0 引 言
随着各国高新电子装备性能竞争日趋白热化，相控阵技术发展突飞猛进，各种应用场景对雷达提出了大动态、大宽带、数字化、智能化、多模式等工作需求，同时要求系统兼顾微小型、共形以及低成本的设计需求。这就要求系统结构更加紧凑、体积更小、成本更低，新型片式架构T/R组件虽然体积重量比传统砖块式T/R组件有极大的减小［1］，但片式组件一般需要昂贵的弹性连接器实现电气互联，成本难以进一步降低，且受弹性连接器尺寸限制，体积难以进一步减小。系统级封装（Sip）是借助微电子组装工艺，将各种无源元件、有源芯片以及光电子、MEMS等其他器件封装在一个壳体内，从而在一个模块内实现各种异质、异构电路的系统集成。因此Sip技术在射频信号系统中的应用是实现集成化、小型化雷达系统掌握核心竞争力的关键，Sip技术与雷达技术的融合是新的发展趋势［2-4］。采用射频Sip集成技术设计T/R组件，可以极大地提高组件的集成度，降低组件的体积和重量，进而实现相控阵雷达系统的高密度、可重构、自适应集成设计，降低系统复杂度，提高可靠性。
针对高新电子装备多功能、小型化设计需求，本文设计一款基于Sip封装的宽频段高功率全极化工作模式的T/R组件，通过时序控制T/R组件射频通道的幅度、相位指标，可以实现包含圆极化、椭圆极化、线极化、斜极化等多种极化工作方式。
1 T/R原理电路设计
对于一个沿z方向传播的平面电磁波，电场E可以表示为［5］
那么，电场E的瞬时方程可表达为
电场E的两个分量分别是
消除式（3）和（4）中的(wt-kz)，即可得到两个分量之间满足的关系:
从式（5）可以看出，对于不同的Ex0，Ey0和ɸ值，电场E有不同的极化方式。
T/R组件作为射频通道，其自身单独没有极化特性，只有和天线相连接后配合天线阵面极化的要求设计的T/R组件才会有极化特性。因此，为了实现系统全极化的工作要求，根据式（5），需T/R组件每个射频通道的幅度、相位单独可调。
为了提高阵面应用的灵活性，采用4通道混合集成设计，如图1所示，T/R组件的H、V极化通道既能同时工作，又能单独工作。同时，每个通道的幅度、相位单独可控，以满足电子系统对不同极化模式的应用。
图1 T/R组件原理框图
为了提高组件内部电路的集成度，如图1所示将该组件射频传输电路分成1个多功能模块和4个收发放大通道模块。其中多功能模块，具有将串行数据转化为并行数据，对通道的幅度相位进行控制，并完成功率分配合成、收/发/负载态3种工作态转换等功能。同时，为4个收发放大通道，提供发射信号驱动放大和接收信号二级放大；4个收发放大通道主要包含功放芯片、限幅器芯片和低噪放芯片，收发通道主要完成发射信号高功率放大输出、接收信号低噪声放大接收。
2 T/R组件收发链路设计
2.1 T/R组件接收链路设计
噪声系数和动态范围是T/R组件接收通道的主要指标，在系统带宽确定的情况下，噪声系数决定了系统的临界灵敏度。根据设计需求，择优设计、选择芯片和器件。芯片技术指标如表1所示。
表1 芯片技术指标
名称接收指标发射指标多功能芯片PG-a1iinn≥≥3-.15. 5d BdmBPG-1aouitn≥≥2222 d dBBm Gain≥25 dB低噪声放大器P-1out≥4 dBm NF≤1 dB限幅器IL=0.5 dB功率放大器PG-1aouitn=≥4203 d dBBm
对H或V极化接收通道放大链路设计如图2所示:通过对接收链路计算，接收增益≥21.4 dB，满足≥20 dB技术指标要求。接收通道的最大输入电平受限于低噪放芯片的P-1out（≥4 dBm）和多功能芯片接收通道的P-1in（≥3.5 dBm），通过计算得到整个通道的输入P-1≥-20.2 dBm,满足≥-25 dB的指标要求。
图2 T/R组件接收链路设计
接收通道噪声系数的计算公式为
结合接收链路的器件指标，根据式（6）计算可得总的噪声系数≤2 dB，满足系统技术指标要求。
2.2 T/R组件发射链路设计
根据表1芯片和器件发射状态技术指标，设计T/R组件的发射通道放大链路，如图3所示。
图3 T/R组件发射链路设计
根据图3所示的发射通道链路指标分配，该组件发射激励信号功率为8 dBm输入时，组件的输出功率为39.7 dBm（9.3 W），满足设计要求。
2.3 低成本异构多功能芯片集成设计
该T/R组件对尺寸敏感，要求高密度集成，这就要求多功能芯片具有高集成小型化的特点。本文应用的多功能芯片将射频功能和波控控制功能通过异质异构的方式集成在一起，主要由GaAs芯片和Si芯片组成，GaAs具有良好的射频传输性能，Si具有先进制程支持超大规模电路集成及低成本的特点，两者在射频电路领域与高速数字电路领域应用具有天然的互补优势，将两者通过垂直堆叠实现异质集成，突破平面布局的物理限制，结合优势，是推动半导体技术发展的趋势。
本文设计的多功能芯片，其中GaAs芯片基于0.15 μm PHEMT微波单片集成电路工艺技术制造，表面采用氮化硅钝化保护，GaAs芯片内部集成功率分配网络、数控移相衰减、收发放大、极化开关等单元电路，实现四通道微波收发幅相控制功能。Si芯片基于Si CMOS（28 nm工艺）工艺技术制造，可将串行CMOS输入数据转换为并行-5/0 V输出信号控制移相衰减器以及开关；如图4和5所示，GaAs芯片与Si芯片采用金-金键合工艺实现三维异构集成。
图4 异构多功能结构示意图
图5 硅基异构多功能实物图
3 T/R组件封装设计
根据雷达系统接口需求，借助微电子组装工艺，结合射频Sip技术与T/R组件设计技术，完成该T/R组件气密性封装。封装架构如图6所示。
图6 T/R组件封装结构示意图
如图6的封装形式，芯片的散热路径主要经过基板由BGA球导出，这就需要选择具有良好热导率的材料作为基板。
氮化铝（AlN）和氧化铝（Al2O3）是两种常见的陶瓷材料，在性能和应用领域上有显著差异。表2是它们的核心参数对比及适用场景分析。
表2 氮化铝和氧化铝性能参数对比
密度3.26 g/cm33.9～4.0 g/cm3熔点2 200°C2 072°C热导率（高导热）（中等导热）热膨胀系数4.5×10-6 K-1（接近硅）（6.5～8.5）×10-6 K-18.8～9.59～10介电常数性能参数氮化铝（AlN）氧化铝（Al2O3）180～220 W/（m·K）20～30 W/（m·K）（高频性能优异）（中低频适用）
鉴于目前同类型对外接口为BGA单封装形式的Sip类T/R组件，输出功率小［4，6，8-10］，通常小于1 W，本文设计的T/R组件单通道发射功率典型值为39.7 dBm（9.3 W），输出功率大，热流密度高，且工作频段宽，故本文选用散热性能更好、高频性能优异的氮化铝基板作为载体，完成T/R组件设计。
3.1 高精度异质垂直互联设计
从图6可以看出，该组件利用BGA球与外部电路进行电气互联，BGA球的体积、重量、成本都远小于SMP、毛纽扣等连接器，可实现组件小型化、低成本设计［11，13］。BGA球互联的优点极大地缩小了T/R组件的物理尺寸，提高了T/R组件的封装效率，同时，BGA球直接通过焊接方式与外部电路连接，减少了对射频电缆、低频电缆的应用，互联方式更加自由，便于雷达系统的无缆化、可重构多功能设计。T/R组件安装方式及接口如图7所示。图中，H为水平极化，V为垂直极化，T为发射，R为接收，Com1为水平极化总口，Com2为垂直极化总口。
图7 T/R组件安装方式及接口
如图7所示，该T/R组件通过BGA球焊接在雷达多功能控制板上，实现板级阵列布局，射频信号总口为小功率信号，采用BGA球形成的半包围空气介质导波结构压接在多功能板的微带线上传输，该种传输方式具有低损耗的特点。在天线口，采用BGA形成的准同轴结构与多功能板内部的准同轴结构互联，进而将大功率信号通过天线单元辐射到空间，准同轴结构具有高电磁屏蔽的特点，可有效避免大功率信号电磁串扰，提高通道间的隔离度。
电路匹配好坏将直接影响组件传输损耗、端口驻波、噪声等性能指标。因此需要对传输电路进行良好的匹配设计，对射频信号传输路径进行三维电磁建模，如图8所示。
图8 垂直互联模型
从图8中可以看出，射频信号经过系统PCB板由BGA球馈入氮化铝基板形成的准同轴传输结构，经带状线、微带线后与组件内部电路连接，射频信号经T/R组件幅相控制、信号放大后再次由BGA球馈入系统PCB板，信号经多维度、多介质立体传输。
对于图8中的芯片与微带金丝（金丝规格为25 μm）键合处建立等效电路模型，等效模型可以采用并联电容C1、C2、串联电感L和串联电阻R组成的低通滤波器网络来表示［6］，如图9所示。
图9 等效传输电路
在自由空间中，对长度为l，直径为d的单根金丝线，串联电感和电阻可以表示为
其中，μ0为空气介质的磁导率，μr和ρ分别为键合金丝的相对磁导率和电阻率；ds为键合金丝线的趋肤深度。
对于两根间距为D的并行键合金丝线的情况，其总的电感可表示为
其中串联电感L0对金丝线键合性能的影响最大，而串联电容因为其数值较小，对电路的性能影响不明显，通常可以忽略不计。因此。微带和芯片金丝互联时，相当于串联了一个电感。
经分析，在a）芯片与微带金丝键合处；b）微带、带线等过渡转换处；c）BGA球等各段过渡互联部分均相当于增加了电感，增加的电感记为Le。为了减少反射降低损耗，使得信号传输优良，需要引入补偿电容△C，保证阻抗匹配。
在金丝键合区域，增加匹配结，相当于增加开路短枝节，在BGA互联处通过调节圆形焊盘大小，增大互联处的容性阻抗，为传输电路提供了容性加载，达到更好的匹配结果，对参数进行优化仿真，仿真结果如图10所示。
图10 总口和天线口回波损耗仿真结果
通过仿真结果可以看出，该互联方式传输性能良好。
3.2 T/R组件稳定性设计
相控阵雷达通过T/R组件收发通道进行幅度和相位加权，实现天线阵面的低副瓣及发射功率的动态管理。T/R组件收发通道设计的好坏、工作的稳定性直接决定了雷达的性能。因此，T/R组件在进行设计时需充分考虑雷达系统提出的技术指标，更要对收发链路的稳定性进行设计。对T/R组件进行稳定性优化设计，可减少实物迭代次数，提高设计效率，降低设计成本。
本文设计的T/R组件在通道内部将形成多个环路，任意截取其中两个通道进行分析说明，如图11所示。
图11 T/R组件链路
从图11可以看出，在收发链路中形成封闭的环路1和2，空间耦合环路3和4，以及通道间耦合形成的环路5。进一步分析，对于该T/R组件因其多通道高密度集成，以及组件本身的腔体效应等作用，在通道内部将形成多种耦合闭环回路。同时，对于该组件，为了实现高密度集成小型化设计，同时兼有大功率输出的特性，这将导致组件在狭小的空间内具有很高热流密度以及复杂的电磁环境［6］。对狭小空间内的场进行数学模型描述，如图12所示。
图12 高密度集成多场耦合模型示意图
基于上述分析，引入传递函数思想，建立传递函数模型来分析T/R组件内部链路之间的相互影响:这里以信号功率发射链路为正向传输，形成的闭环回路对传输链路起到反馈作用，具体表现形式可以归纳为等效传递函数:
式（12）中G(s)为发射链路中各级功率放大器发射增益传递函数乘积；GBi(s)为各个局部闭环系统中的反馈开环传递函数，即每一个反馈回路的传递函数之积；表示多个反馈回路的综合作用。通过上述高密度集成多场耦合模型和T/R传输链路模型可以得出式（8）中的GBi(s)是电、磁、热等多物理场和路的综合结果，即表示多个反馈回路的综合作用。因此，式（8）的传递函数稳定性直接决定了T/R组件系统稳定性，那么为了实现T/R组件稳定性设计，根据控制原理思想，就要对组件内部的电路以及场进行优化设计，从而保证GBi(s)在工作条件下满足组件传递函数稳定性判据要求。
本文结合式（12）对T/R组件进行稳定性设计:
1） 合理的控制时序设计
相控雷达一般采用收发分时工作，这就要求发射和接收控制时序不能出现交叉。以其中环路2为例进行说明，环路1现象类似。设功率放大器小信号增益Gt，低噪放增益Gr，开关和环形器的隔离度I1、I2，整个环路的线损I3，在环路2中，此时Gt、Gr同向放大，I1、I2、I3反向隔离，对于该组件Gt=31 dB，Gr=25 dB，I1=-15 dB，I2=-25 dB，I3=-0.8 dB。则有
从式（13）可以看出，明显正向放大作用大于反向隔离作用，借用式（12）的传递函数思想进行描述，此时，对于环路2的GB(s)>1，导致系统的动态响应较差，工作不稳定。图13为收发时序控制图，若控制时序设计不合理，如图13（b）所示，出现收发同时工作，将会导致系统自激振荡，严重的情况将导致芯片烧毁。
图13 收发时序控制图
随着现代作战需求，要求雷达系统工作时序切换频率越来越高，即要求更加快速地收发转换响应，以提高雷达系统的迅速响应能力，但仅仅考虑到正确的收发时序设计仍然不够，需要充分考虑收发芯片的上升沿、下降沿的拖尾现象，以及收发电源调制建立的时间，避免出现如图13（c）所示情况。
2） 合理的链路增益匹配设计
T/R组件内部由电源电路、高频数字电路、微波射频电路组成。电路形式既有小信号低噪声放大电路，又有大功率发射放大电路。通常信号在不同模块之间传输时，会出现传输模式突变，在突变处易产生高次模。尤其对于微波射频信号在通过微带线以金丝键合的形式进行不同电路互连时，由于微带线主要由TE模和TM模组合而成的混合模式，特别是在高频率工作时，具有明显的色散现象，场的纵向分量不为零，易受到组件的腔体效应、电路电磁兼容等因素影响［6-7］。
如图11所示，环路3、4可由封闭的腔体与组件的发射链路组成闭合环路。这里以环路4进行说明，设发射信号为传输正方向，则发射链路增益由前级驱动放大器与后级功率放大器增益组成，假设发射链路的增益G=G·ejφG,空间耦合链路4反馈增益F=F·ejφF。则，
若GF﹥1，φG+φF=2nπ（n=0,1,2,…,n）时，得出链路形成正反馈，对于此时的传递函数，在有轻微扰动情况下，扰动信号经过微带线进入放大链路，信号不断循环放大，引起系统振荡。
对于该T/R组件，要求单通道具有大功率输出的特点，前级多功能中的驱动放大器的增益为22 dB，末级功放的小信号增益为31 dB，在狭小空间下，发射链路增益过高，如果链路以及腔体设计不合理，并且腔体本身具有的谐振频率过高且落在工作频段内，并受狭小空间多物理场等因素影响，很容易产生扰动，从而为T/R组件发射链路在幅度和相位上创造起振条件，导致电路出现振荡自激现象。
为了保证电路的稳定性，在电路设计时，需要对链路增益进行匹配性设计［11］。
a） 增大驱动放大器与功率放大器在物理空间上的距离，使因电路不连续产生的高次模迅速衰减掉，避免高次模被后级功放放大。
b） 在末级放大器信号输入端添加可调衰减器芯片，避免微带线与功放等大功率芯片直接互联，如图14所示，可调衰减器的作用不仅可以调节前级驱动放大器与后级功率放大器级间增益匹配，也能起到级间阻抗匹配作用，并对微带线的色散绕动起到一定的传输隔离作用，促进电路的稳定性。
图14 级间匹配设计
3） 合理的腔体设计
腔体因其自身的腔体效应，将会导致图11中空间耦合回路的产生。又发射链路的增益由前后两级放大器组成，当腔体设计不合理时，腔体的谐振频率落在工作频段内，通过前文分析，则为图11的空间耦合创造幅度和相位上的起振条件，且当空间耦合隔离度小于链路增益时，将导致式（10）形成正反馈系统，链路持续放大，工作不稳定。
本文通过三维电磁仿真，合理优化腔体分腔设计，防止在工作频段内出现突变的谐振，减少空间耦合电路形成，如图15所示。
图15 腔体本征模仿真模型
从图16的仿真结果中可以看出，腔体的Q值较小，且在有效工作频段内未出现大的谐振点，因此，在腔体内部不容易产生振荡的起振条件，满足该组件腔体设计的要求。
图16 仿真结果
通常，因雷达系统空间等因素限制，组件腔体经仿真后在工作频段内出现奇异的谐振点时，可通过在腔体内粘贴吸波材料或者多次分腔设计等措施，破坏空间耦合链路，确保组件工作的稳定性［12］。
4 实物测试及验证
1） 实物测试及验证
根据设计要求，对组件进行实物加工、测试，实物如图17所示。
图17 T/R组件实物图
由表3可知，根据实测结果，满足技术指标要求。
表3 测试结果
参数参数值发射功率≥9.0 W功率起伏±0.8 dB带外杂波抑制≥58 dBc接收增益≥20.5 dB增益起伏±1.1 dB接收P-1≥-25 dBm噪声系数≤2 dB驻波≤1.8重量≤3 g封装尺寸16.5 mm×16 mm×2.8 mm
2） 存在问题
组件经过BGA焊球焊接在PCB板上，实现板级阵列微系统高密度集成。图18为截取阵列系统部分图片，在系统上测试发现，组件的热虽然可以经氮化铝基板导出，但会在系统的PCB板上积累，难以实现进一步的散热，导致组件在大占空比工作时，热积累严重，工作性能下降。
图18 板级微系统局部视图
后续拟采用在PCB板内部局部嵌铜的措施，同时要求PCB板金属孔为实孔，从而增加系统级的散热,扩展组件在大占空比模式下工作，提高系统整体性能，如图19所示。
图19 拟采取的高散热模型
5 结束语
针对高新电子装备多功能、小型化、共形化设计需求，本文设计一款基于Sip封装的宽频段高功率全极化工作模式的T/R组件，文中通过引入传递函数思想，提出一种高密度集成多场耦合稳健优化设计方法，可有效地解决多物理场下T/R组件稳定性问题，减少实物迭代次数，提高设计效率。组件测试结果与设计预期一致，能很好地满足板级阵列微系统高集成、小型化、低成本、全极化的应用。
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