基于LTCC技术的Ku波段四通道T/Ｒ组件研制

geren2014

摘 要

基于相控阵雷达的应用需求，利用 LTCC 多层基板技术，研制了 Ku 波段四通道 T/Ｒ 组件。该组件通过三维布局实现了组件的小型化和轻量化，同时也保证了射频、电源和控制的信号完整性。通过微带线变换带状线的优化设计，实现了良好的传输性能，提高了四通道信号间的隔离度。腔体内部做了隔墙设计，避免四通道的信号干扰，保证一致性。最终研制实现的小型化 Ku 波段四通道 T/Ｒ 组件，尺寸仅为 70 mm×37. 8 mm×11. 5 mm，质量约 53 g，组件接收增益大于 25 dB，噪声系数小于 4 dB，发射功率大于 16 W。该 T/Ｒ 组件四通道一致性好，性能稳定，具有较好的应用价值。

引 言

有源相控阵雷达凭借自身先进的技术特征与较大的潜在优点目前已经成为现代雷达进展的重要趋向。有源相控阵雷达所覆盖的范围比较大，抗干扰也非常强，并且具有扫描迅速、波束控制敏捷、可以进行多个目标一同追踪等优点，其在多个领域当中都获得了广泛运用，如军事、导航、通讯、气象预测等 。T /Ｒ 组件是相控阵雷达当中比较重要的组成，其主要作用是实现收发信号的放大，同时针对信号实行相位与幅度调节，其性能高低将直接影响雷达系统的收发波束副瓣抑制大小、指向精度等战术指导 。

伴随多应用平台的现代有源相控阵雷达进展，对 T /Ｒ 组件的电性能、体积以及重量等都提出了更为严苛的要求。在电路设计过程中，传统多芯片组件 MCM(Multi－Chip Module) 方式与传统构造方式已经无法满足需求，因此一定要探索集成度更高的设计方式。低温共烧陶瓷 (Low TemperatureCo－fired Ceramic，LTCC)技术产生于 20 世纪 80 年代中期，是一种新型的多层基板技术，具有布线密集、集成度高等许多优点，因此在高速数字电路、微波 MCM 和系统的小型化设计当中都有了非常普遍的运用，是非常适合 MCM 组装的介质基板技术 。高密度小型化 T /Ｒ 组件的研制，得益于单片微波集成电路(Monolithic Microwave IntegratedCircuit，MMIC) 、砷化镓场效应器件(GaAsFET)和低温共烧陶瓷(LTCC)等众多新器件以及新工艺的迅速发展。

对于 Ku 波段小型化 T /Ｒ 组件的设计，一定要充分考虑相控阵雷达功率较高、噪声较小、高精度移相衰减等技术特点，并且适用于机载平台设施体积小、质量轻等特征。本文基于 14 层 LTCC 基板，应用多芯片组件(MCM)集成技术和 MMIC 金丝键合微组装工艺 ，Ku 波段 T /Ｒ 组件采用四通道设计，提供了样机的实测数据。最终设计并实现的Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件，尺寸为 70 mm×37. 8 mm×11. 5 mm，质量约 53 g，组件增益大于 25 dB，平坦度小于 1 dB，发射功率大于 16 W，噪声系数小于 3. 5 dB。应用三维 LTCC 基板实现了 T /Ｒ 组件的高密度集成，相比于传统 T /Ｒ 组件有效减小了体积并实现了轻量化。

1 T/Ｒ 组件工作原理

T /Ｒ 组件的组成与功能随有源相控阵雷达的需求也发生转变。T /Ｒ 组件包含发射通道、接收通道以及供电、波束控制等部分。T /Ｒ 组件发射通道包含了单级或者是多级功率放大电路，接收通道包含了单级或者是多级低噪声放大电路与限幅保护电路，T /Ｒ 组件收、发通道通用的部分包含了环行器、收发开关、移相器，而供电方面则包含了电源转换，波束控制包含了指令接纳、计算、逻辑输出、驱动、检测回传等。由于有源相控阵天线性能调改的需求，所以还会在 T /Ｒ 组件中增加电调衰减器、多状态收发开关等 。

T /Ｒ 组件具有发射功率放大、接收信号放大、收发转换、阵面幅度修正和波束扫描等功能。当电源启动、激励信号输进以后，T /Ｒ 组件的工作状态便会通过控制板所接收到的雷达指令以及时序脉冲来进行控制与同步，图 1 所展示的便是相控阵雷达T /Ｒ 组件的收发时序。T /Ｒ 组件会分别工作在发射、接收与收发转换的中间过渡状态。

图 1 T/Ｒ 组件的收发时序

所谓发射状态，即在 t T 时段内，T /Ｒ 组件的收发开关、移相器会处在不变的状态，信号通过移相器、前级放大器、末级放大器，经环行器然后到达阵元辐射。为了提高效率，通常对功放电路进行电源脉冲调制，供电电源调制时序嵌套于发射时序中。图 2 所示的是相控阵雷达 T /Ｒ 组件发射链路和时序。

图 2 T/Ｒ 组件发射链路和时序

所谓接收状态，即在 t Ｒ 时段内，T /Ｒ 组件的移相器、电调衰减器会处在不变的状态中。信号会通过环行器、限幅器、前级低噪声放大器、电调衰减器、后级低噪声放大器、移相器，输出到下一级波束合成网络。在 t Ｒ 后段，雷达波束控制系统便会针对下一个脉冲波束所表明的相位、波束赋形幅度与对应频率幅度进行计算，与之对应的 T /Ｒ 组件会实现移相器与电调衰减器的置位响应。图 3 是相控阵雷达 T /Ｒ 组件接收链路和时序。

图 3 T/Ｒ 组件接收链路和时序

Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件的原理框图如图 4 所示，文章中 Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件其中每两个共用了一个 0. 5λ/1λ 可切换的固定延时器，以满足相控阵天线大扫描角度的需求，固定延时器的插入损耗较大，使用双向放大器进行了增益补偿。T /Ｒ 组件每个通道的输出端都耦合出一路信号，通过LTCC 基板内部功和网络将四路耦合信号合成为一路作为定标信号，此定标信号可以有效验证四通道T /Ｒ 组件是否工作正常。

图 4 Ku 波段四通道 T/Ｒ 组件原理框图

本文研制的 Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件的主要设计指标要求如表 1 所示。

表 1 Ku 波段四通道 T/Ｒ 组件主要设计指标

图 5 为 T /Ｒ 组件链路计算图，图中 P 为功率值; G 为增益值; IL 为插损值; NF 为噪声系数;GAIN 为接收总增益。公式(1)为增益计算公式，公式(2)为噪声系数计算公式。经过计算，T /Ｒ 组件接收链路的增益为 24. 3 dB。组件的噪声系数主要取决于低噪声放大器及其之前的电路，经过公式(2)的计算，组件的噪声系数为 3. 73 dB。T /Ｒ 组件的发射功率主要取决于末级功放的输出功率，当功放的输入激励信号电平为 22 dBm 时，功放的输出功率 为 44 dBm，所 以 组 件 的 最 终 输 出 功 率 为42. 5 dBm。

图 5 T/Ｒ 组件链路计算

2 电路设计

2. 1 LTCC 基板设计

LTCC 基板是微波电路、逻辑控制电路以及电源的载体，同时还是 T /Ｒ 组件设计能否设计成功的关键。分层、接地与电磁兼容性三方面是设计的要点。LTCC 基板通常包含信号层、电源层、控制信号层与接地层，为了确保信号完整性，通常都会把微波平面电路放到上面三层，而将控制信号与电源放到中间层，这样可以从很大程度上确保电路的 EMC 性能。在提升组件集成度方面，微波地采取垂直过孔的形式与底板相连，通过网格过孔的方式，不会对电源以及控制走线造成影响，同时还能够经过调整网格间距，使 LTCC 原有的谐振频率得以消除，或者是减少它的谐振强度，使组件更加平稳的工作。电源线上的插入损耗会对效率造成非常大的影响，因此电源布线应尽可能宽且路径也尽可能短。图 6 为本文 LTCC 基板的基本构造剖视图。

图 6 LTCC 基板结构剖视图

如图 6 所示，LTCC 基板的设计会涉及到不同微波电路形式的变换。在本文设计中，微波电路采用带状线传输形式，在芯片射频端口转换为微带线。一方面有效避免了电磁干扰，另一方面在芯片位置可以形成墙体，对通道间实现物理隔离，增加通道间的隔离度。

微带线到带状线的过渡将会影响组件信号的传输，针对这一过渡构造做了重点仿真。如图 7 所示，模型为微带线 － 带状线 － 微带线的背靠背结构，在微带线到带状线的转换过程中存在模式变换，若处理不好，此处的变换会产生较大的反射，本模型过渡采用梯形过渡的方式，同时在带状线顶部地层做了一个三角开窗，由此得到较好的传输性能。图8 所示是 DC～45 GHz 的 S 参数仿真结果。

图 7 微带线到带状线的过渡结构

图 8 DC～45 GHz 的 S 参数仿真结果

2. 2 电路布局设计

T /Ｒ 组件应对腔体效应进行考虑。如果腔体处理不当，会出现信号自激以及相位畸变。通常将微波传输垂直方向的腔体距离小于二分之一工作波长进行设计，可以避免谐振频率的产生。天线端口位置的损耗影响着噪声系数和输出功率，采取的措施为末级功放和低噪声放大器尽量接近天线端口。电源和控制电路的设计主要考虑电磁兼容问题，本文将电源和控制电路集中放在一个隔离位置，避免了与射频信号的干扰。图 9 为 Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件的电路布局示意图。

图 9 Ku 波段四通道 T/Ｒ 组件电路布局示意图

电路前端包含了耦合器、环形器、功放、限幅器和低噪放电路，这一部分采用单独的工艺处理，并没有集成进 LTCC 基板，有以下三方面原因: 第一，四通道的功放芯片需要较好的散热效果，功放芯片通过钼铜载体直接共晶在硅铝合金的盒体上;第二，为了保证四通道良好的隔离度，隔离墙直接在硅铝盒体上形成; 第三，定标信号每两个通道耦合为一路信号，再通过 LTCC 基板内部的功和器功和为一路信号。

后端电路集成在一块 LTCC 基板上，实现了高度的集成化。LTCC 基板上的射频芯片位置都进行了挖腔处理，射频芯片通过使用导电胶粘接在墙体内部，实现了良好的屏蔽效果。供电和控制电路集中在组件一侧区域实现，从而避免射频和电源的相互串扰。功放电源的调制电路靠近功放芯片，实现良好的调制功能。同时，为了实现对功放芯片良好的电源供应，组件内部加入了三只 100 μF 的电容，三只钽电容与四只驱放芯片隔离摆放设计，钽电容对通道间的信号传输起到了隔离作用。

整个 LTCC 基板共 14 层，其中 layer1 ～ layer2为电源和控制信号。Layer3～ layer9 是射频走线层，layer6 为带 状 线 层，layer3 层 是 带 状 线 上 层 地，layer9 层是带状线下层地，各个地彼此间运用过孔衔接。MMIC 芯片与射频信号走线置于同一层。

3 仿真和试验结果

LTCC 基板的生产过程主要有打孔、填孔、导体印刷、层压、热切、烧结、划片和后烧等多道工序。Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件在微组装过程中，低散热量的 MMIC 芯片通过导电胶粘接在 LTCC 基板上，高散热量的芯片(如功放芯片)通过共晶的工艺焊接在钼铜载体上，然后再焊接在盒体上。由于MMIC 芯片较多，在微组装过程中做了相应的温度梯度焊接，来保证后期的可维修性。Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件外形尺寸为 70 mm × 37. 8 mm × 11. 5mm，质量约为 53 g，实现了小型化和轻量化。

图 10 Ku 波段四通道 T/Ｒ 组件实物图

Ku 波段四通道 T /Ｒ 组件在其工作频率范围内，在 10%的占空比下，使用信号源和功率计等仪器，四通道发射链路输出功率均大于 16 W，测试结果如图 11 所示。可以看到四通道组件的输出功率在工作频率范围内具有较好的平坦度和一致性，同仿真结果相吻合。由于有源电路多级的级联效应，微小的差别也是正常现象。

图 11 Ku 波段 T/Ｒ 组件发射功率测试结果

通过使用矢量网络分析仪对 T /Ｒ 组件进行增益测试，四通道的增益测试曲线如图 12 所示，增益均大于 25 dB，增益带内平坦度小于 2. 1 dB，并且四通道具有较好的一致性。

图 12 T/Ｒ 组件接收增益测试结果

通过使用噪声分析仪对 T /Ｒ 组件的噪声系数进行测试，四通道的噪声系数仿真结果和测试结果如图 13 所示，噪声系数均小于 4 dB，并且四通道具有较好的一致性，满足应用需求。

4 结 论

文章提出了适用于相控阵雷达的 Ku 波段 T /Ｒ组件研制，应用了低损耗 LTCC 基板工艺，分析了四通道组件研制过程中微组装工艺等对接收增益等电性能的影响，并给出了相应的措施。最后对 Ku波段四通道 T /Ｒ 组件进行测试，组件接收增益大于25 dB，噪声系数小于 4 dB，发射功率大于 16 W，结果表明其满足相控阵雷达对 T /Ｒ 组件小型化、轻量化的技术要求，对后续组件的工程化研制有一定的指导意义。（参考文献略）

图 13 T/Ｒ 组件噪声系数测试结果

作者：谭 承 ，喻忠军 ，朱志强 ，谢春双