X波段四通道定标T/R组件设计

周演飞，王道畅

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥，230088）

0 引言

T/R组件作为有源相控阵雷达的核心部件，广泛应用于各种探测、制导及成像雷达系统[1]。T/R组件的指标决定了雷达系统的性能，随着微波单片集成电路的大规模应用，微波器件的功率、效率和噪声系数等指标得到较大提升，T/R组件也实现了小型化和轻量化发展。T/R组件作为相控阵雷达数量最多的有源模块，其成本在整个雷达系统中占比较高，限制了其在低成本领域的应用。技术指标满足系统要求的情况下，需要从设计上降低T/R组件的成本。

在SAR应用领域，雷达系统要求对T/R组件的收发通道做到精确监测，需要在T/R组件内集成定标耦合器，来采集收发通道的幅度和相位信息，实现对空间的精确辐射扫描，定标耦合器的性能对系统的检测精度至关重要。T/R组件一般采用多通道设计，而一部雷达往往有成百上千或更多的T/R组件，将每个通道对应一个耦合电路，若是强耦合，则合成到定标总口的能量是很大的，因此一般要求T/R组件内的耦合器必须是弱耦合，保证定标合成总口的信号幅度适宜。

定向性是关键性指标，关系着系统检测的灵敏度和精度，因此，高性能的定标耦合器兼具有弱耦合和高定向性特点。为减少定标端口数量，定标耦合器采用两通道合成设计，如图1所示。定标耦合器包括功分器和两个定向耦合器。

图1 定标T/R组件

发射定标时，大功率信号经耦合网络到定标口输出弱耦合信号，负载作为隔离端；接收通道定标时，信号从定标口灌入，经耦合网络耦合到接收主通道[2]，端口1/2为隔离端口。定向耦合器处于接收前端，会带来额外的插入损耗，需要降低该损耗，尽可能地减小对T/R组件输出功率、效率以及接收噪声系数的影响。

本文设计一款单通道输出功率超过30W，具有弱耦合、高定向性定标功能的X波段四通道T/R组件。

1 设计方案

为减少射频器件使用，需要更高集成度的芯片。采用射频“三芯片”设计：限幅低噪放大器芯片、多功能芯片和功率放大器芯片。限幅低噪声放大器将限幅器和低噪声放大器集成一款芯片，在实现将弱回波信号低噪声放大的同时，还能将外来有害大功率信号反射至环行隔离器的负载电阻吸收，保护接收链路；多功能芯片在集成收发开关和幅相控制的情况下，还内置驱动放大器，发射时直接将激励信号推至功率放大器需要的功率电平。通道链路指标分解如图2所示。

图2 通道链路指标分解

功率放大器芯片饱和输出45.6dBm，扣除环行隔离器和传输损耗，T/R组件输出功率45dBm(31.6W)，接收单通道增益26.4dB，噪声系数2.6dB。

T/R组件发射是脉冲工作，脉冲工作时，电源瞬间拉不出尖峰电流，尖峰电流由组件内的储能电容提供[3]，储能电容的大小由脉冲宽度及所能允许的脉冲压降来决定，依据经验公式，计算所需电容量。

Ip为脉冲峰值电流，▽V是允许的脉冲内电压的压降，τ为工作最大脉冲宽度，代入数据，计算得到发射单通道所需电容量为70μF，因此需在组件内放置280μF电容为发射漏压供电，保证脉冲波形平整。

T/R组件的小型化需要高布线密度的多层基板，常用的高频基板是LTCC和多层复合介质板。LTCC采用金银贵金属作为导体浆料，在高频微波有着良好的性能，可靠性高，多应用于航空、航天产品，而过高的成本限制了T/R组件低成本设计。多层复合介质板采用半固化片将多层双面板压合，外形可以随意切割，满足各种腔体结构，但介质板导热率太低，散热问题限制了高集成设计。

HTCC是以钨金属作为填充和导体材料，与氧化铝陶瓷在1600℃左右实现共烧[4]，结构强度高，散热好，布线密度高，是低成本化微波多层基板，可做高集成设计。钨金属电导率为1.0×107S/m，微波传输性能不及金银，随着频率升高，传输损耗就越大。在X频段及以上，微波传输线应多走表面，减少微波信号的垂直过渡和带状线设计。

2 定标耦合器

耦合器广泛应用于微波测试和雷达监测系统，主要完成功率分配和信号耦合，是一种重要的四端口微波元件。耦合度和定向性是耦合器的核心指标，耦合度的大小代表能量分配比例，定向性决定了系统检测精度和灵敏度[5]，是系统性能和技术水平的关键，因此设计高定向性的耦合器是追求的目标。

传统的带状线、锯齿线等高定向耦合器，结构复杂、体积大，无法满足T/R组件的小型化需求，而微带线定向耦合器结构简单，是微波混合单片集成电路系统的最佳选择。一般应用弱耦合的耦合度为10～20dB，可得到较高的定向性，更弱耦合（耦合度30dB）场合下，要获得高定向性是很困难的。对称微带耦合线应用较为广泛，文献[5]给出了相同特性阻抗的对称微带耦合线的理论分析，通过补偿电容，使奇模电容大于偶模电容，获得高定向性，对于指导设计提供了理论支撑。

平行对称微带耦合器合成定标耦合器时，50Ω微带线较宽，合成器占用尺寸大，为更方便的嵌入T/R组件，需要更加小型化的耦合网络，采用非对称平行微带耦合设计电路，一边是高阻抗传输线，一边是50Ω的传输线，高阻抗的微带线宽较窄，做合成网络比50Ω微带线更节省空间，仅有对称平行微带耦合器尺寸一半多点，在弱耦合场也可以达到对称耦合器同样的耦合特性。

选用厚度0.508mm的Rogers RT6002介质板，在HFSS仿真软件中建立模型。

图3 仿真模型

定标耦合器由非对称平行耦合线和合成器两部分组成，端口间距与T/R组件的通道间距保持一致，为保证定标端口的合成效果，两边的耦合特性应完全一致，采用对称设计。100Ω射频电阻作为吸收负载，代入模型，增加一对叉指补偿电容用于提高定向性。主传输微带线需要做缺口设计，补偿叉指带来的影响。

调整耦合线间距和一对叉指尺寸位置，优化参数，得到仿真结果如图4、5所示。

图4 隔离度和耦合度仿真结果

图5 端口驻波仿真结果

由此可见，X波段1GHz带宽的耦合度为32.5dB，带内波动0.3dB，隔离度超过-60dB，计算得到定向性优于28dB，定标端口驻波1.27。仿真结果表明了该设计具有较高的方向性，所有端口匹配良好。耦合器传输长度不足1cm，仿真传输损耗小于0.04dB，对T/R组件的输出和噪声系数影响极小，满足设计要求。

3 结构设计

硅铝合金是非金属硅和金属铝形成的复合材料，是新一代封装外壳材料，具有轻质、高散热、热膨胀系数与陶瓷基板匹配等优点，可有效解决大功率器件散热及热匹配问题，尤其是对重量比较敏感的航空、航天等领域优势更加明显[6]。由于Si和Al都是低廉材料，硅铝合金作为封装管壳具有低成本优势。封装本体选用AlSi50%材料，盖板选用AlSi30%材料，采用激光封焊，保证密封气密性。

硅铝材料兼具有金属和非金属的特征，其材质相对于金属材料而言脆性比较大，具有一定的局限性，应用时要充分考虑结构尺寸、重量对安装结构强度的影响。T/R组件结构设计如图6所示，设计多处加强筋提高T/R组件的整体结构强度，安装凸耳采用圆角过渡设计，提高安装抗应力能力。

图6 结构设计

封装管壳还需要解决散热问题，T/R组件热耗最大就是功率放大器，是热量最集中的区域，功率放大器芯片与钼铜衬底共晶焊接，整体再与盒体焊接，通过管壳底面将大量的热量散出去，通过热学仿真，满足热设计要求。

T/R组件多通道同时工作，为减小通道间相互干扰，需要将收发通道进行分腔处理。需遵循以下原则：有源器件避免处于本征模场强较大的地方，以免引发腔体谐振或链路自激，严重时可能导致器件烧毁；通道宽度尽量窄，隔墙尽可能地长，减小公共区域长度，使最低本征谐振频率高于工作频带；增益较大或者输出较大的相邻器件需增加隔离措施，从设计上消除腔体自激和通道相互耦合的风险。

定标耦合器放在腔体左边，两个定标耦合器被隔墙从中间隔开，隔墙与盖板紧密贴合，避免相互影响，保证设计与仿真相吻合。

4 实物与测试

采用微组装工艺，完成T/R组件的装配，实物图如图7所示。T/R组件本体 尺 寸62mm×63mm× 10.3mm，重量93g。

图7 T/R组件实物

射频端口均采用SSMA连接器，四通道端口间距相同，电源和控制信号使用低频连接器与系统互连。定标耦合器是无源互易网络，耦合度可以通过接收通道测量得到，也可以通过发射通道测试，测试端口匹配良好时，其结果是一致的。信号从定标口入，可得到耦合通道接收增益，主通道增益与耦合通道接收增益之差即定标耦合器的耦合度。定标口与相邻端口的S21即为隔离度，定向性为隔离度与耦合度之差，实测结果如图8、9所示。

图8 耦合度实测数据

四个通道的耦合度实测基本一致，耦合度处于32～ 33dB之间，带内平坦度也小于0.5dB，耦合度和带内波动与仿真数据对比基本吻合。定向性实测大于16dB，略低于仿真结果，究其原因，有微带图形加工精度误差的影响，但最主要的原因是仿真模型的端口匹配是完全匹配，没有将环行隔离器代入仿真设计，环行隔离器端口驻波实测1.35，对定标耦合器的隔离度测试影响较大，导致了隔离度实测小于仿真结果。后续优化环行隔离器的端口驻波，定向性指标会更优。

图9 定向性实测数据

耦合相位实测一致性仅±4°，定标端口驻波小于1.3，定标耦合器的通道一致性好。实现了X波段弱耦合高定向性的定标耦合器设计。

T/R组件关键技术指标测试如表1所示。

表1 关键指标测试

组件实测输出功率大于30W，尤其是组件效率高，全带内超过35%，实现了大功率、高效率和低噪声设计，移相精度和衰减精度也满足使用要求。

5 结论

设计实现了一款高输出和高效率的X波段四通道T/R组件，通过嵌入弱耦合、高定向性的合成定标耦合器，实现了对收发通道的定标测试。“三芯片”方案节省了射频芯片的使用数量，生产装配一致性和成品率更高，通道一致性更好。为进一步的应用在星载SAR平台打下坚实的基础。