ａ叶技２０１４年第２７卷第４期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ａｐｒ．１５．２０１４ 小型化Ｘ波段双通道Ｔ／Ｒ组件的设计与实现 廖 原，王 洁，张 娟，张生春 （西安电子工程研究所专业７部，陕西西安摘要７１０１００） 介绍了一种Ｘ波段的双通道Ｔ／Ｒ组件，采用ＭＣＭ工艺进行小型化设计，并结合电磁仿真软件对组件中 ． 的关键电路和结构进行分析和优化，最终实现的Ｔ／Ｒ组件具有体积小、重量轻的优点。测试结果表明，该组件具有良 好的电气性能。 关键词双通道Ｔ／Ｒ组件；多芯片组件；小型化；ＭＭＩＣ 中图分类号ＴＮ４０２ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１４）０４—０６６—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｘ－ｂａｎｄ Ｄｕａｌ－ｃｈａｎｎｅｌｓ Ｔ／Ｒ Ｍｏｄｕｌｅ ＬＩＡＯ Ｙｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｅｎｇｃｈｕｎ （Ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｄｕａｌ・ｃｈａｎｎｅｌｓ Ｔ／Ｒ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ＭＣＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ Ｔ／Ｒ ｍｏｄｕｌｅ ｅｘ— ｈｉｂｉｔｓ ｇｏｏｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｄｕａｌ—ｃｈａｎｎｅｌｓ Ｔ／Ｒ ｍｏｄｕｌｅ；ＭＣＭ；ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅ；ＭＭＩＣ Ｔ／Ｒ组件是有源相控阵雷达的关键组成部分，其 电性能、体积、重量与雷达的整体性能直接相关。随着 单片微波集成电路（ＭＭＩＣ）芯片和微组装技术的应用， 单元、逻辑控制电路和电源调制电路。Ｔ／Ｒ单元由数 控衰减器、数控移相器、开关、功率放大器、驱动放大 器、低噪声放大器、限幅器和隔离器环行器组件构 成 。双通道Ｔ／Ｒ组件原理框图如图１所示。 驱动 放大 功率 放大 微波组件的体积、重量、成本在不断减小，同时可靠性 和一致性均得到了较大程度的提高…。本文采用多芯 片组件（ＭＣＭ）技术进行Ｔ／Ｒ组件的小型化设计，将相 应的微波和控制芯片装配到高密度互联的多层ＰＣＢ基 片上，并封装到壳体中。这种方式在大幅提高了组件 的集成度的同时降低互连的寄生电感和电容，从而提 高了电路的性能和可靠性＿２ｊ。双通道组件设计可使结 构更加紧凑，且实现了部分器件的共用，降低了成本。 高集成度的双通道的Ｔ／Ｒ组件内部，汇集了功率 放大、低噪声放大、移相衰减控制、电源变换和调制等 功能电路，多种信号交叉传导，容易产生各种干扰和反 馈 ｊ，其信号的有效传输和电磁兼容成为设计的关键。 １ Ｔ，Ｒ组件电路设计 １．１ Ｔ，Ｒ的基本构成 双通道Ｔ／Ｒ组件包括一分二功分器 、两个Ｔ／Ｒ 收稿日期：２０１４．０１－２３ 作者简介：廖原（１９８１一），男，工程师。研究方向：收发组 件技术。Ｅ－ｍａｉｌ：２２２ｒｏｂｅｒｔ＠１６３．ｃｏｍ。王洁（１９８３一），女，工 程师。研究方向：收发组件技术。张娟（１９８４一），女，工程 图１ Ｔ／Ｒ组件原理框图 师。研究方向：固态发射机技术。张生春（１９８４一），男，工 程师。研究方向：收发组件技术。 ６６ Ｔ／Ｒ单元利用其公共通道的数控移相器和数控衰 减器对射频信号进行幅度和相位的加权，并通过收发 ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋ￣ｊｉ．０ｒｑ 廖原，等：小型化ｘ波段双通道Ｔ／Ｒ组件的设计与实现 转换开关实现雷达发射状态与接收状态之间的转换。 在发射状态下，进入Ｔ／Ｒ组件集合口的射频激励信 号，通过一分二功器等分给两个Ｔ／Ｒ单元，在发射支 路经驱动放大和功率放大后送至天线辐射单元。接收 状态下从天线接收的回波信号在接收支路完成的低噪 声放大，经幅度和相位的加权后，通过一分二功分器合 成输出。 １．２小型化设计 频率／（；ｔｌｚ 图３ 多层板土微带和普通微带驻波仿真 Ｔ／Ｒ组件采用ＭＭＩＣ芯片和ＭＣＭ工艺实现小型 化设计。ＭＭＩＣ是一种将有源和无源元器件制作在同 一１．４微波腔体设计 块半导体基片上的微波电路 ，因此具有比传统的 由于可靠性和密封性要求，Ｔ／Ｒ组件的微波电路 分离器件电路和混合集成电路（ＨＭＩＣ）更小的体积。 Ｔ／Ｒ组件的数控衰减器、数控移相器、开关、功率放大 器、驱动放大器、低噪声放大器、限幅器均为ＭＭＩＣ芯 片形式，电源变换和控制器件也选用对应的裸芯片，尽 量减少器件占，｝＿｝ｊ的空间。 采用ＭＣＭ工艺将ＭＭＩＣ 片和相关的电源及控 封装于壳体中，微波信号在腔体巾的辐射和传播会引 起反馈、增益波纹和降低隔离度等问题。需合理设计 腔体的尺寸使其腔体的谐振点远离工作频率，保证Ｔ／ Ｒ组件稳定工作 。 组件的内腔结构一般近似矩形，可以采用式（１） 估算其谐振波长＿９ Ｊ。式中，ａ、ｂ、Ｌ代表矩形腔体的宽、 高、长，ｍ、ｎ、Ｐ均为整数，每组ｍ、ｎ、Ｐ值表示一个振荡 模式。由公式可知腔体的尺寸减小时其谐振频率会相 制芯片焊接或粘接到多层基板上，通过金丝引线键合 连接： 片压点与外部电路，再由多层基板的高密度布 线解决多种信号的交叉传输，以实现高集成度的Ｔ／Ｒ 组件。 １．３微波传输线设计 应提高。谐振模式中频率最低的为ＴＥ 模，设计中需 尽量减小腔体尺寸，并将最低谐振频率提高到工作频 带之外 Ａ＝ ＝＿二二三 ，） 二二 （１） 由于组件紧凑的结构内包括了两路Ｔ／Ｒ通道和 电源控制电路，有微波和大量的控制与电源信号交叉 传导，只能通过多层布线解决。同时微波信号由于对 损耗和电介质的稳定性有较高要求 Ｊ，因此需选用微 √（詈）＋（詈）＋（ ） 运用Ａｎｓｏｆｔ ＨＦＳＳ的本征模式可方便地计算复杂 波介质板材。本 Ｆ／Ｒ组件采用多层板和微波板结合 的设计方式解决以上问题。在多层板上大面积焊接微 波板，通过多层板上的高密度金属化孑Ｌ实现微波接地。 孔的密度越高高频接地效果越好，而多层板上的通孔 密度过高会提高加＿Ｔ难度和降低板材机械强度，必须 腔体的谐振频率。综合考虑电路形式和组件布局，设 置中间隔墙并改变其形状和尺寸。同时通过仿真优 化，提高腔体的谐振频率。最终得到的组件腔体模型 如图４所示，其中小箭头代表最低谐振场模式的电场 矢量分布。 进行优化设计。运用Ａｎｓｏｆｔ ＨＦＳＳ三维电磁仿真软件 进行仿真优化设计得到符合工程要求的通孑Ｌ结构，为 孔间距０．９ ｍｍ交错排列的孑Ｌ阵，建模如图２所示。优 化后多层板上微带和普通微带的驻波仿真结果如图３ 所示，经比较通孔接地结构对指标会有一定的影响，但 在ｘ波段的工作带宽内可满足工程需要。 图４ Ｔ／Ｒ组件腔体建模 计算其在最接近工作频带的５个谐振点，结果如 图５所示，可发现在工作频带内无谐振点，故符合设计 要求。 １．５电磁兼容设计 在Ｔ／Ｒ组件狭窄的空间内串扰等电磁兼容问题 图２多层板上的微带建模 变得突出。解决途径：芯片与互连电源线要加旁路电 容，来减少耦合与消除振荡。芯片合理布局，敏感器件 ＷＷＷ．ｄｉｄＩｌｚｉｋｅｉｉ．ｏｒｏ—— ６７ 廖原，等：小型化Ｘ波段双通道Ｔ／Ｒ组件的设计与实现 Ｓｏｌｖｅｄ Ｍｏｄｅｓ ０ Ｍｏｄｅ １ Ｍｏｄｅ ２ Ｍｏｄｅ ３ Ｍｏｄｅ ４ １１ｌ１０８４＋｛Ｏ．０００８２７ｏ２２ ６７１５．８９ ｊ １１：５３２３ ｎ０００８６０２３４ ８７Ｑ２．９Ｓ １１．５８８５ ０．０００８５８２鹦６７５１．１毒 图６ Ｔ／Ｒ组件的实物图 １２．３０１９ ０ ０００９１３７５６ ６７３１．５３ Ｍｏｄｅ ５ １２．４３２３＋｜ｏ．０００９６６４５７ ６４３１．８９ ３结束语 本文显示了基于多芯片组件（ＭＣＭ）技术的双通 图５ Ｔ／Ｒ组件腔体谐振点 道Ｔ／Ｒ组件，其可显著的减小体积、减轻重量、同时降 远离干扰源，尽量缩短布线长度 “ 。多层板设计中采 低成本。虽紧凑的结构增加了电路布局和电磁兼容设 计的难度，但可通过合理的设计途径解决工程中的难 点，实现良好的电气性能。同时，运用微波仿真软件的 建模和优化可有效加速组件的设计过程。 参考文献 ［１］ 张光义，赵玉洁．相控阵雷达技术［Ｍ］．北京：电子工业出 版社，２００６． 用地层将信号层和电源层隔离，并采用镀金包边防止 电源调制巾产生的高频信号泄漏串入射频通路。 Ｔ／Ｒ组件的发射放大链有３７ ｄＢ增益，接收放大 链有３８ ｄＢ增益，在小体积内容易产生自激，解决途径 为：（１）保证射频电路内部的匹配，在微带板上进行标 记和对］ 艺进行控制，使微带和芯片边缘的距离＜ ０．１ ｍｒｎ。用２根以上金丝传输射频信号，同时保证金 丝压接的长度、弧度和间距，可实现较好的匹配和减少 ［２］牛立杰．基于ＭＣＭ技术的相控阵雷达Ｔ／Ｒ组件［Ｄ］．成 都：电子科技大学，２００４． 空间辐射。（２）经仿真软件ＨＦＳＳ优化，设计合理腔体 尺寸的内盖板腔体高度，用隔墙分割腔体尺寸和 隔离两个Ｔ／Ｒ单元，狭窄的腔体在工作频率形成截止 模减少空间的辐射反馈，保证Ｔ／Ｒ单元稳定工作。 ［３］ 汪邦金，胡善祥．一体化高功率微波组件内部的电磁兼容 分析［Ｊ］．雷达科学与技术，２００７（５）：３９０—３９３ ［４］ＤＡＶＩＤ Ｍ ＰＯＺＡｒ．微波 程［Ｍ］．３版．张肇仪，译．北京： 电子Ｔ业出版社，２ｏ０５． ［５］ 王周海，李雁，王小路，等．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 ２ 工程实现 按照以上设计方法最终研制出的Ｔ／Ｒ组件的实 物照片如冈６所示。组件的体积为７６ ｍｍ ｘ ３４ ｍｍ× ９ ｍｍ，重量为８０克，具有体积小、重量轻的特点。经 测试其主要指标为ｘ波段１０％带宽的工作频率内：单 （５）：３０１—３０５． ［６］ 唐松．基于０．１５ｕｒｎ ｐＨＥＭＴ的超宽带ＭＭＩＣ中等功率放 大器研究［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１０． ［７］ 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，１９７８． ［８］ 廖原，冯恩信．小型化高增益微波发射组件电磁兼容设计 ［Ｊ］．火控雷达技术，２０１ｌ（２）：５７—６０． ［９］傅君眉，冯恩信．高等电磁理论［Ｍ］．西安：西安交通大学 出版社，２０００． 通道输出功率≥８ Ｗ（脉冲调制工作），噪声系数≤ ４ ｄＢ，输入输出驻波比≤ｌ＿５。组件测试过程中，输出 ［１０］路宏敏，余志勇，李万玉．工程电磁兼容［Ｍ］．西安：西安 电子科技大学出版社，２０１０． 信号稳定，无自激和腔体效应。 ＋一— “‘ ＋一—十 ＋”＋”＋一＋”＋“＋一＋－－＋”＋”＋一＋一＋“＋“＋“＋一＋一＋“＋”＋－＋一＋”＋”＋一＋一＋”＋“＋一＋－＋”＋”＋一＋ ＋ｎ＋”＋“＋一＋一＋一＋＊＋一＋”＋”—— 一‘－ ・ （上接第６５页） ４结束语 设计的便携式逻辑分析仪成本低廉，可以实现１６ 通道的数据采样，触发设置。可以实现３通道９０ ＭＨｚ 业出版社，２００９． 李英伟．ＵＳＢ２．０原理与工程开发［Ｍ］．北京：国防工业出 版社，２００７． 何宾．Ｘｉｌｉｎｘ可编程逻辑器件设计技术详解［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２０１０． 最高采样率，６通道５０ ＭＨｚ最高采样率，９通道３０ ＭＨｚ最高采样率以及１６通道１２ ＭＨｚ最高采样率。 软件操作界面简单易懂，容易上手使用，可以满足一般 谭浩强．ｃ程序设计．［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． 阿克塞森．ＵＳＢ开发大全．［Ｍ］．４版．北京：人民邮电出 版社，２０１１． 的科研和教学的要求。 参考文献 ［１］郭天祥．新概念５１单片机Ｃ语言教程［Ｍ］．北京：电子工 何宾．Ｘｉｌｉｎｘ ＦＰＧＡ设计权威指南［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２０１２． 代耀东，苏彦辰．基于ＦＰＧＡ的高速数据采集系统设计 ［Ｊ］．四川兵工学报，２０１２（６）：８９—９１． ｗｗ ｗ．ｄｉｅｔｎｚｉｋｔ￣ｊｉ．０ｒｇ
