沈端 孙安锋 李丽华
南京国博电子有限公司，江苏，南京，210016
摘要：介绍了一种Ka波段八通道超薄型T/R组件的电路原理设计和实现。GaAs MMIC、微型同轴结构、微型插针、高密度多层布线技术的应用有效减小了组件的体积和重量；组件内部通过合理的力学结构设计，增加了组件的抗形变能力，并最终实现了高可靠性的多通道Ka波段八通道超薄型T/R组件。
关键词： T/R组件；Ka波段；超薄型；小型化；高可靠性
1 引言
相控阵T/R组件由于具有扫描速度快、控制灵活、幅度和相位连续可调等优点，正获得越来越广泛的应用。在毫米波有源相控阵体系中,每幅相控阵天线均包含成百上千个T/R通道，每一辐射单元的高功率产生、低噪声放大以及幅相控制均由独立的T/R通道来实现，同时，由于相控阵体系自身体积和供电电源的限制，对毫米波T/R组件的的体积提出了严格的要求 [1-2]。
本文介绍了一款Ka波段八通道超薄型T/R组件的设计及实现，对组件关键指标进行分解、仿真设计并实测。组件具有较薄的Z向尺寸、较高的抗形变能力、较好的性能指标。
2组件设计
2.1 电路原理
T/R组件由8通道收发支路和2个一分四功分网络构成。每个通道包含六位移相器、五位衰减器、收发开关、限幅器、低噪声放大器以及功率放大器等器件，由于小型化的要求，组件内部器件均采用MMIC芯片构成。
T/R的原理模型见图1。
组件每个通道包含数控移相器、收发切换开关、低噪放、数控衰减器、发射驱放、发射末级放大器等元器件。
组件实现的功能有：（1）实现收发分时切换工作；（2）单通道独立移相衰减；（3）单通道独立功率放大和低噪声接收。
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图1 组件原理框图
发射支路要求输出功率≥400mW，接收支路要求单通道增益≥19，带内平坦度±2dB，噪声系数≤4.5dB，组件重量≤20g。
组件要求实现小型化、超薄型设计，尺寸要求：60mm×35mm×3.3mm。
2.2 仿真计算
根据设计要求，对组件内功分网络采用微带电路方式实现。在各种微带功分器中，Wilkinson 功分器由于其结构简单、易于实现，具有良好的电特性等因素，被广泛地应用于微波和毫米波电路系统中。为提高集成度，减小馈电收发组件体积，将采用低损耗微带板结合GaAs工艺技术的功分器的方式，实现毫米波一分四功分网络设计。
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图2 功分网络模型图
图2为毫米波一分四功分网络模型，该功分网络仿真结果为插损-7.2～-7.9dB，驻波S11≈1.9，S22、S33≈1.4。
接收支路的级联计算指标见表1所示，单通道增益设计值23.5dB左右（包含功分器损耗），噪声系数设计值3.31dB。发射支路的级联计算指标见表2，发射功率设计值≥27.5dBm。
表1 接收增益、噪声级联计算值
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表2 发射输出功率、效率计算值
2.3 结构和热仿真
组件需要在长为60mm，宽为35mm尺寸内实现八个收发独立通道，这要求组件内部采用大量裸芯片以提高封装密度，同时对对组件进行密封设计，以隔绝外部恶劣的工作环境影响，保证其长期可靠性和稳定性。外壳采用激光封帽的方式。在选择结构材料时统筹考虑了强度、成本、重量、加工性、热和电性能要求等方面综合因素。由于要求重量轻、传热快，同时要求结构所用材料能够易于加工，选择铝作为主体材料[3]。
由于组件Z向尺寸为3.3mm极薄，组件的主要热源来自与功率放大模块的热耗，系统采用风冷方式进行散热，采用热仿真软件计算管芯温度，当风冷控制壳温稳定在70℃时，组件的管芯温度小于96.1℃，如图3所示，该结构方案能够很好的实现热控制[4]。
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图3 热仿真图
组件采用了大量的裸芯片以提高组件封装密度，因此必须对组件进行密封设计。模块外壳选用铝材料，封帽方式采用激光封帽。可以保证其稳定性和长期可靠性。
3 组件的实现
Ka波段多通道超薄T/R组件的制作实物如下图4所示。组件RF端口为微型同轴接口，电源与控制端口为微型插针接口。
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图4 T/R组件实物图
接收通道0态增益和噪声系数测试结果如图5、6所示，增益在19dB~22dB，噪声系数2.6dB~4.2dB，满足指标设计要求。
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发射通道测试结果如图7所示，输出功率在27.6dBm~28.8dBm之间。组件底部平面度测试结果如图8所示，为0.137mm，平面度指标较好。
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4 结论
本文介绍了一种Ka波段八通道超薄T/R组件的电路原理设计和实现。通过内部结构合理设计、技术指标的合理分配，设计并制作了样品实测，来验证指标中增益、噪声、功率、平面度等指标。多通道组件在满足所有技术指标的同时，最终实现的体积仅为60mm×35mm×3.3mm、重量仅15.9g。
参考文献：
［1］石星. 毫米波相控阵雷达及其应用发展 [J]. 电讯技术，2008（1）：6-12.
［2］胡春明，周志鹏，严伟. 相控阵雷达收发组件技术 [M]. 北京：国防工业出版社，2010.
［3］张维，张均华. 毫米波T/R子阵研究与设计［J］. 电子与封装，2016，16（9）:28-30.
［4］盛重.功放芯片热分析及散热片结构优化［J］.电子与封装,2015（2）:44-48.