会在空间内相互耦合影响。为解决这一技术难点，在规定的外形尺寸范围内将通道间做了单独的分腔，设计了间距9.5 mm的腔体可以有效地防止器件间的相互干扰。腔体的谐振波长由下式得到[9]：

式中，λ0为波长；a、b和c为腔体的长、宽和高；m、n和p分别为场沿a、b和c分布的半驻波个数。

2.2 功率设计与热设计

新型的第三代半导体 GaN 功率管具有很多优点：结温高、抗辐射和效率高等[10]。T/R组件要求发射功率大于30 W，放大器工作状态设计为饱和工作，要求前级驱动放大部分的增益和输出动态使末级功率放大部分工作在饱和区。选用了GaN功率单片作为T/R功放，所用空间显著小于使用多路GaAs功率单片合成或内匹配功率管作为末级功放的电路。

组件输出功率不仅影响雷达系统的威力还影响组件效率。组件效率计算公式如下[11]：

式中，Pouti为组件单个通道输出峰值功率；Pin为组件输入功率；r为占空比；I1为 +5 V电源电流；I2为 -5 V电源电流；Ii为单通道工作时+28 V电源电流。

T/R组件最高发射功率超过了30 W，为了解决组件的散热问题，首先尽量提高T/R组件的发射效率，然后着力改善组件的散热环境。同时采用热分析软件仿真，针对最恶劣的仅靠热辐射的散热环境建立组件的热仿真模型，分析T/R组件的稳态温度分布和散热状况。热仿真模型、芯片结温仿真结果如图3和表1所示。

图3 热仿真模型

仿真结果表明，当工作温度为+65 ℃时，各芯片均工作在安全工作结温范围内。

3 关键技术

3.1 多层互联复合基板技术

由于组件工作频率高，且4个T/R通道集中在一个腔体内同时工作，因此各个接收和发射通道之间、低频电路和微波电路间的相互干扰和信号串扰非常严重[12]。为此在T/R组件内部基板上采用了多层互连复合基板，通过3层走线布局进行数字微波隔离、滤波和电磁屏蔽等措施来解决T/R信号串扰问题，而且实现了T/R组件的小型化设计。多层互连复合基板示意图如图4所示。

图4 多层互连复合基板示意

3.2 MCM技术

MCM技术的主要优势如下[13]：

① 更小的体积和尺寸；

② 更高的数据速率和信号完整性；

③ 更高的可靠性(尤其是在恶劣环境条件下)；

④ 更低的功耗和成本；

⑤ 更灵活的设计方式。

在 MCM 微组装电路设计中，为保证T/R组件的微波传输性能，需实现高密度多层基板以及射频芯片与微波组件外部封装腔体的有效烧结，以实现基板和芯片的良好接地和散热[14]。

微带线的特性阻抗Zo与基板相对介电常数εr板厚h微带线宽W导带厚度T(可忽略) 的计算经验公式为[15]:

当W/h<1时，

当W/h>1时，

式中，Zf为自由空间的波阻抗；εeff为有效介电常数。

芯片与微带线之间的连接使用金丝键合线。为了保证T/R组件的性能，降低连接失配带来的影响，对金丝键合进行了三维仿真。仿真结果如图5所示，匹配电路在通带内插损小于0.1 dB，回波损耗小于-35 dB。

图5 金丝键合匹配仿真模型仿真结果

4 测试结果分析

X波段GaN小型化T/R组件尺寸为65 mm×60 mm×8.5 mm，发射输出功率≥30 W，发射效率≥28%，接收通道增益≥23 dB，噪声系数≤2.7 dB，相位一致性≤10°。实物测试曲线如图6所示。X波段GaN小型化T/R组件实物图如图7所示。

图6 实物测试曲线

图7 X波段GaN小型化T/R组件实物

与以往类似项目对比，X波段GaN小型化T/R组件在输出功率相当的前提下，单通道尺寸减小了65%。X波段GaN小型化T/R组件与传统X波段T/R组件数据对比如表2所示。

表2 数据对比

组件尺寸/mm发射功率/W接收增益/dBX波段GaN小型化T/R组件65×60×8.5(4通道)≥30≥23传统组件80×28×10.5(1通道)≥3≥21

5 结束语

X波段GaN小型化T/R组件有完善的工艺措施来保证，体积小，性能好，可靠性高。该T/R组件在电性能指标和结构性能指标方面都已经过测试，达到了总体技术要求。T/R组件的小型化、多通道化是雷达系统的发展需求，该T/R组件的研制对雷达系统的发展起到了一定的推动作用。

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DesignandImplementationofMiniaturizedX-bandGaNT/RModule

XIAO Ning,QIN Li-feng,ZHANG Xuan,CHENG Xian-ping

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

TN958.92

A

1003-3106(2017)11-0063-04

肖宁男，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波毫米波T/R组件。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.14

肖宁，秦立峰，张选，等.X波段氮化镓小型化T/R组件的设计与实现[J].无线电工程,2017,47(11):63-66.[XIAO Ning,QIN Lifeng,ZHANG Xuan,et al.Design and Implementation of Miniaturized X-band GaN T/R Module[J].Radio Engineering,2017,47(11):63-66.]

2017-04-20

国家部委基金资助项目。

秦立峰男，(1989—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波毫米波T/R组件。