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摘要：针对相控阵雷达小型化的需求，对瓦片式组件垂直互联等关键技术展开研究，设计了一种X波段大功率瓦片式T/R组件，利用三维微组装技术完成了组件的装配。测试结果与设计指标一致，组件接收NF≤3.5dB，G≥32dB，发射输出功率Psat≥43dBm。尺寸≤14mm×25mm×5.5mm，较传统T/R组件在体积上具有突破性优势，可以大大减小雷达尺寸，能够更好的满足共形相控阵雷达的需求。
关健词：小型化;瓦片式T/R组件;大功率;共形
1、引言
T/R组件是有源相控阵（AESA）雷达的最关键的基本单元，在整个雷达系统中，每个天线单元都有一个T/R通道与之对应，通常一部雷达系统中包含了数千乃至上万个T/R通道，因此整个雷达系统的体积和重量取决于单个T/R组件的体积和重量。现代机载和舰载的军事雷达系统对体积和重量有着极其严苛的要求，因此实现T/R组件的小型化和轻量化有着极其重要的现实意义。
美国国防先进研究计划局（DARPA）计划研制下一代有源相控阵收发组件，根据计划披露的梗概可知下一代收发组件必定是瓦片式。借助三维堆叠技术将多块芯片集成于一个系统内，利用垂直传输结构为堆叠芯片提供电路连接，由于采用了垂直方向上的电路连接，与传统“砖块式”组件相比极大的缩减了组件尺寸与重量。
本文介绍了一款X波段瓦片式T/R组件，采用三维传输、多层布线以及高密度集成技术，在有限空间内实现了6位数控移相。衰减、收发信号的放大等功能，并对组件进行了气密封装设计，保证了组件长期工作的可靠性。
2、电路设计
所谓瓦片式组件就是采用三维堆叠技术将平面微波芯片或电路采用堆叠的方式实现信号在Z轴方向上的垂直传输。相比于二维“砖块式”组件，瓦片式组件具有集成度高，体积小，厚度薄重量轻易于共形等优点。
T/R组件的组合方式有多种，可以根据系统的具体要求进行灵活调整，但其基本结构大致相同，主要包含功分网络，数字移相器，数字衰减器，数控开关，驱动放大器，功率放大器，低噪声放大器，限幅器、数字逻辑控制电路、脉冲调制电源、天线与无源元件组成。如下图1所示。
这种结构主要特性包括一个公用的微波控制支路结构，通过这种结构，同样的微波控制部分（数字移相器，数字衰减器）被用在发射和接收两种工作模式中，从而实现波束对发射/接收信号进行幅度和相位的控制。通过一个数控T/R开关，实现对收/发的控制，这些部分（移相器，衰减器，T/R开关）的命令控制信号都通过一个数字控制电路产生。功分网络用于实现微波信号等功率分配及合成，采用多通道集成方式，提高集成度。
發射部分主要由驱动功率放大器和高功率放大器组成，高功率放大器用于发射末级，它主要将已调制的射频信号放大到所需要的功率值，送到天线发射，高功率放大器最重要的指标是输出功率与功率附加效率，它决定了组件的输出功率和组件的效率。驱动功率放大器要求具有高的增益，适当的输出电平，它把输入的低电平信号放大，推动高功率放大器的输出功率达到饱和，以达到最大输出功率。
接收部分主要由限幅器和低噪声放大器组成，由于发射时天线可能会引起较高的反射，大功率信号可能会泄露进接收通道，低噪声放大器是一种高敏感线性器件，因此，在这种情况下，我们采用限幅器保护低噪放，防止低噪声放大器损坏。低噪声放大器是T/R组件中重要的电路之一。低噪声放大器主要实现微波接收信号的放大，首先它位于接收最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益。其次，它所接收的信号很微弱，所以，低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器，由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强大干扰信号的混入，因此要求放大器有足够的线性范围。
3、结构设计
瓦片式组件的电路原理与砖块式组件原理基本一致，其核心在于如何在不到传统组件的1/5的空间内实现完整的收发功能。
本文设计的瓦片式T/R组件采用如下电路叠层结构实现，整个组件电路按照信号传输路径分为3层，最上层为公共支路信号层，主要进行射频信号的幅相控制以及收发信号的驱动放大;中间层为电源调制与逻辑控制电路，主要功能为产生收发链路所需的各种电源调制信号及逻辑控制信号，通过垂直过渡结构将信号传至上、下层，为各射频芯片提供合理直流偏置和控制信号;最底下层为收发支路放大层，主要实现接收信号的低噪声放大以及发射信号的放大，主要有低噪声放大器，高功率放大器以及收发开关组成。
4、关键技术及难点实现
4.1 三维垂直互联技术
由于该瓦片式组件采用多层电路结构进行设计，其核心问题就是实现基板间的信号垂直互联传输，因此，如何实现垂直互联的小型化、高性能以及高可靠性是研制瓦片式T/R组件的关键。
本文设计的瓦片式组件采用毛纽扣实现无焊接垂直互联结构。毛钮扣弹性连接器由休斯公司及公司开发，其结构为由一定弹性的镀金钨丝缠绕而成，将其装入支撑隔板中，与上下层的基板压紧固定，可实现其余基板的紧密连接，其接触电阻仅为1mΩ，这种毛纽扣连接器不仅是优良的微波连接器，通过增加其直径，也可以用作耐大电流的的直流低频连接器，因此采用毛纽扣互联结构可以很好的实现多层基板间的无焊接垂直互联，且毛纽扣具有拆装灵活，可替换性强等特点，更方便了组件的拆装与调试。
通常毛纽扣垂直互联方式主要有两种：一是将毛纽扣作为中心导体的同轴方式;二是GSG（Ground-Signal-Ground）的三线连接方式，其中间的毛纽扣用于传输微波信号，两边的毛纽扣为微波地，可用于连接相邻微波多芯片模块上的共面传输线。
同轴连接方式可以利用同轴传输线的特性阻抗公式来计算毛纽扣的直径d和介质支撑环的直径D，即可实现50Ω的特性阻抗。 本文设计的毛纽扣作为多层基板间垂直互联过渡结构仿真结果如下图所示，采用0.5mm的毛纽扣，1.5mm直径的介质套筒作为支撑结构。从下图3-44仿真结果可以看出，毛纽扣连接器作为板间垂直互联在所需工作频带内回波损耗优于-15dB，插损小于1dB。
4.2 MCM多芯片三維微组装技术
由于瓦片式T/R组件功能复杂，内部包含的芯片种类和数量繁多，在极小的体积内实现射频信号的收发控制等，需要借助先进的微组装技术，将元器件通过合理的结构布局，形成三维立体结构，来减小模块的尺寸。
本文设计的瓦片式T/R组件功能复杂，既有射频微波电路，有包含低频电源调制及逻辑控制电路;相应的装配工艺复杂，设计的多层电路基板同时包含了射频和低频走线，既要考虑加工时的线条精度，同时还要考虑各种信号间的屏蔽与完整性设计。在微组装方面，优先采用成熟的装配工艺，并严格按照标准要求进行操作，通过合理的安排工艺温度梯度，避免工艺过程中出现二次熔融问题，同时采用先进的视觉识别系统辅助多层基板堆叠时进行定位控制，装配的准确性。
5、测试结果
通过以上的设计分析及关键技术研究，本文成功研制了X波段大功率瓦片式T/R组件，实物图下图所示。组件尺寸14mm×25mm×5.5mm。
组件工作在频率为8-11.5GHz，发射输出信号功率≥43dBm，接收增益>33dB，增益波动<1dB，噪声系数<3.5dB，组件包含6位数控移相，步进5.625°，移相精度（RMS）<3°。
6、结论
本文介绍了一种瓦片式T/R组件的实现方法，组件实测性能优越，较“砖块式”T/R组件，在结构尺寸和质量上约为1/5，大大减小了雷达尺寸，使高性能共形有源相控阵成为可能，顺应了军事电子产品具有高性能、小型化、轻重量等特点的应用需求，具有较高的指导意义，将有力地促进我国微波集成电路技术的发展。
参考文献：
[1] Schuh，P.，Rieger，R.，Fleckenstein，T/R-module technologies today and possible evolutions[C].Radar Conference - Surveillance for a Safer World，2009：1-5;
[2] A.M Abbosh，Ultra wideband vertical microstrip to microstrip transition [J]，IET microwave and antenna propagation 2007，1，（5），968- 972;
[3] 徐利，王子良，基于毛纽扣的LTCC微波模块垂直互连技术.固体电子学研究与进展[J]，2013（6），538-541;
[4] 周骏，沈亚，顾江川.新型三维立体集成接收模块设计与实现，固体电子学研究与进展[J]，2016（1）;
（作者单位：南京电子器件研究所）
关健词：小型化;瓦片式T/R组件;大功率;共形
1、引言
T/R组件是有源相控阵（AESA）雷达的最关键的基本单元，在整个雷达系统中，每个天线单元都有一个T/R通道与之对应，通常一部雷达系统中包含了数千乃至上万个T/R通道，因此整个雷达系统的体积和重量取决于单个T/R组件的体积和重量。现代机载和舰载的军事雷达系统对体积和重量有着极其严苛的要求，因此实现T/R组件的小型化和轻量化有着极其重要的现实意义。
美国国防先进研究计划局（DARPA）计划研制下一代有源相控阵收发组件，根据计划披露的梗概可知下一代收发组件必定是瓦片式。借助三维堆叠技术将多块芯片集成于一个系统内，利用垂直传输结构为堆叠芯片提供电路连接，由于采用了垂直方向上的电路连接，与传统“砖块式”组件相比极大的缩减了组件尺寸与重量。
本文介绍了一款X波段瓦片式T/R组件，采用三维传输、多层布线以及高密度集成技术，在有限空间内实现了6位数控移相。衰减、收发信号的放大等功能，并对组件进行了气密封装设计，保证了组件长期工作的可靠性。
2、电路设计
所谓瓦片式组件就是采用三维堆叠技术将平面微波芯片或电路采用堆叠的方式实现信号在Z轴方向上的垂直传输。相比于二维“砖块式”组件，瓦片式组件具有集成度高，体积小，厚度薄重量轻易于共形等优点。
T/R组件的组合方式有多种，可以根据系统的具体要求进行灵活调整，但其基本结构大致相同，主要包含功分网络，数字移相器，数字衰减器，数控开关，驱动放大器，功率放大器，低噪声放大器，限幅器、数字逻辑控制电路、脉冲调制电源、天线与无源元件组成。如下图1所示。
这种结构主要特性包括一个公用的微波控制支路结构，通过这种结构，同样的微波控制部分（数字移相器，数字衰减器）被用在发射和接收两种工作模式中，从而实现波束对发射/接收信号进行幅度和相位的控制。通过一个数控T/R开关，实现对收/发的控制，这些部分（移相器，衰减器，T/R开关）的命令控制信号都通过一个数字控制电路产生。功分网络用于实现微波信号等功率分配及合成，采用多通道集成方式，提高集成度。
發射部分主要由驱动功率放大器和高功率放大器组成，高功率放大器用于发射末级，它主要将已调制的射频信号放大到所需要的功率值，送到天线发射，高功率放大器最重要的指标是输出功率与功率附加效率，它决定了组件的输出功率和组件的效率。驱动功率放大器要求具有高的增益，适当的输出电平，它把输入的低电平信号放大，推动高功率放大器的输出功率达到饱和，以达到最大输出功率。
接收部分主要由限幅器和低噪声放大器组成，由于发射时天线可能会引起较高的反射，大功率信号可能会泄露进接收通道，低噪声放大器是一种高敏感线性器件，因此，在这种情况下，我们采用限幅器保护低噪放，防止低噪声放大器损坏。低噪声放大器是T/R组件中重要的电路之一。低噪声放大器主要实现微波接收信号的放大，首先它位于接收最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益。其次，它所接收的信号很微弱，所以，低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器，由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强大干扰信号的混入，因此要求放大器有足够的线性范围。
3、结构设计
瓦片式组件的电路原理与砖块式组件原理基本一致，其核心在于如何在不到传统组件的1/5的空间内实现完整的收发功能。
本文设计的瓦片式T/R组件采用如下电路叠层结构实现，整个组件电路按照信号传输路径分为3层，最上层为公共支路信号层，主要进行射频信号的幅相控制以及收发信号的驱动放大;中间层为电源调制与逻辑控制电路，主要功能为产生收发链路所需的各种电源调制信号及逻辑控制信号，通过垂直过渡结构将信号传至上、下层，为各射频芯片提供合理直流偏置和控制信号;最底下层为收发支路放大层，主要实现接收信号的低噪声放大以及发射信号的放大，主要有低噪声放大器，高功率放大器以及收发开关组成。
4、关键技术及难点实现
4.1 三维垂直互联技术
由于该瓦片式组件采用多层电路结构进行设计，其核心问题就是实现基板间的信号垂直互联传输，因此，如何实现垂直互联的小型化、高性能以及高可靠性是研制瓦片式T/R组件的关键。
本文设计的瓦片式组件采用毛纽扣实现无焊接垂直互联结构。毛钮扣弹性连接器由休斯公司及公司开发，其结构为由一定弹性的镀金钨丝缠绕而成，将其装入支撑隔板中，与上下层的基板压紧固定，可实现其余基板的紧密连接，其接触电阻仅为1mΩ，这种毛纽扣连接器不仅是优良的微波连接器，通过增加其直径，也可以用作耐大电流的的直流低频连接器，因此采用毛纽扣互联结构可以很好的实现多层基板间的无焊接垂直互联，且毛纽扣具有拆装灵活，可替换性强等特点，更方便了组件的拆装与调试。
通常毛纽扣垂直互联方式主要有两种：一是将毛纽扣作为中心导体的同轴方式;二是GSG（Ground-Signal-Ground）的三线连接方式，其中间的毛纽扣用于传输微波信号，两边的毛纽扣为微波地，可用于连接相邻微波多芯片模块上的共面传输线。
同轴连接方式可以利用同轴传输线的特性阻抗公式来计算毛纽扣的直径d和介质支撑环的直径D，即可实现50Ω的特性阻抗。 本文设计的毛纽扣作为多层基板间垂直互联过渡结构仿真结果如下图所示，采用0.5mm的毛纽扣，1.5mm直径的介质套筒作为支撑结构。从下图3-44仿真结果可以看出，毛纽扣连接器作为板间垂直互联在所需工作频带内回波损耗优于-15dB，插损小于1dB。
4.2 MCM多芯片三維微组装技术
由于瓦片式T/R组件功能复杂，内部包含的芯片种类和数量繁多，在极小的体积内实现射频信号的收发控制等，需要借助先进的微组装技术，将元器件通过合理的结构布局，形成三维立体结构，来减小模块的尺寸。
本文设计的瓦片式T/R组件功能复杂，既有射频微波电路，有包含低频电源调制及逻辑控制电路;相应的装配工艺复杂，设计的多层电路基板同时包含了射频和低频走线，既要考虑加工时的线条精度，同时还要考虑各种信号间的屏蔽与完整性设计。在微组装方面，优先采用成熟的装配工艺，并严格按照标准要求进行操作，通过合理的安排工艺温度梯度，避免工艺过程中出现二次熔融问题，同时采用先进的视觉识别系统辅助多层基板堆叠时进行定位控制，装配的准确性。
5、测试结果
通过以上的设计分析及关键技术研究，本文成功研制了X波段大功率瓦片式T/R组件，实物图下图所示。组件尺寸14mm×25mm×5.5mm。
组件工作在频率为8-11.5GHz，发射输出信号功率≥43dBm，接收增益>33dB，增益波动<1dB，噪声系数<3.5dB，组件包含6位数控移相，步进5.625°，移相精度（RMS）<3°。
6、结论
本文介绍了一种瓦片式T/R组件的实现方法，组件实测性能优越，较“砖块式”T/R组件，在结构尺寸和质量上约为1/5，大大减小了雷达尺寸，使高性能共形有源相控阵成为可能，顺应了军事电子产品具有高性能、小型化、轻重量等特点的应用需求，具有较高的指导意义，将有力地促进我国微波集成电路技术的发展。
参考文献：
[1] Schuh，P.，Rieger，R.，Fleckenstein，T/R-module technologies today and possible evolutions[C].Radar Conference - Surveillance for a Safer World，2009：1-5;
[2] A.M Abbosh，Ultra wideband vertical microstrip to microstrip transition [J]，IET microwave and antenna propagation 2007，1，（5），968- 972;
[3] 徐利，王子良，基于毛纽扣的LTCC微波模块垂直互连技术.固体电子学研究与进展[J]，2013（6），538-541;
[4] 周骏，沈亚，顾江川.新型三维立体集成接收模块设计与实现，固体电子学研究与进展[J]，2016（1）;
（作者单位：南京电子器件研究所）