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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(guò)三維布局實(shí)現(xiàn)了組件的小型化和輕量化，同時(shí)也保證了射頻、電源和控制的信號(hào)完整性。通過(guò)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(hào)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(hào)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(jià)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(gè)目標(biāo)一同追蹤等優(yōu)點(diǎn)，其在多個(gè)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(cè)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(hào)的放大，同時(shí)針對(duì)信號(hào)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(tái)的現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)展，對(duì) 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(guò)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(wú)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(chǎng)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(duì)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(tái)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(cè)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(jí)或者是多級(jí)功率放大電路，接收通道包含了單級(jí)或者是多級(jí)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(kāi)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(dòng)、檢測(cè)回傳等。由于有源相控陣天線性能調(diào)改的需求，所以還會(huì)在 T /Ｒ 組件中增加電調(diào)衰減器、多狀態(tài)收發(fā)開(kāi)關(guān)等 。

T /Ｒ 組件具有發(fā)射功率放大、接收信號(hào)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(dòng)、激勵(lì)信號(hào)輸進(jìn)以后，T /Ｒ 組件的工作狀態(tài)便會(huì)通過(guò)控制板所接收到的雷達(dá)指令以及時(shí)序脈沖來(lái)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(shí)序。T /Ｒ 組件會(huì)分別工作在發(fā)射、接收與收發(fā)轉(zhuǎn)換的中間過(guò)渡狀態(tài)。

圖 1 T/Ｒ 組件的收發(fā)時(shí)序

所謂發(fā)射狀態(tài)，即在 t T 時(shí)段內(nèi)，T /Ｒ 組件的收發(fā)開(kāi)關(guān)、移相器會(huì)處在不變的狀態(tài)，信號(hào)通過(guò)移相器、前級(jí)放大器、末級(jí)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(duì)功放電路進(jìn)行電源脈沖調(diào)制，供電電源調(diào)制時(shí)序嵌套于發(fā)射時(shí)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(shí)序。

圖 2 T/Ｒ 組件發(fā)射鏈路和時(shí)序

所謂接收狀態(tài)，即在 t Ｒ 時(shí)段內(nèi)，T /Ｒ 組件的移相器、電調(diào)衰減器會(huì)處在不變的狀態(tài)中。信號(hào)會(huì)通過(guò)環(huán)行器、限幅器、前級(jí)低噪聲放大器、電調(diào)衰減器、后級(jí)低噪聲放大器、移相器，輸出到下一級(jí)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(huì)針對(duì)下一個(gè)脈沖波束所表明的相位、波束賦形幅度與對(duì)應(yīng)頻率幅度進(jìn)行計(jì)算，與之對(duì)應(yīng)的 T /Ｒ 組件會(huì)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(shí)序。

圖 3 T/Ｒ 組件接收鏈路和時(shí)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?jī)蓚€(gè)共用了一個(gè) 0. 5λ/1λ 可切換的固定延時(shí)器，以滿足相控陣天線大掃描角度的需求，固定延時(shí)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(gè)通道的輸出端都耦合出一路信號(hào)，通過(guò)LTCC 基板內(nèi)部功和網(wǎng)絡(luò)將四路耦合信號(hào)合成為一路作為定標(biāo)信號(hào)，此定標(biāo)信號(hào)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(guò)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(guò)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(jí)功放的輸出功率，當(dāng)功放的輸入激勵(lì)信號(hào)電平為 22 dBm 時(shí)，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(shí)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(hào)層、電源層、控制信號(hào)層與接地層，為了確保信號(hào)完整性，通常都會(huì)把微波平面電路放到上面三層，而將控制信號(hào)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(guò)孔的形式與底板相連，通過(guò)網(wǎng)格過(guò)孔的方式，不會(huì)對(duì)電源以及控制走線造成影響，同時(shí)還能夠經(jīng)過(guò)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(huì)對(duì)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(huì)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(duì)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(guò)渡將會(huì)影響組件信號(hào)的傳輸，針對(duì)這一過(guò)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(guò)程中存在模式變換，若處理不好，此處的變換會(huì)產(chǎn)生較大的反射，本模型過(guò)渡采用梯形過(guò)渡的方式，同時(shí)在帶狀線頂部地層做了一個(gè)三角開(kāi)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(guò)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(duì)腔體效應(yīng)進(jìn)行考慮。如果腔體處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)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(zhǎng)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(jí)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(wèn)題，本文將電源和控制電路集中放在一個(gè)隔離位置，避免了與射頻信號(hào)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(méi)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(guò)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(hào)每?jī)蓚€(gè)通道耦合為一路信號(hào)，再通過(guò) LTCC 基板內(nèi)部的功和器功和為一路信號(hào)。

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(guò)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(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)通道間的信號(hào)傳輸起到了隔離作用。

整個(gè) LTCC 基板共 14 層，其中 layer1 ～ layer2為電源和控制信號(hào)。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(gè)地彼此間運(yùn)用過(guò)孔銜接。MMIC 芯片與射頻信號(hào)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(guò)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(guò)程中，低散熱量的 MMIC 芯片通過(guò)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(guò)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(guò)程中做了相應(yīng)的溫度梯度焊接，來(lái)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(hào)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(cè)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(jí)的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，微小的差別也是正常現(xiàn)象。

圖 11 Ku 波段 T/Ｒ 組件發(fā)射功率測(cè)試結(jié)果

通過(guò)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì) T /Ｒ 組件進(jìn)行增益測(cè)試，四通道的增益測(cè)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(cè)試結(jié)果

通過(guò)使用噪聲分析儀對(duì) T /Ｒ 組件的噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，四通道的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果和測(cè)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(guò)程中微組裝工藝等對(duì)接收增益等電性能的影響，并給出了相應(yīng)的措施。最后對(duì) Ku波段四通道 T /Ｒ 組件進(jìn)行測(cè)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(duì) T /Ｒ 組件小型化、輕量化的技術(shù)要求，對(duì)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(cè)試結(jié)果

作者：譚 承 ，喻忠軍 ，朱志強(qiáng) ，謝春雙