3cm TR组件的研制

3cm-T/R 组件的研制 李俊生 （盐城师范学院物理科学与电子技术学院，江苏 盐城 224002） 摘 要：介绍了一种 3cm-T/R 组件的设计与制作，该组件基于 LTCC 技术，运用两只功率放大器裸 芯片和一个 Wilkinson 功分合成器设计出了一个平衡放大器，并且作为 3cm-T/R 组件发射通道的末 级功放。文章分析了收发组件的原理，详细讨论了电磁兼容问题和装配工艺，充分利用了混 合集成电路（HMIC）和多芯片组装（MCM）相结合的技术，并且给出了测试结果。3cm-T/R 组件 的各项指标基本达到了设计的要求，该组件能实现 14 W 的高功率输出。 关键词：3cm；T/R 组件；末级功放；输出功率 中图分类号：TN454 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2011）01-0009-04 Design and Manufacture Techniques of 3cm-T/R Module LI Jun-sheng （Yancheng Normal College, Yancheng 224002,China） Abstract:This paper briefly introduces the design and manufacture techniques of 3cm-T/R module.A balanced amplifier is designed as a final amplifier in transmitter channel for 3cm-T/R module. Two power amplifier chips and a wilkinson coupler are used. Based on the analysis about principle of T/R module. The EMC and the assembly technology are discussed in detail. The output power of 3cm-T/R module is 14 watts by applying the technology combined HMIC with MCM. Key words: 3cm; T/R module; final power amplifier; output power 通常情况下，在数量相同的一组 T/R 组件中合 成发射功率越大，其雷达照射的范围也就相应越大， 所以研究高功率 T/ R 组件也就显得非常重要。因此 在 T/R 组件设计时，最关键的部分是功率放大模块。 该组件通常运用了混合集成电路（HMIC）和多芯片 组装（MCM）相结合的技术。运用其 LTCC 基板，根 据现有的制造工艺，设计出了一种平衡放大器作为 发射通道的末级功放模块，该平衡放大器是利用两 只功率放大器裸芯片以及一个 Wilkinson 功分合成器 组成的，其最终效果是提高了输出功率。 引言 1 近年来，随着电子技术的发展，对现代有源相 控阵雷达的要求越来越高，而 T/R 组件[1- 2]是构成有 源相控阵雷达的核心部件之一，因此对 T/ R 组件的 各个性能[3 -4 ]提出了更高的要求。同时微电子技术和 MMIC 电路的发展为 T/R 组件的设计提供了良好的 基础，当前组件技术的发展趋势是在利用 H T C C 、 LTCC 等多层微带基板的基础上，集成一片或数片多 功能 MMIC 电路，再经过微电子互连而成。而这种 组件具有体积小、重量轻、性能指标高、一致性好 的特点。 2 T/R组件的原理与组成 图 1 T/R 组件原理框图 图 2 Wilkinson 功分合成器仿真设计图 T/R 组件原理框图如图 1 所示。在发射通道，由 激励信号源送来的信号送入组件发射通道，经过功率 放大器使信号放大后反馈至天线辐射单元；在接收通 道，从天线受到的微弱信号经接收通道传到接收机。 基于现有的工艺水平，我们选用的导体为金， 其厚度为 0.01mm，由于 LTCC 基板的工艺精度不佳， 插损比较大，故利用陶瓷作为介质，其介电常数 ε =9.9，厚度为 0.635mm，损耗角正切值为 0.006。通 r 过软件 H F S S 仿真，可以计算出两段 5 0 Ω的线宽 W =0.6mm，70.7Ω的线宽W =0.023。电阻选为100Ω 1 的薄膜电阻，如图 2 。 2 组件接收通道包括限幅器、低噪声放大器和数 字衰减器。在组件发射期间，若天线有很大的功率 反射，此时限幅器能起到保护低噪声放大器的作用。 组件发射通道包括 T/ R 开关、数字移相、驱动功率 放大、末级功放和环形器。而末级高功率放大模块 为下文重点介绍的。 控制电路部分包括数字移相器、数字可变衰减 器、数字开关和驱动控制芯片。为了设计需要运用 了正向和反向的环形器，其中一个当作隔离器使用， 另外一个作环形器使用。对于电源部分，因为组件 发射功率器件为 G a A s 器件，其必须要先加负压 按照上面的初始参数利用 HFSS 仿真的结果。在 9.2GHz~9.8GHz波段，三个端口的驻波均在1.19以下， 两臂的公分比端口 2 约为 -3.1dB，端口 3 约为 -3.5dB、 两臂的隔离度在 -27dB 以下，两端口的相位差为 90° ± 5°。 3.3 3cm-T/R组件的电磁兼容分析 T/R 组件中存在着数字信号、模拟信号、微波信 号、直流信号和脉冲信号等。因此，电磁兼容设计 将是工程实现、联机调试中的难点，在设计阶段必 须充分认识到电磁兼容性设计的重要性。 3.3.1 腔体效应 腔体效应是组件 EMC 设计中的一个重要环节， 除了谐振频率和相应的 Q 值会导致组件的不稳定工 作以外，腔体内部具体场分布特征也可能导致组件 整体性能上的失败或成品率的下降。我们设计优化 的目标是尽量降低腔体内部场分布强度。另外，在 热耗严重的地方（末级功率放大模块）不能有高强 度的场分布，末级功率放大器的抗失配比对整个支 路的稳定性也有很大的实际意义。如图 3 所示，在 末级放大模块恰恰有很高的场分布，我们解决的办 法是加上吸波材料，它是解决腔体自激现象的有用 途径。 3.3.2 电源完整性 电源的完整性设计对 T/R 组件的正常稳定工作 至关重要，造成电源不稳定的根源主要在于两个方 （V ），后加正压（V ），加负压保护电路就行。 gs ds 3cm-T/R组件的设计思路和过程 3 设计 3cm-T/R 组件时，考虑最关键的部分就是 末级功放模块，因此本文将对末级功放部分展开详 细探讨。 3.1 设计思路 设计一个 Wilkinson 功分合成器[5 -6 ]，采用两个 10W 功率放大器裸芯片进行合成，组成一个平衡放 大器。Wilkinson 功分合成器采用了二等分功分器。 因为信号在输入功分器的输出端是同相位的，所以 注入放大器 1 之前的信号和放大器 2 之后的信号需 要相移，将其中的一臂增加了λ /4 的线长，其目的 在于，如果两个放大器有驻波反射回来时，信号沿 功分合成器两臂都在电阻 R 处会聚，并且刚好在 R 处相抵消。 3.2 Wilkinson 功分合成器的设计与仿真 图 3 腔体内部场分布图 图 4 电路焊接 1 3cm-T/R 组件测试结果 面，一是器件高速开关状态下瞬态交变电流过大， 二是电流回路上存在的电感。 锡焊料将裸芯片焊接于芯片载体上，装配时基板相 应位置开孔，芯片载体再通过其他方式固定于盒体 底部；导电粘接就是通过导电胶将裸芯片粘接于基 板表面，导电胶粘接不利于散热且没有焊接好。针 对我们 X 波段高功率 T/R 组件来说，末级功放是发 热较大的功率器件，所以主要采用 2 8 0 ℃的共晶焊 接。而一般小功率（如驱动功率放大器）、小信号（如 低噪声放大器）、控制类器件（如移相器、衰减器和 开关等）均可采用导电胶粘接。 4.2 电路互连 通过改变 T/R 组件内部接地方式，尤其是 LTCC 内部接地方式，可以在多层布线结构要求和地平面 阻抗之间找到平衡点，对各种电源之间进行地的隔 离等来改善电源之间的干扰等。 3.3.3 收发隔离设计 保证组件发射支路和接收支路之间无干扰，采 用收发电源分时工作保证收发之间完全隔离。 T/R 组件的发射通道和接收通道虽然分时工作， 但在收发转换时，T/R 开关的隔离度降低，收发之间 形成回路，容易产生振荡，收发开关存在一定的开 关时间，脉冲前沿时没有将接收支路完全关断，而 接收支路已经部分连通，也使得收发通道形成回路， 产生振荡。这在单独测试发射通道或接收通道时不 会出现，只有在收发转换时才会发生。解决的方法 是将 T/R 开关错开一定的时间，使得一个通道完全 关断后再打开另一个通道，这样就不会发生振荡。 如图 4，末级放大电路互连时，芯片采用金丝热 压焊，而基板之间的互连以及芯片电容与基板之间 的互连都采用金丝球焊，为了改善微波传输性能， 射频输入输出金丝应该尽量短，尽量使用两根金丝 互连；电源馈电旁路电容离芯片距离应尽量短；大 电流馈电焊点应采用两根或三根金丝，以防单根金 丝过流熔断；馈电焊点可以采用金丝球焊，能够增 加金丝的可靠性，射频传输采用金丝压焊性能更好。 3cm-T/R组件的测试与分析 5 图5为3cm-T/R组件实物图。根据分析，Wilkinson 功分合成器的插损为 0.6dB，得到输出功率达 17.5W， 而实际制造中考虑到加工工艺水平，结果要差一些。 而对于组件的输出功率完全可以达到 14W。表 1 为 3cm-T/R 组件测试结果，接收系统的增益大于 25dB， 噪声系数小于 4dB，驻波小于 1.5，移相精度为 5° （RMS），衰减精度 0.6°（RMS）。 3cm-T/R组件设计制造工艺 4 末级攻放采用中国电科集团某所的两只型号 GaAs 功率管和加工的 Wilkinson 功分合成器组成，此 功率管具有高功率输出（P =40.0dBm@8.5GHz ~10. out 5GHz）、高增益（Gain=26dB@8.5GHz ~10.5GHz）、高 效率（η =35%）以及高集成内匹配等优点。另外 add 控制芯片采用该所的 SW292，其他芯片也全部利用 该所产品，LTCC 基板是同其他研究所合作代加工完 成，准备好后采用如下工艺[ 6 ] 进行安装。 4.1 芯片安装 针对 3cm-T/R 组件来说，裸芯片贴装有两种方 式：共晶焊接和导电胶粘接。共晶焊接就是通过金 图 5 3cm-T/R 组件实物图 ［2］P.Schuh,R.Leberer,H.Sledzik,et al.. Advanced High Power Amplifier Chain for X-band T/R-Moudles based on Gan MMICs[C]. European Microwave Conference Proceedings, 2006. 241-244. ［3］张琦，苏东林，张德智. 基于 LTCC 多层基板的 X 波段 T /R 组件小型化设计[J]. 现代电子技术，2007，1（3）： 55-57. ［4］王周海，李雁. X 波段双通道 T/R 组件的 LTCC 基板电路 的设计[J]. 雷达科学与技术，2005，3（5）：301-305. ［5］Guillermo Gonzalez 著，白晓东译. 微波晶体管放大器分 析与设计（第二版）[M]. 北京：清华大学出版社，2003. 288-294. ［6］清华大学《微带电路》编写组. 微带电路[M]. 北京：人 民邮电出版社，1976. 209-214. ［7］姜伟卓，严伟，谢廉忠. LTCC 多层微波互连基板布局 布线设计及制造技术[J]. 电子工艺技术，2000，21（2）： 81-83. 6 结语 本文介绍了 3cm-T/R 组件的，对其制 作样机并进行了调试和测量，测试结果表明组件的 各项指标基本达到设计要求，很好地解决了大功率 和电磁兼容问题。分析时的预计结果比测量的结果 要好些，主要是少考虑了通过环形器和穿墙的损耗。 我们今后将对此进行改进，如进一步缩小体积、减 少插损和提高隔离度等等，将来研制的方向是将所 有芯片直接设计在同一块 LTC C 基板上并能达到高 性能的 3cm-T/R 组件。 作者简介： 李俊生（1983-），男，江苏盐城人， 盐城师范学院助教，主要从事T/R 组件 和微波电路设计的研究。 参考文献： ［1］M.Adolph, U.Hackenberg, R.Reber, et al..High-precision temperature drift compensated T/R-Module for satellite based SAR applications[C].European Microwave Confer- ence Proceedings,2005. 813-816. 信 息 报 道 ASM PT 与 SIPLACE 的并购喜迎发展良机： S M T 市场恢复到经济危机发生前的水平 位于慕尼黑的技术与创新领先厂商—— SIPLACE 进行 的大量市场分析显示，受到电子生产市场复兴的推动，STM 贴装设备市场正迎来新一轮的迅猛发展期。与经济危机最严 重的 2008、2009 年相比，领先机器厂商的累计收入增长了 超过两倍之多。在这一发展趋势的推动下，2010 年第三季 度全球设备收入第一次再次超过发生经济危机前的水平。 SIPLACE 的投资方 ASM 太平洋科技有限公司对于这 一前景将感到尤为振奋。因为在今年夏天早些时候，这家位 于香港的公司与西门子签署，将在 2011 年初收购其整 个 SMT 业务，并将其作为一个独立的业务部门进行运营。当 前的市场发展趋势表明这一交易正恰逢良机，而客户对此也 充满信心，SIPLACE 的订单数量在 10 月份创下新的记录就 是对此的最好证明。 全球各地的公司均纷纷开始再次向电子生产进行投资。 与 2008 年和 2009 年同期相比，从 2009 年 10 月到 2010 年 9 月，全球 SMT 设备的销售额增长了两倍。这一迹象表明行 业已成功克服全球经济危机的影响，在 SMT 设备的收入和 投资方面均恢复到了经济危机前的水平。虽然增幅与前几个 季度相比略有降低，中国仍是带动全球经济增长的火车头。 中国的电子生产在全球市场中所占的份额已超过 50%。全球 电子产能的超过 80% 现在集中在亚洲地区。 SIPLACE 分析还显示出欧洲和美洲市场同样也在稳定 恢复。2009 年底开始，两个地区均取得了显著的季度增幅。 2010 年两个地区的 SMT 设备销售额仅略低于经济危机前的 水平。然而，亚洲的增幅继续高于欧洲和美洲，而这也是亚 洲地区市场份额不断增加的原因所在。 （本刊通讯员） file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txt Appliance Error (configuration_error) Your request could not be processed because of a configuration error: "Could not connect to LDAP server." For assistance, contact your network support team. file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txt2012-07-12 20:42:52