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基于相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用需求，利用 LTCC 多層基板技術(shù)，研制了 Ku 波段四通道 T/Ｒ 組件。該組件通過三維布局實(shí)現(xiàn)了組件的小型化和輕量化，同時也保證了射頻、電源和控制的信號完整性。通過微帶線變換帶狀線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了良好的傳輸性能，提高了四通道信號間的隔離度。腔體內(nèi)部做了隔墻設(shè)計(jì)，避免四通道的信號干擾，保證一致性。最終研制實(shí)現(xiàn)的小型化 Ku 波段四通道 T/Ｒ 組件，尺寸僅為 70 mm×37. 8 mm×11. 5 mm，質(zhì)量約 53 g，組件接收增益大于 25 dB，噪聲系數(shù)小于 4 dB，發(fā)射功率大于 16 W。該 T/Ｒ 組件四通道一致性好，性能穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用價值。

引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)憑借自身先進(jìn)的技術(shù)特征與較大的潛在優(yōu)點(diǎn)目前已經(jīng)成為現(xiàn)代雷達(dá)進(jìn)展的重要趨向。有源相控陣?yán)走_(dá)所覆蓋的范圍比較大，抗干擾也非常強(qiáng)，并且具有掃描迅速、波束控制敏捷、可以進(jìn)行多個目標(biāo)一同追蹤等優(yōu)點(diǎn)，其在多個領(lǐng)域當(dāng)中都獲得了廣泛運(yùn)用，如軍事、導(dǎo)航、通訊、氣象預(yù)測等 。T /Ｒ 組件是相控陣?yán)走_(dá)當(dāng)中比較重要的組成，其主要作用是實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號的放大，同時針對信號實(shí)行相位與幅度調(diào)節(jié)，其性能高低將直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的收發(fā)波束副瓣抑制大小、指向精度等戰(zhàn)術(shù)指導(dǎo) 。

伴隨多應(yīng)用平臺的現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)展，對 T /Ｒ 組件的電性能、體積以及重量等都提出了更為嚴(yán)苛的要求。在電路設(shè)計(jì)過程中，傳統(tǒng)多芯片組件 MCM(Multi－Chip Module) 方式與傳統(tǒng)構(gòu)造方式已經(jīng)無法滿足需求，因此一定要探索集成度更高的設(shè)計(jì)方式。低溫共燒陶瓷 (Low TemperatureCo－fired Ceramic，LTCC)技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 80 年代中期，是一種新型的多層基板技術(shù)，具有布線密集、集成度高等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在高速數(shù)字電路、微波 MCM 和系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)當(dāng)中都有了非常普遍的運(yùn)用，是非常適合 MCM 組裝的介質(zhì)基板技術(shù) 。高密度小型化 T /Ｒ 組件的研制，得益于單片微波集成電路(Monolithic Microwave IntegratedCircuit，MMIC) 、砷化鎵場效應(yīng)器件(GaAsFET)和低溫共燒陶瓷(LTCC)等眾多新器件以及新工藝的迅速發(fā)展。

對于 Ku 波段小型化 T /Ｒ 組件的設(shè)計(jì)，一定要充分考慮相控陣?yán)走_(dá)功率較高、噪聲較小、高精度移相衰減等技術(shù)特點(diǎn)，并且適用于機(jī)載平臺設(shè)施體積小、質(zhì)量輕等特征。本文基于 14 層 LTCC 基板，應(yīng)用多芯片組件(MCM)集成技術(shù)和 MMIC 金絲鍵合微組裝工藝 ，Ku 波段 T /Ｒ 組件采用四通道設(shè)計(jì)，提供了樣機(jī)的實(shí)測數(shù)據(jù)。最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件，尺寸為 70 mm×37. 8 mm×11. 5 mm，質(zhì)量約 53 g，組件增益大于 25 dB，平坦度小于 1 dB，發(fā)射功率大于 16 W，噪聲系數(shù)小于 3. 5 dB。應(yīng)用三維 LTCC 基板實(shí)現(xiàn)了 T /Ｒ 組件的高密度集成，相比于傳統(tǒng) T /Ｒ 組件有效減小了體積并實(shí)現(xiàn)了輕量化。

1 T/Ｒ 組件工作原理

T /Ｒ 組件的組成與功能隨有源相控陣?yán)走_(dá)的需求也發(fā)生轉(zhuǎn)變。T /Ｒ 組件包含發(fā)射通道、接收通道以及供電、波束控制等部分。T /Ｒ 組件發(fā)射通道包含了單級或者是多級功率放大電路，接收通道包含了單級或者是多級低噪聲放大電路與限幅保護(hù)電路，T /Ｒ 組件收、發(fā)通道通用的部分包含了環(huán)行器、收發(fā)開關(guān)、移相器，而供電方面則包含了電源轉(zhuǎn)換，波束控制包含了指令接納、計(jì)算、邏輯輸出、驅(qū)動、檢測回傳等。由于有源相控陣天線性能調(diào)改的需求，所以還會在 T /Ｒ 組件中增加電調(diào)衰減器、多狀態(tài)收發(fā)開關(guān)等 。

T /Ｒ 組件具有發(fā)射功率放大、接收信號放大、收發(fā)轉(zhuǎn)換、陣面幅度修正和波束掃描等功能。當(dāng)電源啟動、激勵信號輸進(jìn)以后，T /Ｒ 組件的工作狀態(tài)便會通過控制板所接收到的雷達(dá)指令以及時序脈沖來進(jìn)行控制與同步，圖 1 所展示的便是相控陣?yán)走_(dá)T /Ｒ 組件的收發(fā)時序。T /Ｒ 組件會分別工作在發(fā)射、接收與收發(fā)轉(zhuǎn)換的中間過渡狀態(tài)。

圖 1 T/Ｒ 組件的收發(fā)時序

所謂發(fā)射狀態(tài)，即在 t T 時段內(nèi)，T /Ｒ 組件的收發(fā)開關(guān)、移相器會處在不變的狀態(tài)，信號通過移相器、前級放大器、末級放大器，經(jīng)環(huán)行器然后到達(dá)陣元輻射。為了提高效率，通常對功放電路進(jìn)行電源脈沖調(diào)制，供電電源調(diào)制時序嵌套于發(fā)射時序中。圖 2 所示的是相控陣?yán)走_(dá) T /Ｒ 組件發(fā)射鏈路和時序。

圖 2 T/Ｒ 組件發(fā)射鏈路和時序

所謂接收狀態(tài)，即在 t Ｒ 時段內(nèi)，T /Ｒ 組件的移相器、電調(diào)衰減器會處在不變的狀態(tài)中。信號會通過環(huán)行器、限幅器、前級低噪聲放大器、電調(diào)衰減器、后級低噪聲放大器、移相器，輸出到下一級波束合成網(wǎng)絡(luò)。在 t Ｒ 后段，雷達(dá)波束控制系統(tǒng)便會針對下一個脈沖波束所表明的相位、波束賦形幅度與對應(yīng)頻率幅度進(jìn)行計(jì)算，與之對應(yīng)的 T /Ｒ 組件會實(shí)現(xiàn)移相器與電調(diào)衰減器的置位響應(yīng)。圖 3 是相控陣雷達(dá) T /Ｒ 組件接收鏈路和時序。

圖 3 T/Ｒ 組件接收鏈路和時序

Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件的原理框圖如圖 4 所示，文章中 Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件其中每兩個共用了一個 0. 5λ/1λ 可切換的固定延時器，以滿足相控陣天線大掃描角度的需求，固定延時器的插入損耗較大，使用雙向放大器進(jìn)行了增益補(bǔ)償。T /Ｒ 組件每個通道的輸出端都耦合出一路信號，通過LTCC 基板內(nèi)部功和網(wǎng)絡(luò)將四路耦合信號合成為一路作為定標(biāo)信號，此定標(biāo)信號可以有效驗(yàn)證四通道T /Ｒ 組件是否工作正常。

圖 4 Ku 波段四通道 T/Ｒ 組件原理框圖

本文研制的 Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表 1 所示。

表 1 Ku 波段四通道 T/Ｒ 組件主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖 5 為 T /Ｒ 組件鏈路計(jì)算圖，圖中 P 為功率值; G 為增益值; IL 為插損值; NF 為噪聲系數(shù);GAIN 為接收總增益。公式(1)為增益計(jì)算公式，公式(2)為噪聲系數(shù)計(jì)算公式。經(jīng)過計(jì)算，T /Ｒ 組件接收鏈路的增益為 24. 3 dB。組件的噪聲系數(shù)主要取決于低噪聲放大器及其之前的電路，經(jīng)過公式(2)的計(jì)算，組件的噪聲系數(shù)為 3. 73 dB。T /Ｒ 組件的發(fā)射功率主要取決于末級功放的輸出功率，當(dāng)功放的輸入激勵信號電平為 22 dBm 時，功放的輸出功率 為 44 dBm，所 以 組 件 的 最 終 輸 出 功 率 為42. 5 dBm。

圖 5 T/Ｒ 組件鏈路計(jì)算

2 電路設(shè)計(jì)

2. 1 LTCC 基板設(shè)計(jì)

LTCC 基板是微波電路、邏輯控制電路以及電源的載體，同時還是 T /Ｒ 組件設(shè)計(jì)能否設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。分層、接地與電磁兼容性三方面是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。LTCC 基板通常包含信號層、電源層、控制信號層與接地層，為了確保信號完整性，通常都會把微波平面電路放到上面三層，而將控制信號與電源放到中間層，這樣可以從很大程度上確保電路的 EMC 性能。在提升組件集成度方面，微波地采取垂直過孔的形式與底板相連，通過網(wǎng)格過孔的方式，不會對電源以及控制走線造成影響，同時還能夠經(jīng)過調(diào)整網(wǎng)格間距，使 LTCC 原有的諧振頻率得以消除，或者是減少它的諧振強(qiáng)度，使組件更加平穩(wěn)的工作。電源線上的插入損耗會對效率造成非常大的影響，因此電源布線應(yīng)盡可能寬且路徑也盡可能短。圖 6 為本文 LTCC 基板的基本構(gòu)造剖視圖。

圖 6 LTCC 基板結(jié)構(gòu)剖視圖

如圖 6 所示，LTCC 基板的設(shè)計(jì)會涉及到不同微波電路形式的變換。在本文設(shè)計(jì)中，微波電路采用帶狀線傳輸形式，在芯片射頻端口轉(zhuǎn)換為微帶線。一方面有效避免了電磁干擾，另一方面在芯片位置可以形成墻體，對通道間實(shí)現(xiàn)物理隔離，增加通道間的隔離度。

微帶線到帶狀線的過渡將會影響組件信號的傳輸，針對這一過渡構(gòu)造做了重點(diǎn)仿真。如圖 7 所示，模型為微帶線 － 帶狀線 － 微帶線的背靠背結(jié)構(gòu)，在微帶線到帶狀線的轉(zhuǎn)換過程中存在模式變換，若處理不好，此處的變換會產(chǎn)生較大的反射，本模型過渡采用梯形過渡的方式，同時在帶狀線頂部地層做了一個三角開窗，由此得到較好的傳輸性能。圖8 所示是 DC～45 GHz 的 S 參數(shù)仿真結(jié)果。

圖 7 微帶線到帶狀線的過渡結(jié)構(gòu)

圖 8 DC～45 GHz 的 S 參數(shù)仿真結(jié)果

2. 2 電路布局設(shè)計(jì)

T /Ｒ 組件應(yīng)對腔體效應(yīng)進(jìn)行考慮。如果腔體處理不當(dāng)，會出現(xiàn)信號自激以及相位畸變。通常將微波傳輸垂直方向的腔體距離小于二分之一工作波長進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以避免諧振頻率的產(chǎn)生。天線端口位置的損耗影響著噪聲系數(shù)和輸出功率，采取的措施為末級功放和低噪聲放大器盡量接近天線端口。電源和控制電路的設(shè)計(jì)主要考慮電磁兼容問題，本文將電源和控制電路集中放在一個隔離位置，避免了與射頻信號的干擾。圖 9 為 Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件的電路布局示意圖。

圖 9 Ku 波段四通道 T/Ｒ 組件電路布局示意圖

電路前端包含了耦合器、環(huán)形器、功放、限幅器和低噪放電路，這一部分采用單獨(dú)的工藝處理，并沒有集成進(jìn) LTCC 基板，有以下三方面原因: 第一，四通道的功放芯片需要較好的散熱效果，功放芯片通過鉬銅載體直接共晶在硅鋁合金的盒體上;第二，為了保證四通道良好的隔離度，隔離墻直接在硅鋁盒體上形成; 第三，定標(biāo)信號每兩個通道耦合為一路信號，再通過 LTCC 基板內(nèi)部的功和器功和為一路信號。

后端電路集成在一塊 LTCC 基板上，實(shí)現(xiàn)了高度的集成化。LTCC 基板上的射頻芯片位置都進(jìn)行了挖腔處理，射頻芯片通過使用導(dǎo)電膠粘接在墻體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了良好的屏蔽效果。供電和控制電路集中在組件一側(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，從而避免射頻和電源的相互串?dāng)_。功放電源的調(diào)制電路靠近功放芯片，實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)制功能。同時，為了實(shí)現(xiàn)對功放芯片良好的電源供應(yīng)，組件內(nèi)部加入了三只 100 μF 的電容，三只鉭電容與四只驅(qū)放芯片隔離擺放設(shè)計(jì)，鉭電容對通道間的信號傳輸起到了隔離作用。

整個 LTCC 基板共 14 層，其中 layer1 ～ layer2為電源和控制信號。Layer3～ layer9 是射頻走線層，layer6 為帶 狀 線 層，layer3 層 是 帶 狀 線 上 層 地，layer9 層是帶狀線下層地，各個地彼此間運(yùn)用過孔銜接。MMIC 芯片與射頻信號走線置于同一層。

3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果

LTCC 基板的生產(chǎn)過程主要有打孔、填孔、導(dǎo)體印刷、層壓、熱切、燒結(jié)、劃片和后燒等多道工序。Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件在微組裝過程中，低散熱量的 MMIC 芯片通過導(dǎo)電膠粘接在 LTCC 基板上，高散熱量的芯片(如功放芯片)通過共晶的工藝焊接在鉬銅載體上，然后再焊接在盒體上。由于MMIC 芯片較多，在微組裝過程中做了相應(yīng)的溫度梯度焊接，來保證后期的可維修性。Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件外形尺寸為 70 mm × 37. 8 mm × 11. 5mm，質(zhì)量約為 53 g，實(shí)現(xiàn)了小型化和輕量化。

圖 10 Ku 波段四通道 T/Ｒ 組件實(shí)物圖

Ku 波段四通道 T /Ｒ 組件在其工作頻率范圍內(nèi)，在 10%的占空比下，使用信號源和功率計(jì)等儀器，四通道發(fā)射鏈路輸出功率均大于 16 W，測試結(jié)果如圖 11 所示?？梢钥吹剿耐ǖ澜M件的輸出功率在工作頻率范圍內(nèi)具有較好的平坦度和一致性，同仿真結(jié)果相吻合。由于有源電路多級的級聯(lián)效應(yīng)，微小的差別也是正?，F(xiàn)象。

圖 11 Ku 波段 T/Ｒ 組件發(fā)射功率測試結(jié)果

通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對 T /Ｒ 組件進(jìn)行增益測試，四通道的增益測試曲線如圖 12 所示，增益均大于 25 dB，增益帶內(nèi)平坦度小于 2. 1 dB，并且四通道具有較好的一致性。

圖 12 T/Ｒ 組件接收增益測試結(jié)果

通過使用噪聲分析儀對 T /Ｒ 組件的噪聲系數(shù)進(jìn)行測試，四通道的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果和測試結(jié)果如圖 13 所示，噪聲系數(shù)均小于 4 dB，并且四通道具有較好的一致性，滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié) 論

文章提出了適用于相控陣?yán)走_(dá)的 Ku 波段 T /Ｒ組件研制，應(yīng)用了低損耗 LTCC 基板工藝，分析了四通道組件研制過程中微組裝工藝等對接收增益等電性能的影響，并給出了相應(yīng)的措施。最后對 Ku波段四通道 T /Ｒ 組件進(jìn)行測試，組件接收增益大于25 dB，噪聲系數(shù)小于 4 dB，發(fā)射功率大于 16 W，結(jié)果表明其滿足相控陣?yán)走_(dá)對 T /Ｒ 組件小型化、輕量化的技術(shù)要求，對后續(xù)組件的工程化研制有一定的指導(dǎo)意義。（參考文獻(xiàn)略）

圖 13 T/Ｒ 組件噪聲系數(shù)測試結(jié)果

作者：譚 承 ，喻忠軍 ，朱志強(qiáng) ，謝春雙