一種寬帶多通道瓦片式T/R 組件的研制*

郝金中，張 瑜，周 揚(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊050051)

1 引 言

T/R 組件是相控陣?yán)走_(dá)最關(guān)鍵最基本的單元，包括發(fā)射通道、接收通道和公共通道。相控陣?yán)走_(dá)小尺寸和輕量化設(shè)計(jì)必然要從縮小每個(gè)T/R 組件的體積入手。瓦片式技術(shù)將組成T/R 各功能的芯片和其他器件集成在一個(gè)模塊內(nèi)，使傳統(tǒng)的“磚塊式”T/R 的體積大大縮小，大大加快了T/R 組件小型化、輕重量的進(jìn)程，因此進(jìn)行瓦片式T/R 組件的研究和開(kāi)發(fā)是十分必要的。

國(guó)外開(kāi)展瓦片式T/R 組件研究較早。文獻(xiàn)［1］介紹了一種采用多層AlN 基板、倒裝單片微波集成電路芯片(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)、毛鈕扣實(shí)現(xiàn)的瓦片式T/R 組件，工程應(yīng)用在X 頻段性能較好，但毛紐扣需要較好的精確對(duì)位和組裝，占用空間較大，且不利于生產(chǎn)過(guò)程中的返修。國(guó)內(nèi)瓦片式T/R 組件研究起步較晚，對(duì)于瓦片式T/R 組件整體研制中的各項(xiàng)技術(shù)難題和工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程，國(guó)內(nèi)可循的文獻(xiàn)相對(duì)較少。文獻(xiàn)［2］提出了一種使用小端口脊波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦片式T/R 組件的子陣集成，以8 個(gè)組件為例進(jìn)行子陣電路布局設(shè)計(jì)，未涉及瓦片式T/R 組件的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)［3－6］研究了瓦片式T/R 組件的關(guān)鍵技術(shù)之一垂直互聯(lián)技術(shù)，使用了毛紐扣、錫球擬同軸結(jié)構(gòu)、夾層互聯(lián)技術(shù)等模型。本設(shè)計(jì)中的瓦片式T/R 組件工作在X～Ku 頻段，工作頻率高、帶寬寬，對(duì)尺寸要求更加嚴(yán)格，上述模型存在高頻寬帶內(nèi)微波性能、裝配返修、尺寸、散熱等各式問(wèn)題，不能滿足設(shè)計(jì)要求或不適用于批量生產(chǎn)的加工返修。

針對(duì)上述分析，本文利用現(xiàn)有成熟工藝技術(shù)條件，提出了一種高集成T/R 組件三維立體組裝方法，在較寬頻帶內(nèi)(6 GHz)性能優(yōu)越，易于裝配和維護(hù)，更適合于工程應(yīng)用。為提高集成度，組件同時(shí)也使用了多功能MMIC 芯片技術(shù)、多芯片組裝(Multi－chip Module，MCM)等技術(shù)。文中詳盡介紹了該瓦片式組件實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)，為保證組件工作的長(zhǎng)期可靠性，針對(duì)盒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析仿真和密封性設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，組件各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足用戶的使用要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

該瓦片式T/R 組件采用分層結(jié)構(gòu)，將多個(gè)通道相同功能的芯片或電路集成在不同的平面上，然后采用垂直互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電器和射頻信號(hào)的連通。另外，為充分節(jié)省空間并減小裝配難度，采用集成度高的多功能芯片和多芯片組裝技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)瓦片式T/R 組件的關(guān)鍵之處。

2.1 三維垂直互聯(lián)技術(shù)

對(duì)于瓦片式T/R 組件三維集成微波電路來(lái)說(shuō)，形成三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)各平面微波電路間的垂直互聯(lián)［7］。垂直互聯(lián)是指三維模塊中的電源、接地及層間射頻信號(hào)所需的互聯(lián)?；ヂ?lián)既要保證微波信號(hào)的完整性，又要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本文研制的T/R 組件在有限空間范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和巧妙的電路布局，使用了兩個(gè)平行的層面，完成了信號(hào)的接收和發(fā)射功率輻射。下面分別介紹該T/R 組件的低頻信號(hào)和微波信號(hào)的垂直互聯(lián)方式。

由于組件通道數(shù)較多，低頻接口包括電源、控制、天線信息等多個(gè)信號(hào)，對(duì)于低頻信號(hào)的垂直互聯(lián)，為了提高組件的集成度，設(shè)計(jì)上選用信號(hào)可以上下連通的多層基板來(lái)實(shí)現(xiàn)。組件外部接口將電源和控制信號(hào)引入到組件以后，通過(guò)鍵合的方式將該類信號(hào)全部加到組件的一個(gè)平面上，該平面使用多層電路板。通過(guò)多層電路板的內(nèi)部走線，在另一個(gè)層面需要低頻信號(hào)引入位置的垂直背后，將盒體該位置局部挖空，利用環(huán)氧板上的多個(gè)通孔，將需要的信號(hào)過(guò)渡到盒體另一個(gè)層面，如圖1所示。同樣也使用鍵合的方式，將信號(hào)加到該層面需要的位置。

圖1 T/R 組件剖面模型Fig.1 Profile module of T/R

考慮到微波垂直互聯(lián)的連續(xù)性，射頻傳輸時(shí)的路徑要與腔體、低頻信號(hào)做好充分的屏蔽和隔離，避免因輻射引起的各種信號(hào)干擾。電路上采取合理布局，結(jié)構(gòu)上采取分腔設(shè)計(jì)，保證電路的穩(wěn)定性。

通過(guò)上述分析，結(jié)合實(shí)現(xiàn)的空間和裝配難度，射頻信號(hào)的垂直互聯(lián)采用定制的穿墻絕緣子，絕緣子與上下層面的電路板使用焊錫焊接相連。絕緣子的孔徑和長(zhǎng)度、焊接的焊錫量，均對(duì)射頻性能產(chǎn)生影響。使用三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析和優(yōu)化，確定了穿墻絕緣子的外形尺寸。

圖2為使用絕緣子實(shí)現(xiàn)二維微波多芯片層面垂直互聯(lián)的三維仿真模型圖和單獨(dú)測(cè)試絕緣子的差損結(jié)果，去掉與矢網(wǎng)連接的接頭差損為0.4～0.5 dB，在工作頻帶內(nèi)，絕緣子的差損和平坦度均在0.5 dB以內(nèi)。

圖2 絕緣子仿真模型及測(cè)試結(jié)果Fig.2 Simulation module and test result of insulator

該結(jié)構(gòu)微波信號(hào)垂直互聯(lián)的絕緣子占用平面空間為直徑2 mm的孔徑，每個(gè)低頻信號(hào)互聯(lián)占用直徑0.4 mm的孔徑，較毛紐扣等其他目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的垂直互聯(lián)方式所占空間更小，且在高頻、寬帶組件中性能更加優(yōu)越，成本低，裝配容易，且給返修提供了便利［8］。

2.2 多功能芯片技術(shù)

單芯片實(shí)現(xiàn)多功能微波電路是T/R 組件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，高度的集成化可以顯著提高一致性，降低成本，縮小體積，增加可靠性，從而提高整體的系統(tǒng)性能。使用多功能芯片后，射頻鏈路除了多通道的功分器芯片外，只用了3 個(gè)芯片便實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的收發(fā)。

該T/R 組件所使用的多功能芯片集成了以下電路功能:單刀三擲開(kāi)關(guān)、6 位移相器、6 位衰減器、收發(fā)放大器、串并轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、均衡電路，其原理框圖如圖3所示。

圖3 多功能芯片原理框圖Fig.3 Circuit schematic of multifunctional chip

2.3 MCM 多芯片組裝技術(shù)

瓦片式T/R 組件功能比較復(fù)雜，含有的芯片比較多，要在很小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的收發(fā)、控制，需要先進(jìn)的多芯片組裝技術(shù)，將元器件通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局，形成三維立體結(jié)構(gòu)，以減小模塊的尺寸［9－10］。

同一年，湛江農(nóng)墾被列入廣東省人大水庫(kù)移民議案資金扶持范圍，此后，水庫(kù)移民扶持政策在紅湖逐步落實(shí)。目前，農(nóng)場(chǎng)職工住房已達(dá)3000多棟，其中95%是兩層以上的磚混樓房，職工居住環(huán)境面積大大改善。

本文介紹的T/R 組件包含的功能比較復(fù)雜，既有高頻微波電路又有低頻調(diào)制電路;裝配工藝復(fù)雜，包含多種薄膜、厚膜微組裝工藝;所用基板包括多層環(huán)氧板、微波電路板等，確保精細(xì)線條的加工和多層布線的可靠性。在組裝方面，優(yōu)先考慮成熟的工藝路線，并嚴(yán)格按照工藝文件的要求進(jìn)行加工。合理安排裝配工藝溫度梯度，避免工藝過(guò)程中的二次熔融問(wèn)題。

該T/R 組件分為上下兩個(gè)平行的層面，對(duì)于不同層面的電路板和器件，不僅要考慮溫度梯度的順次裝配，由于盒體尺寸較小，且上下開(kāi)腔僅能從盒體壁進(jìn)行傳熱，因此要考慮在器件燒焊過(guò)程中如何能使器件充分熔融。

3 熱分析

瓦片式T/R 組件的熱設(shè)計(jì)是貫穿于研制全過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)選取材料、器件，采取合理的工藝措施，把元器件產(chǎn)生的熱有效地傳導(dǎo)出盒體，確保發(fā)熱量較大的功率器件的結(jié)溫或者最高溫度工作在允許的溫度范圍內(nèi)，使熱源布局均勻，避免局部熱源集中。完成熱設(shè)計(jì)后，利用ANSYS 等有限元分析軟件建立分析模型，進(jìn)行熱仿真，再通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。該T/R 組件選用熱導(dǎo)率比較高的無(wú)氧銅盒體和介質(zhì)基板材料，通過(guò)電路的熱設(shè)計(jì)降低半導(dǎo)體芯片的結(jié)溫，可以比較好地改善電路的可靠性。

通過(guò)熱分析仿真，組件在發(fā)射通道工作時(shí)的芯片結(jié)溫在100℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GaAs 芯片最高結(jié)溫為175℃。

通過(guò)仿真分析結(jié)果可以看出，該組件提出的三維結(jié)構(gòu)解決了通常三維互聯(lián)方式存在的連接空間和縫隙造成散熱困難的問(wèn)題，在小尺寸空間內(nèi)散熱性能良好，符合長(zhǎng)期工作可靠性的要求。

4 密封性設(shè)計(jì)

瓦片式T/R 組件功能比較復(fù)雜，含有的芯片比較多，并且有需要鋁絲鍵合的鋁壓點(diǎn)芯片，對(duì)環(huán)境的密封性要求比較嚴(yán)格。通過(guò)平行縫焊工藝研究，解決了瓦片式T/R 組件的密封性問(wèn)題，提高了瓦片式T/R 組件的環(huán)境適應(yīng)性。

由于無(wú)氧銅盒體材料不適用于平行縫焊，在盒體設(shè)計(jì)時(shí)，在盒體上下蓋板處的盒體邊緣焊上一圈可伐環(huán)，盒體整體鍍金?？煞キh(huán)的厚度要求在0.3 mm以上，才能滿足縫焊要求。通過(guò)密封試驗(yàn)，該方法滿足組件的密封要求。

5 研制結(jié)果及性能分析

基于以上的設(shè)計(jì)分析，成功研制出X～Ku 頻段瓦片式T/R 組件，已經(jīng)過(guò)與整機(jī)的聯(lián)機(jī)測(cè)試，并已通過(guò)高低溫驗(yàn)證。常溫主要指標(biāo)為:功率27 dBm，效率18%;接收通道增益28 dB，噪聲系數(shù)小于4 dB;6 位移相，6 位衰減，精度較高。尺寸為41.8 mm×8 mm×8.2 mm，質(zhì)量為13 g。圖4為組件產(chǎn)品外形圖。

圖4 組件實(shí)物Fig.4 Photo of the module

圖5為組件接收增益和發(fā)射功率的變化曲線。從圖中可以看出，組件的增益大于28 dB，輸出功率大于27 dBm。研制結(jié)果表明，該多通道瓦片式T/R組件較可循文獻(xiàn)中相同頻段組件更具結(jié)構(gòu)尺寸上的優(yōu)勢(shì)，在高頻、更寬頻帶內(nèi)性能優(yōu)越。表1給出了通常三維結(jié)構(gòu)與本設(shè)計(jì)的對(duì)比分析。

圖5 測(cè)試曲線Fig.5 Test results

表1 不同互聯(lián)方式對(duì)比分析Table 1 Contrastive analysis of different interconnections

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種瓦片式T/R 組件的實(shí)現(xiàn)，提出了一種新的高集成T/R 組件三維立體組裝方法。組件性能優(yōu)越，較“磚塊式”T/R 組件，在結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量上約為1/6，大大減小了雷達(dá)尺寸，使高性能共形有源相控陣成為可能，順應(yīng)了軍事電子產(chǎn)品具有高性能、小型化、輕重量等特點(diǎn)的應(yīng)用需求［11－12］，具有較高的指導(dǎo)意義，將有力地促進(jìn)我國(guó)系統(tǒng)級(jí)微波集成電路技術(shù)的發(fā)展。后續(xù)工作將在整機(jī)中繼續(xù)驗(yàn)證組件使用的長(zhǎng)期可靠性。另外，對(duì)于其他頻段和更大輸出功率的瓦片式T/R 組件，將進(jìn)行一系列的專題研究，趕超國(guó)際先進(jìn)水平。

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