使用混合集成電路和多芯片組裝設(shè)計了高功率的T/R組件

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_的要求越來越高，而T／R組件是構(gòu)成有源相控陣?yán)走_的核心部件之一，因此對T／R組件的各個性能提出了更高的要求。同時微電子技術(shù)和MMIC電路的發(fā)展為T／R組件的設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)，當(dāng)前組件技術(shù)的發(fā)展趨勢是在利用HTCC，LTCC等多層微帶基板的基礎(chǔ)上，集成了一片或數(shù)片多功能MMIC電路，再經(jīng)過微電子互連而成。而這種組件具有體積小、重量輕、性能指標(biāo)高、一致性好的特點。

在數(shù)量相同的一組T／R組件中合成發(fā)射功率越大，其雷達照射的范圍則越大，所以研究高功率T／R組件顯得非常重要。而在T／R組件設(shè)計時，最關(guān)鍵的是功率放大模塊。該組件運用了混合集成電路(HMIC)和多芯片組裝(MCM)相結(jié)合的技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計出一種平衡放大器作為發(fā)射通道的末級功放部分，該放大器是兩只功放裸芯片和一個Wilkinson功分器組成的，最終提高了功率的輸出。

1 T／R組件的原理與組成

T／R組件原理框圖如圖1所示，在發(fā)射通道，由激勵信號源送來的信號送入組件發(fā)射通道經(jīng)過功率放大器使信號放大后饋至天線輻射單元；在接收通道，從天線收到的微弱信號經(jīng)接收通道傳到接收機。

組件接收通道包括限幅器、低噪聲放大器和數(shù)字衰減器。在組件發(fā)射期間，若天線有很大的功率反射，此時限幅器能起到保護低噪聲放大器的作用。組件發(fā)射通道則是兩級功放鏈路組成，前兩級采用芯片，而末級高功率放大器為下文重點設(shè)計介紹的。控制電路部分由數(shù)字移相器、數(shù)字可變衰減器、數(shù)字開關(guān)和驅(qū)動控制芯片組成。為了設(shè)計的需要運用了正反向的環(huán)形器，一個當(dāng)作隔離器用，另外一個作環(huán)形器用。對于電源部分，因為組件發(fā)射功率器件為GaAs器件，其必須要先加負壓(Vgs)，后加正壓(Vds，加負壓保護電路就行。

2 設(shè)計思路與設(shè)計過程

設(shè)計T／R組件時，考慮最關(guān)鍵的就是末級功放部分，因此本文將對末級功放部分展開詳細探討。

2．1 設(shè)計思路

設(shè)計一個Wilkinson功分器，采用兩個10 W功率放大器裸芯片進行合成，組成一個平衡放大器。Wil-kinson功分器采用了二等分功分器，原理框圖如圖2所示。因為信號在輸入功分器的輸出端是同相位的，所以，注入放大器A之前的信號和放大器B之后的信號需要相移，將其中的一臂增加了λ／4的線長，這樣可以利用如下公式：

如果兩個放大器完全相同，那么，S11=0，且S22=0，而且增益S21(S12也如此)等于耦合器的單邊增益。2．2 Wilkinson功分器的設(shè)計與仿真基于現(xiàn)有的工藝水平，選用的導(dǎo)體為金，其厚度為0．01 mm，由于LTCC基板的工藝精度不佳，插損比較大，故而利用陶瓷作為介質(zhì)，其介電常數(shù)εr=9．9，厚度為0．635 mm，損耗角正切值為0．006。通過軟件仿真可以計算出兩段50 Ω的線寬為W1=0．6 mm，70．7 Ω的線寬為W2=0．23 mm。電阻選為100 Ω的薄膜電阻。

按照上面的初始參數(shù)，利用HFSS仿真的結(jié)果計算，在X波段，三個端口的駐波均在1．19以下，兩臂的公分比：端口二約為-3．1 dB，端口三約為-3．5 dB、兩臂的隔離度在-27 dB以下和兩端口的相位差為90°±5°。

2．3 x波段T／R組件的電磁兼容分析

T／R組件中存在著數(shù)字信號、模擬信號、微波信號、直流信號和脈沖信號等。因此，電磁兼容設(shè)計將是工程實現(xiàn)，調(diào)機聯(lián)試中的難點，在設(shè)計階段，必須充分認(rèn)識到電磁兼容性設(shè)計的重要性。

2．3．1 腔體效應(yīng)

腔體效應(yīng)是組件EMC設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，除了諧振頻率和相應(yīng)的Q值會導(dǎo)致組件的不穩(wěn)定工作以外，腔體內(nèi)部具體場分布特征也可能導(dǎo)致組件整體性能上的失敗或成品率的下降。這里設(shè)計優(yōu)化的目標(biāo)是盡量降低腔體內(nèi)部場分布強度。另外，在熱耗嚴(yán)重地方(末級功率放大器芯片)不能有高強度的的場分布，如圖4所示。同時，末級功率放大器的抗失配比對整個支路的穩(wěn)定性也具有實際意義，而加上吸波材料來解決腔體自激現(xiàn)象也非常有用。

2．3．2 電源完整性

電源的完整性設(shè)計對T／R組件的正常穩(wěn)定工作至關(guān)重要，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)交變電流過大；二是電流回路上存在的電感。

通過改變T／R組件內(nèi)部接地方式，尤其LTCC內(nèi)部接地方式，可以在多層布線結(jié)構(gòu)要求和地平面阻抗之間找到平衡點，對各種電源之間進行地的隔離等來改善電源之間的干擾等。

3 功率放大器設(shè)計的制造工藝

采用中國電子科技集團第55研究所的兩只WFD0049型號GaAs功率管和加工的Wilkinson功分器，此功率管主要參數(shù)為：具有高功率輸出(Pout=40．0 dBm@8．5～10．5 GHz)、高增益(Gain=26 dB@8．5～10．5 GHz)、高效率(ηadd=35％)、帶高集成內(nèi)匹配等優(yōu)點。準(zhǔn)備好后采用如下工藝安裝：

3．1 芯片安裝

針對X波段高功率T／R組件來說，末級功放是發(fā)熱較大的功率器件，因此采用的共晶焊，就是通過金錫焊料將裸芯片焊接于芯片載體上，裝配時基板相應(yīng)位置開孔，帶載體再通過其他方式固定于盒體底部。

3．2 電路互連

末級放大電路互連時，芯片采用金絲熱壓焊，而基板之間的互連以及芯片電容與基板之間的互連都采用金絲球焊，為了改善微波傳輸性能，射頻輸入輸出金絲應(yīng)該盡量短，盡量使用兩根金絲互連；電源饋電旁路電容離芯片距離應(yīng)盡量短；大電流饋電焊點應(yīng)采用兩根或三根金絲，以防單根金絲過流熔斷；饋電焊點可以采用金絲球焊，能夠增加金絲的可靠性；射頻傳輸也采用金絲球焊，同樣增加了金絲的可靠性，射頻傳輸采用金絲壓焊性能更好。結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

4 X波段高功率T／R組件的分析

如圖6所示，為X波段高功率T／R組件設(shè)計的電路布局總體版圖。

根據(jù)分析，Wilkinson功分器的插損以0．6 dB來計算，通過計算得到輸出功率達到42.4dBm，即為17．8 W，而實際制造中考慮到加工工藝水平，結(jié)果要差一些，但完全可以達到16 W。

接收系統(tǒng)的增益大于25 dB，噪聲系數(shù)小于4 dB，移相精度為4°(RMS)，衰減精度為0．5°(RMS)。

5 結(jié) 語

對基于X波段T／R組件的末級功放的理論設(shè)計，能滿足高功率的要求。該設(shè)計方案正在投版，由于生產(chǎn)周期原因，還要一段時間才能加工出實物，從而進行驗證，并用于正在研制的X波段T／R組件上。同時今后仍將對此改進，如進一步縮小體積，減少插損，及提高隔離度等，將來研制的方向是將所有芯片直接設(shè)計在同一塊LTCC基板上，并能達到高性能的T／R組件。