一种X波段十六通道瓦片式T/R组件的研制

王立发

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

雷达中大量使用T/R组件，其性能直接影响系统指标。提高T/R组件的性能，降低体积、重量以及制造成本是研究过程中不断追求的目标[1,2]。

瓦片式T/R组件是在三维高密度集成技术基础上发展起来的新一代T/R组件。传统的瓦片式T/R组件采用微组装工艺将裸芯片装配到铝盒体内，实现了小型化，但由于结构复杂，因此难以实现自动化，且无法实现高气密性，可靠性低[3-5]。本文介绍一种X波段十六通道器件级瓦片式T/R组件，它采用陶瓷管壳封装的器件，使用球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）实现组件与天线垂直互连，实现了T/R组件的小型化、低成本、可批产、高可靠。

1 瓦片式T/R组件设计

1.1 瓦片式T/R组件方案

本文研制的X波段十六通道器件级瓦片式T/R组件的原理如图1所示，主要由双向放大器器件、幅相多功能器件、收发前端器件、2×2的贴片式天线以及功分网络等组成。幅相控制多功能器件为组件的核心器件，内部集成6位数控移相器、6位数控衰减器、增益模块、开关、功分器、串并转换以及电源调制等电路，通过开关控制实现接收和发射通道间自由切换以及接收和发射状态下的移相、衰减功能。该幅相多功能器件的功耗低、移相衰减精度高、端口驻波优异，采用表贴无引线陶瓷管壳进行了封装，具有功率放大、低噪声放大等功能。此外，组件采用的器件微波性能覆盖了X波段，实现了气密等级封装，底部需要大面积接地，适用于回流焊安装工艺。

图1 瓦片T/R组件设计原理

1.2 瓦片式T/R组件架构

瓦片式T/R组件架构如图2所示，多层印刷电路板（Printed Circuit Boards，PCB）为多层混压板，其上下两面贴装有双向放大器器件、幅相多功能器件、收发前端器件、冷板等。使用BGA球将瓦片式T/R组件与2×2的贴片式天线进行垂直互连。

图2 瓦片T/R组件架构

传统瓦片式T/R组件与器件级瓦片式T/R组件的优缺点对比如表1所示。由对比可知，器件级瓦片式T/R组件在可生产性、可维修性、生产周期、成本等方面都优于传统瓦片式T/R组件。

表1 传统瓦片式T/R组件与器件级瓦片式T/R组件的对比

1.3 垂直互连仿真

采用电磁仿真软件对瓦片式T/R组件与天线垂直互连结构进行仿真优化。图3是瓦片式T/R组件与天线垂直互连仿真模型。它包括T/R组件与天线上下两层空间的BGA植球、多层混压板、天线局部模型。为了保证优异的微波性能，垂直互连的BGA植球采用了类同轴结构进行微波信号传输。仿真优化主要包括BGA植球处焊盘尺寸、板内类同轴结构金属孔的直径、信号孔和地孔的间距以及地孔的数量。最终仿真结果表明，瓦片式T/R组件与天线垂直互连模型在X波段内驻波在-20 dB以下，损耗小于0.2 dB。

图3 瓦片式T/R组件与天线垂直互连仿真模型

2 测试结果和组件外观

根据瓦片式T/R组件的设计方案和架构对组件进行装配。采用器件级瓦片式T/R组件专用自动测试设备对研制的T/R进行测试，如图4所示。

图4 器件级瓦片式T/R组件测试图

测试结果如表2所示，发射路输出功率和接收路接收增益曲线如图5所示。

表2 瓦片式T/R组件主要指标测试结果

图5 T/R组件测试曲线

通过对瓦片式T/R组件的指标性能进行测试可知，T/R组件在8～12 GHz频带内的饱和输出功率≥30 dBm，接收增益≥20 dB，噪声系数≤3.5 dB，移相精度≤4°，衰减精度≤1 dB。

采用表面贴装技术（Surface Mount Technology，SMT）工艺，将带有BGA球的2×2的贴片式天线贴装到瓦片式T/R组件上，尺寸为64 mm×64 mm×20 mm，如图6所示。

图6 瓦片式T/R组件实物

3 结 论

本文应用了双向放大器、收发前端等器件研制了一种X波段十六通道瓦片式器件级T/R组件，提出了采用BGA实现组件与天线垂直互连，节省了接头成本与体积。组件使用成熟的SMT工艺进行生产，尺寸为64 mm×64 mm×20 mm（含天线），解决了传统瓦片式T/R组件小型化与可批产、低成本之间的矛盾，实现了小型化、低成本、可批产、高可靠的目标。同时探索了一种新的组装方式，除了T/R组件领域，该组装方式在变频通道、频率源、发射机等领域也具有很高的推广价值。