第2期2021年4月
Vol.19No.2
!ada$Science and Technology
DOI：10.3969".issn.1672-2337.2021.02.003
桂勇锋，金来福，丁德志，解启林，吴士伟，邹永庆
(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088)
摘要：基于微波宽频段有源相控阵系统T/R组件工程化迫切，针对传统T/R组件工作频带不够宽、体积尺寸大、稳定性差、移相衰减精度不高等问题，本文了一种X-Ku波段宽频段高性能高集成T/R组件。在突破八通道组件架构技术、基于LTCC整板的高密成设计技术、宽带GaN高可靠高效率及散热技术、高频宽带高隔离防腔体效技术、组件模块化可制造技术等关键技术基G上，研制出X-Ku波段10〜18GHz八通道
T/R组件。组件具有、幅相和安保护等主要功能，实测频带出功率％23.9W、噪声系数&3.52dB、移相精度&3.90°(RMS，均
方根值)、衰减精度&0.94dB(RMS)、驻波98、效率％23%。其中，工作带宽指标由之前的单频段10〜12GHz、15〜17GHz拓宽到宽频段10—18GHz，输出功率由之前的10W量级提高到20W量级，噪声系数由之前的4.3dB提升到小于3.52dB。本组件具有高频、宽带、高效、高集成的特性，可应用于新型综合传雷达系统、多功能综合电子系统等装备中。
关键词：宽频段；X-Ku波段；T/R组件；高性能；高集成；氮化'
中图分类号:TN957.3；TN957.5文献标志码：A文章编号：1672-2337(2021)02-0137-07 Development of Microwave Broadband High-Performance and
High-Integration T/R Module
GUI Yongfeng,JIN Laifu,DING Dezhi,XIE Qilin,WU Shiwei,ZOU Yongqing
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)
Abstract:Aiming at the urgent need of T/R module engineering in micro w ave broadband active phased array system and the problems of traditional T/R module,such as insufficient bandwidth,large size,poor stabil-ityBndlow precision of phBse shiftBnd B t enuBtion this pBper designs Bn X-Ku bBnd broBdbBnd high-performance and high-integration T/R module.Based on the breakthrough of eigh--channel module architecture designtechnique thehigh-densityintegrBteddesigntechniquebBsedonLTCCentireboBrd highreliBbilityBnd highe f iciencyandheatdissipationdesigntechniquesofbroadbandGaNpoweramplifier high-frequencybroad-bandhighisolationcavitye f ectdesigntechnique modularizationdesignandmassmanufacturabilitydesigntech-nique the X-Ku band10〜18GHz eight-channel T/R module is developed.The module has the main functions oftransceiveramplification amplitudeandphasecontrolandsafetyprotection.Themeasuredresultsshowthat the output power in the whole frequency band is%23.9W,the noise figure is&3.52dB,the phase shifting accuracy is&3.90°(RMS),the attenuation accuracy is&0.94dB(RMS),the standing wave ratio is&1.98,and the efficiency is%23%.Among them,the working bandwidth index is increased from10〜12GHz and15〜17GHz to 10〜18GHz,the output power is increased from10W to20W,and the noise figure is decreased from4.3dB to less than3.52dB.This module has the characteristics of high frequency,wide band,high efficiency and high integratiom It canbeusedinnewintegratedsensorradarsystem multi-functionalinteg
ratedelectronicsystem etc( Key words:broadband&X-Ku band；T/R module；high-performance&high-integration&GaN
0引言
瓣特性更好、性能高的阵理、雷达管
理以及能力更高等一系列优点，将会
占据越来越多的应用先进防天线的相控阵雷达具有探测要求雷达系统子功能，这
离远、效率高、可靠性高、纟好、波束波的多功能需求要求天期：2021-03-04；期：2021-04-10
138雷达科学与技术第19卷第2期系统能雷达频段带宽上+4。单X
波单Ku波段的相控阵雷达系统已实程；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以实现雷达、电子战、通信的功能，同时还可以提咼雷达的跟踪、成像能力。X-Ku波段宽频段T/R X-Ku波段宽带相控阵雷达系统的核心部
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、可靠能的优劣，很大程度定了雷达系统的使用护费用；因而，X-Ku波T/R的技术程
对宽频段雷达系统重要。
国此频段的T/R起步，技术成熟，以6〜18GHz.频，已大量应用于子对抗领域；但6〜18GHz T/R的功率、效、幅相等性能指标暂无法雷达跟踪和成像识别要求+,。国内10〜12GHz.15〜17 GHz、14〜18GHz的T/R组件已达到工程化应用水平;6〜18GHz T/R技术本已赶上国外先进水平，但也存 能指标无法.雷达跟踪和成像识别要求。总显统宽带T/R存功不大、效不咼、稳定不够好、移相不够高积尺寸不够小等问题$因此需要开展X-Ku波段10〜18GHz T/R的技术，以增大输出功率、提高效率、提高相集成度*
本文设计的X-Ku波段10〜18GHz T/R组件采用MCM（多芯片组装）工艺技术为提高效、减小体积和重量，将8集成 内，构成宽带八T/R；电源、波控
合理共用；应用GaAs多功能芯片设计技术$将数控移相器、数控衰减器、开关、驱动控.路、放大器等集成G^As芯片上，大大了组内部的MMIC芯片数量，减小了体积和重量的提高了可靠性；应用GaN功率放大器实大功率高效率输出。
本文先了X-Ku波段10〜18GHz T/R 集成设计、设计、公共设、结构及高效散热设计、工艺设计与等方面
设$出了主要技术指标的测果*1设计方案
1E组件集成架构设计
相控阵雷达系统中的T/R需要完成发射（T））（R）两个主要功能，因此T/R：成上主要、、控制以及接口公共（、动、串并、射频输入输出、低频器等）等3个部分*通主要成频的功放大;
主要完成天波的低放大I寸机的要求；组件的及相位、衰减的控制由控制部分完成，以实现对
的、相位的控制*
实现宽频阵自身的高集成，结合天线单元间距、子阵单元数、纟口数散热的，如图1所示，本用八通道集成，收发通道复制;8个收发通道共用壳体、射频输器低频器$低频器提
所需的及控*内部用1m8功分器8的分合成；每自独立使用频输出连器，并与天线阵*用八
集成，有利于相控阵雷达设计和有源阵面功能扩充*
图1X-Ku波段八通道T/R组件外形示意图
如图2所示，收发通道采用（芯片（限幅器、低放大器、幅相多功能芯片、驱动放大器、功率放大器）
+器”的高集成MCM；其中, G q A s幅相多功能芯片，集成了、移相、曩减、放大等功能*该集成用高集成多功能芯片减少了芯片间，提高了集成度、指标，也降低了产成本* 用LTCC（低温）设计；通道前端的功分网络采用LTCC设$将8的功分、控
分、储能、纟动、接口电路
；功分用内带功分器，以留出
空间用于放置控
2021年第2期桂勇锋：微波宽频段高性能高集成T/R组件设计139
器件，并，提高了功能集成度*功分馈电网络的LTCC整板设了板间拼接带来的，降低了组装工艺要求*
图2T/R组件单通道原理框图
具体设计主要包括设计、公共支路设计、结构与高效散热设计等*
1.2收发通道设计
实宽带 能指标，本文充分利用场联合技术单元验证，实现了宽带
单元设计的。在设洗矢网络分析仪等仪表对组件主要选用器片测试，采集获取器件二端口S参数形成S2P文件；再
HFSS提网络的S 参数；ADS-建立全的S参数来设计并优化宽带匹配电
T/R全如图3所示，其中限幅器、低放大器、驱动放大器、幅相多功能芯片、末级放大器、器等器件采用实测的二端口S参数提带入*所有器设都高端和低端预留了一定的频以保证带内平*带内设计，即益频率正斜负斜相抵消进行设计以实现良好的带内标*
1.2.1发射通道设计
定了功率、效率、稳定性等关键指标和功能$兀器件的选I 级联设计尤为重要。首先是末级功率放大器的选设计，为实直接输出功率达到20 W（43dBm）的指标要求$输出端器、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441dBm以上*
半功率放大器经的发展，其中Si LDMOS功率放大器生产成本低、批量能力大昇旦性能器的极限，特别S波段应用效低，扌能力较差，无法应用于X-Ku频段*GaAs PHEMT功率放大器应用性能好，生产成本低扌旦最高安全温只175 C，在高频、宽带、大功应用性能指标：器的限*第宽带半功
器件心N HEMT采用AlGaN/GaN异质结，具优异的微波性能；以半SiC，具
好的导热性能；高输出功率密度、高安全温适合大功率器件；高输出阻利于实现宽带匹配；高压有利于高效率、EMC和简的系统；因而，G q N HEMT在高频、大功、高效、宽带等应用场合优8*产品能、国产化、工程化、应用牵引等合考虑扌选用GaN HEMT MMIC功率放大器*器件厂家用G q N外延设生长技术、高元器提取技术、MMIC芯片设计技术、G q N 功率器件稳定性设计及验证技术，实现了X-Ku波GaN宽带功率放大器的稳定功能和高性能指标（输出功率％443dBm，附加效率％35.5%）*
次是天线口的选择和设计*限于器艺扌专统宽带T/R：一般采用大功来实现天线口的；但阵，开关的性
能指标和系统保护功能作用不及器，主要是当阵〕作大天线单元损，天线单元驻波重，采用天线单元的产生负引功放能降、；相比扌器具好的驻波
，对 稳定功率、效率等指标实现利*采用常规技术设计的器无法在X-Ku波段宽带内实的插损、驻波、尺寸等指标要求，本文选用了一种MEMS（微电子机系统）技术的器*与传统带微带器相比，MEMS器具有尺寸小、
精度
14雷达科学与技术第19卷第2期
高、一致性好'生产等优点9*
阵安装后相，非的：器因漏而相互影响，因此
器应具功能*小MEMS隔器实现了全带宽内单损低于0.6dB、驻波优于14、耐功率50W（脉冲）的良好指标*再次稳定性设计，要出现自
腔体效应*的稳定性设的重点点。输出功率大，发射子功高达37dB$73.2dB$再加内部,GaN功器
，宽带器波不够好等出现自
腔体效应等稳定性问题。特别低温工作情况、功率等影加严重*本设用间大、通道内间小i 的加空间；增大高器件间的空间并敏，利用功分网络带状线内埋设小散，采用宽带匹配及设计等措施实现稳定性设计；并利用HFSS对腔分析，使得腔体的：本振谐振频率不频带内，最终i 优化，确定了内部腔*，设计
较高，若成
状态引起自激，因此采用
及时序上的防自激设计；组件的序上，使收
对的分状态*的设
对T/R的正常、稳定也重要*造成电不稳定的因素主要两：一是器件高速
状态下$瞬态的交变电流过大&流回路上存在的电感*本文优化T/R内部的，尤LTCC内部的接地$要求阻抗之间衡点，采用对各种电源之间等措施改之间的干扰*
1. 2.2接收通道设计
系数的标，在系统带宽确定的状态下，噪声系数决定了系统的-灵敏度*需要实加权功能，所以相比$需增加数控
功能（通过幅相多功能芯片来实现）*为了降低整T/R的系数，设需要对限幅器插损、低噪放大器的系数指标提出较高要求；同低放大器的需要高，以级级联对系数的恶化接收通道的具体分配如图4所示*
Z=0.4dB L=1.0dB-30dBm£-0.7dB
-28dBm'|-5dBm 连接器及环行冲£一啖
传输微带板隔离器限幅器
_____________I
LNA-1.3dB/26dB
9.5dBm
r~~-
3dBm-5dBm
L_____________________
多功能
图4接收通道链路增益分配
根据噪声系数计算公式:
合 器件指标，可计算得T/R组件的系数为3.44dB*
1・3公共支路设计
共的幅相序控通波控来实现*如图5所示,T/R波控芯片主要实并数据锁存功能&
T/R控口，增强的靠性，波控芯片具护、负压保护'等功能*
接收/发射/DI5_2J
负载控制
注：1.红、蓝为增加或改变的内容；蓝线为增加的组件外部接口信号，红线为T/R内部信号；
2.二选一开关控制（TR_R）：高电平一第1组，低电一第2组；
3•欠压保护电路：工作曲源由Vcc提供，其-5V工作电源由Vcc转换得到而不宜接使用系统的-5V 电源；V+in从Vcc取样，V-in从Vee取样，正常情况分别为+5V和-5V；V+outl/V+out2、V-outl/V-out2为两组互补输出的TTL电平；
逻辑关系：V+in>+4V,V+outl=“1”，V+out2=“0”；V+in<+4V时则相反；
V-in<-4V,V-outl=“1”,V-out2=“0”;V-in>-4V时则相反
「
缓
冲
驱
动
一
D0_l_E
D1_1_E r
D14_1_E j
D151E
电子防丢器D0
Dl
D14_lj
D15
D02
Dl2渗透印章
D142j
D152
D0_2_E
D1_2_E
~r
D14_2_E j
D152E
化纤丝DI1S
D121S|
D131S
D14
^15
松DO
1S1_S
s
DI2s
D12is.
DI3
电源欠压保护
图5T/R波控芯片功能原理图
1.4结构和散热设计
T/R主要由、盖板、、、输、/输出连接器等成$液中焚烧炉
功分分别，组用螺钉固定。为实的小、高密度组装，减小的体积重量，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$
2021年第2期
桂勇锋：微波宽频段高性能高集成T/R 组件设计
141
大大缩小 尺寸；同时，LTCC 的热
系数与GaAs 芯片较为匹配“ 期的组装工
艺+11。 的选择主要
密度、与
LTCC 基板热匹配性、热
$
的比刚
强度、加工性能 等；目前可供选用的 主
要 合金、AS 、ASC 、铝合金等*由于AS 在
重 优且导热性好，与LTCC 的热匹
更
好，易批量加工等优点，本文最终选用AS *整个组
加成*
八
T/R 的热量主要来自8个末级功
率放大器芯片$
大脉宽
$功率芯片的热
流密度峰值近200 W/cm 2 $强 的散热方式无
法保证
间 ，所以采用 散热方
功率放大器芯片所产生的热
散热器
速高效
T/R
的安装
。为实
高效散热，本文采用了 280 C 的Au80Sn20焊料将
功率芯片共晶 热导率较高且膨胀系数与芯片
相匹配的
，再采用154 C 的低温
将装
，从而使功率芯片与
间
成一个快速散热的通道*而其他小功率单片 非功率芯片对散热要求较低，直
用
LTCC *如图6所示，组件安装在集成
散热 忧
热板设
用了高效微通道冷
技术、高导热材料技术、低
热阻技术和一
流 扑系统的集成设计技术*热
空比30%、 口温度35 C
状态下,
T/R 末级功率放大器处的壳温88. 0 C ，器件热
smdao阻1. 6 C/W/T/R 温最高处的末级功放芯片
结温为 88. 0 C + 1.6 C/WX12. 8 W=108. 48 C $
低于GaN 芯片最高结温220 C 的I 级降额120 C 要
求（Tjm-100C ）*因此，本文的散热设计能够满足
器件高可靠工作要求*
2组装工艺
本 艺设计上，采用
联设计，所有
连接器
的两端，避免了垂直互联设计的制
，改善了组装 *
八 模船用靠球
设计，通道装配自动流
业，采用AS 盒
类
密加工技术、AS 合
技
术、高精度微带板设计及 技术、LTCC 电路设计及制造技术等确保了组件的 成 *
3主要指标与测试结果
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 果见表
1主要测 如图8〜12所示，其中九=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
标名称
测 果
1
频段10 〜18 GHz 2输出功
23. 9〜32. 3W 3带内幅度起伏
&士0. 65 dB
4效
>23%5
系数
&3. 52 dB
6带内幅度起伏&士 1. 17 dB 7
移相
&3. 90°(RMS)
8衰减精度&0. 94 dB(RMS)
9
驻波
&1. 51（天线口）&1. 98（集总口）
一
J
J T /R
组件_
撤
通道
高
效冷漲一
**t /r 组件*
* 一
O
O O O O O 一
J
J T /R 组件 _
微通道高效冷板
一
*
T
二一
一
・J
T /R 组件_
微通道高效冷板
**T /R
组件* T
_
t 二次电源、波控、网络等t
4746454443
/o-4
/o-2 /o /o+2
/o+4
频率/GHz
42
图8发射输出功 测试结果
图6
热设
意图
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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