0 引言
基于有源电扫天线的相控阵雷达具有探测距离远、效率高、可靠性高、维修性好、波束灵活和波瓣特性更好、性能高的阵列信号处理、雷达资源管理灵活以及抗干扰能力更高等一系列优点，将会占据越来越多的应用平台和领域[1-2]。现代先进防御平台要求雷达系统兼有电子战和通信功能，这个日益增长的多功能一体化需求要求有源电扫天线系统能够工作在雷达多个频段带宽上[3-4]。单X波段和单Ku波段的相控阵雷达系统已实现工程化；相比较而言，研发X-Ku波段的微波宽波段相控阵雷达系统不仅可以实现雷达、电子战、通信的多功能一体化，同时还可以提高雷达的跟踪精度、成像精度和抗干扰能力。X-Ku波段宽频段T/R组件是X-Ku波段宽带相控阵雷达系统的核心部件和关键技术之一，其性能好坏直接影响宽带雷达系统的威力、精度、识别能力等技术战术指标；其稳定性、可靠性和可维修性能的优劣，很大程度上决定了整个雷达系统的使用和维护费用；因而，X-Ku波段T/R组件的关键技术攻关和可工程化对宽频段雷达系统至关重要。
国外在此频段的T/R组件起步很早，技术成熟，以6～18 GHz工作频段为代表，已大量应用于电子对抗领域；但6～18 GHz T/R组件的功率、效率、幅相精度等性能指标暂无法满足雷达跟踪和成像识别要求[5]。国内10～12 GHz、15～17 GHz、14～18 GHz的T/R组件已达到工程化应用水平；6～18 GHz T/R组件技术水平基本已赶上国外先进水平，但也同样存在性能指标无法满足雷达跟踪和成像识别要求。总体上说，现有传统宽带T/R组件存在功率不够大、效率不够高、稳定性不够好、移相衰减精度不够高和体积尺寸不够小等问题，因此需要开展X-Ku波段10～18 GHz T/R组件的关键技术攻关，以增大组件输出功率、提高效率、提高组件幅相精度和集成度。
本文设计的X-Ku波段10～18 GHz T/R组件采用MCM(多芯片组装)工艺技术[6]，为提高效率、减小体积和重量，将8个通道集成在同一个模块内，构成一个宽带八通道T/R组件；电源、波控信号合理共用；应用GaAs多功能芯片设计技术，将数控移相器、数控衰减器、开关、驱动控制电路、放大器等集成在一个GaAs芯片上，大大减少了组件内部的MMIC芯片数量，减小了体积和重量的同时提高了可靠性；应用GaN功率放大器实现大功率高效率输出。
本文先后阐述了X-Ku波段10～18 GHz T/R组件集成架构设计、收发通道设计、公共支路设计、结构及高效散热设计、工艺设计与制造等方面详细设计方案，最后给出了组件主要技术指标的测试结果。
1 设计方案
1.1 组件集成架构设计
有源相控阵雷达系统中的T/R组件需要完成发射(T)和接收(R)两个主要功能，因此T/R组件组成上主要包含发射通道、接收通道、控制以及接口公共支路(含电源调制、开关驱动、串并转换、射频输入输出、低频连接器等)等3个部分。发射通道主要完成射频激励信号的功率放大；接收通道主要完成天线接收回波信号的低噪声放大，同时满足接收机的幅度要求；组件的收发开关切换及相位、衰减的控制由控制部分完成，以实现对信号的幅度、相位的调整控制。
为实现宽频段有源阵面和组件自身的高集成，结合天线单元间距、子阵单元数、组件接口数和结构散热的考虑，如图1所示，本组件采用八通道集成，收发通道复制；8个收发通道共用壳体、射频输入连接器和低频连接器，通过低频连接器提供组件所需的电源及控制信号。组件内部采用 1∶8功分器进行8个收发通道的信号分配和合成；每个收发通道各自独立使用一个射频输出连接器，并与天线阵面进行盲插互连。组件采用八通道一体化集成架构，有利于相控阵雷达设计和有源阵面功能扩充。
图1 X-Ku波段八通道T/R组件外形示意图
如图2所示，收发通道采用“5芯片(限幅器、低噪声放大器、幅相多功能芯片、驱动放大器、功率放大器)+环行隔离器”的高集成MCM架构；其中，GaAs幅相多功能芯片，集成了开关、移相、衰减、放大等功能。该集成架构采用高集成多功能芯片减少了芯片间互连，提高了集成度、指标一致性，也降低了后续量产成本。收发通道采用模块化LTCC(低温陶瓷材料)设计；通道前端的功分馈电网络采用LTCC整板设计，将8个通道的功分电路、控制信号分配电路、储能电路、电路驱动电路、接口电路布局在同一个多层基板中；组件功分电路采用内埋带线功分器，以留出更多表层空间用于放置控制和电源器件，并减少信号辐射，提高了功能和布版集成度。功分馈电网络的LTCC整板设计减少了板间拼接带来的电路失配，降低了组装工艺要求。
图2 T/R组件单通道原理框图
组件具体设计主要包括收发通道设计、公共支路设计、结构与高效散热设计等。
1.2 收发通道设计
为实现组件宽带电性能指标，本文充分利用场路联合仿真技术和关键单元验证电路，实现了宽带电路单元设计的精细化。在设计思路上，先通过矢量网络分析仪等仪表对组件主要选用器件进行在片测试，采集获取器件二端口S参数形成S2P文件；再通过三维电磁场仿真软件HFSS提取无源网络的S参数；最后通过ADS仿真软件平台建立基于组件全链路的S参数仿真模型来设计并优化宽带匹配电路[7]。T/R组件全链路仿真模型如图3所示，其中限幅器、低噪声放大器、驱动放大器、幅相多功能芯片、末级放大器、环行隔离器等器件采用实测的二端口S参数提取模型带入。所有器件和电路设计时都在高端和低端预留了一定的频率范围以保证带内平坦度。接收支路进行带内增益补偿设计，即按增益随频率正斜率变化和负斜率变化相抵消进行设计以实现良好的带内平坦度指标。
(a)发射链路
(b)接收链路
图3 T/R组件全链路场路协同仿真模型
1.2.1 发射通道设计
发射通道决定了组件功率、效率、稳定性等关键指标和功能，通道中关键元器件的方案选型和级联电路设计尤为重要。首先是末级功率放大器的选型和设计，为实现组件直接输出功率达到20 W(43 dBm)的指标要求，考虑到输出端环行器、微带线及装配所引入的损耗，则末级功率放大器输出功率需要达到44.1 dBm以上。
半导体功率放大器件已历经三代的发展，其中Si LDMOS功率放大器生产成本低、批量能力大，但性能接近器件工作的极限，特别是在S波段应用效率偏低，抗过载能力较差，无法应用于X-Ku频段。GaAs PHEMT功率放大器批量应用性能好，生产成本低，但最高安全工作结温只有175 ℃，在高频、宽带、大功率方面应用性能指标接近器件工作的极限。作为第三代宽禁带半导体功率器件，GaN HEMT采用AlGaN/GaN异质结，具有优异的微波性能；以半绝缘SiC为衬底，具有良好的导热性能；高输出功率密度、高安全工作结温适合于制作大功率器件；高输出阻抗有利于实现宽带匹配；高工作电压有利于高效率、EMC和简化的电源系统；因而，GaN HEMT在高频、大功率、高效、宽带等应用场合优势明显[8]。故从产品性能、国产化、工程化、应用牵引等方面综合考虑，选用GaN HEMT MMIC功率放大器。器件厂家采用GaN外延材料设计和生长技术、高精度元器件模型提取技术、MMIC芯片电路设计技术、GaN功率器件稳定性设计及验证技术，实现了X-Ku波段GaN宽带功率放大器的稳定功能和高性能指标(输出功率≥44.3 dBm，附加效率≥35.5%)。
其次是天线口收发切换开关的选择和设计。限于器件材料和工艺水平，传统宽带T/R组件一般采用大功率开关来实现天线口的收发切换；但有源阵面工作时，开关的性能指标和系统保护功能作用不及环行隔离器，主要是当有源阵面工作在发射大扫描角或发射天线单元损坏时，天线单元驻波恶化严重，采用开关时天线单元反射回的信号易产生负载牵引导致功放性能下降、甚至烧毁；相比于开关，环行隔离器具有更好的驻波和收发隔离度，对组件稳定性和功率、效率等指标实现更有利。采用常规技术设计的环行隔离器无法在X-Ku波段宽带内实现链路的插损、驻波、尺寸等指标要求，本文选用了一种基于MEMS(微电子机械系统)技术的环行隔离器。与传统带线或微带式环行器相比，MEMS环行器具有尺寸小、精度高、一致性好、可批量化生产等优点[9]。考虑到有源阵面上组件安装后相互紧贴，非磁屏蔽的铁氧体器件会因为磁泄漏而相互影响，因此环行隔离器应具有磁屏蔽功能。最终小型化MEMS环行隔离器实现了全带宽内单节正向插损低于0.6 dB、驻波优于1.4、耐功率50 W(脉冲)的良好指标。
再次是组件稳定性设计，要避免组件出现自激和腔体效应。发射通道的稳定性设计是其中的重点和难点。组件输出功率大，发射子链路净功率增益高达37 dB，潜在收发通道增益约73.2 dB，再加上组件内部布局紧凑，GaN功率器件饱和深度深，宽带器件驻波不够好等易导致组件出现自激和腔体效应等稳定性问题。特别是在低温工作情况下增益、功率等影响会更加严重。本组件设计上采用各通道间大隔筋、通道内收发间小隔筋的方式增加空间隔离；增大高增益器件间的空间隔离并避开敏感区域，利用功分网络带状线内埋设计减小色散，采用宽带电路匹配及补偿设计等措施实现稳定性设计；并利用HFSS仿真软件对组件腔体进行电磁场仿真分析，使得腔体的潜在本振谐振频率不落在工作频带内，最终通过迭代和优化，确定了内部腔体结构和布局。同时，设计中组件链路增益较高，若收发通道形成正反馈在同时工作状态下会引起自激，因此采用链路隔离及时序上的防自激设计；组件的馈电时序上，使收发通道工作在绝对的分时状态。电源的完整性设计对T/R组件的正常、稳定工作也至关重要。造成电源不稳定的因素主要在于两个方面：一是器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大；二是电流回路上存在的电感。本文通过优化T/R组件内部的接地方式，尤其是LTCC内部的接地，在多层布线结构要求和地平面阻抗之间找到平衡点，采用对各种电源之间进行地隔离等措施改善电源之间的干扰。
1.2.2 接收通道设计
噪声系数是接收通道的核心指标，在系统带宽确定的状态下，噪声系数决定了系统的临界灵敏度。接收支路需要实现幅度加权功能，所以相比于发射通道，在接收通道需增加数控衰减调节功能(通过幅相多功能芯片来实现)。为了降低整个T/R组件的噪声系数，设计中需要对限幅器插损、低噪放大器的噪声系数指标提出较高要求；同时低噪声放大器的增益需要足够高，以减少后级级联对组件噪声系数的恶化[10]。接收通道的具体增益分配如图4所示。
图4 接收通道链路增益分配
根据噪声系数计算公式：
(1)
结合接收链路器件指标，可计算得T/R组件的噪声系数为3.44 dB。
1.3 公共支路设计
组件公共支路上的幅相和工作时序控制是通过波控电路来实现。如图5所示，T/R波控芯片主要实现串并转换和数据锁存功能；同时为简化T/R组件控制接口，增强组件的工作可靠性，波控芯片具有逻辑保护、负压保护、故障反馈等功能。
图5 T/R波控芯片功能原理图
1.4 结构和散热设计
T/R组件主要由壳体、盖板、多层电路板、输入/输出连接器等结构件组成，其中收发通道多层电路板和功分多层电路板分别焊接在组件壳体上，组件用螺钉固定在冷板上。为实现组件的小型化、高密度组装，减小组件的体积重量，组件内部将采用LTCC基板，实现微波与低频控制、电源混合布线，大大缩小组件电路布局尺寸；同时，LTCC的热膨胀系数与GaAs芯片较为匹配，可简化后期的组装工艺[11]。组件壳体材料的选择主要考虑材料密度、与LTCC基板热匹配性、热导率，同时考虑材料的比刚强度、加工性能和可焊性等；目前可供选用的材料主要有可伐合金、AlSi、AlSiC、铝合金等。由于AlSi在重量上有优势且导热性好，与LTCC的热匹配性更好，易批量加工等优点，本文最终选用AlSi。整个组件壳体一体化加工成形。
八通道T/R组件的热量主要来自8个末级功率放大器芯片，在发射大脉宽工作时，功率芯片的热流密度峰值近200 W/cm2，强迫风冷的散热方式无法保证组件长时间正常工作，所以采用水冷散热方式把功率放大器芯片所产生的热量通过水冷散热器迅速高效地传递到T/R组件的安装底板上。为实现高效散热，本文采用了280 ℃的Au80Sn20焊料将功率芯片共晶焊接在热导率较高且膨胀系数与芯片相匹配的钼铜载体上，再采用154 ℃的低温焊料将钼铜载体装焊在壳体上，从而使功率芯片与壳体间形成一个快速散热的通道。而其他小功率单片电路和非功率芯片对散热要求较低，直接采用导电胶粘接于LTCC基板上。如图6所示，组件安装在集成化散热板上，模块化热板设计采用了高效微通道冷板技术、高导热材料技术、低界面接触热阻技术和一体化流道拓扑系统的集成设计技术。热仿真表明，在占空比30%、冷却液入口温度35 ℃工作状态下，T/R组件末级功率放大器处的壳温88.0 ℃，器件热阻1.6 ℃/W，T/R组件壳温最高处的末级功放芯片结温为88.0 ℃+1.6 ℃/W×12.8 W=108.48 ℃，低于GaN芯片最高结温220 ℃的I级降额120 ℃要求(Tjm-100 ℃)。因此，本文的散热设计能够满足器件高可靠工作要求。
图6 组件热设计结构示意图
2 组装工艺
本组件在工艺设计上，采用水平互联设计，所有连接器都在组件的两端，避免了垂直互联设计的制造难度，改善了组装可制造性。同时通过八通道模块化设计，通道装配自动流水化作业，采用AlSi盒体类零件精密加工技术、AlSi合金零件表面镀覆技术、高精度微带板设计及制造技术、LTCC电路基板设计及制造技术等确保了组件的可制造性成品率。
3 主要指标与测试结果
根据上述设计，研制了X-Ku波段宽频段八通道T/R组件，如图7所示。组件的性能测试结果见表1，主要测试曲线如图8～12所示，其中f0=14 GHz。
图7 T/R组件实物
表1 宽频段T/R组件主要指标测试结果
序号指标名称测试结果1工作频段10～18GHz2输出功率23.9～32.3W3发射带内幅度起伏≤±0.65dB4效率≥23%5噪声系数≤3.52dB6接收带内幅度起伏≤±1.17dB7移相精度≤3.90°(RMS)8衰减精度≤0.94dB(RMS)9驻波≤1.51(天线口)≤1.98(集总口)
图8 发射输出功率仿真和测试结果
图9 接收增益仿真和测试结果
图10 噪声系数测试结果
图11 移相精度测试结果
图12 衰减精度测试结果
由图8～9可知，发射输出功率和接收增益等指标实测值与仿真值吻合度较好。其中，发射输出功率实测值比仿真值略小0.5 dB左右，产生偏差的主要原因是实物中功放输出端环行器、射频连接器的失配比仿真情形严重。接收增益实测值比仿真值低1.0 dB左右，偏差主要来自实物链路芯片级间阻抗失配和功分网络长微线带来的更大损耗。
由表1和图8～12可知，组件全频带内输出功率≥23.9 W、噪声系数≤3.52 dB、移相精度≤3.90°(RMS)、衰减精度≤0.94 dB(RMS)、驻波≤1.98、效率≥23%；并通过了老炼、力学、热学等筛选和分组环境试验，可满足多功能雷达系统的应用需求。
4 结束语
本文针对宽频段有源相控阵雷达对T/R组件的迫切需求，在突破八通道组件架构设计技术、基于LTCC整板的高密度集成设计技术、宽带GaN功放高可靠高效率及散热设计技术、高频宽带高隔离防腔体效应设计技术、组件模块化设计及可制造性设计技术等关键技术基础上，设计并研制出一款10～18 GHz宽频段八通道T/R组件，组件实物通过相关筛选、环境试验和阵面应用验证。该组件将工作带宽由之前的14～18 GHz拓展到10～18 GHz，输出功率由之前的10 W量级提高到20 W量级，噪声系数由之前的4.3 dB提升到3.52 dB；效率以及幅相精度指标明显好于常规6～18 GHz T/R组件指标，可满足多功能雷达系统的需求。本组件具有高频、宽带、高效、高集成的特性，可作为一类标准宽带T/R组件推广应用到新型综合传感器雷达系统、多功能综合电子系统等中，应用前景广阔。下一步将开展组件的片式化研究以应用于共形平台雷达系统中，即采用3D微系统技术，信号内部通过叠层架构实现微波垂直互联；收发通道采用“3芯片(限幅低噪声放大器、幅相多功能芯片、功率放大器)”的高集成架构；外部接口采用RF-BGA；具有更高集成度和低剖面优点，可满足未来有源共形阵列系统高密度布阵和低剖面的需求。
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