CN104833960A - 一种t/r器件 - Google Patents

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Abstract

针对传统的T/R组件体积过大、重量过重和成本过高的问题。本发明提供一种T/R器件，包含高效率高功率芯片和小信号多功能芯片；其中，高效率高功率芯片负责将发射信号进一步放大，达到输出功率要求；小信号多功能芯片负责完成移相和衰减的功能；所述高效率高功率芯片和小信号多功能芯片均贴装在陶瓷基板上，并采用QFN进行封装；即高效率高功率芯片和小信号多功能芯片处于同一水平面，由此2枚芯片共同实现雷达信号的接收和发射。有益的技术效果：在不影响性能的前提下，本发明将提供一种加工难度小、性能可靠、集成密度更高、体积和重量更小、相对成本更低的T/R器件。

Description

一种T/R器件
技术领域
本发明属于射频微波电路技术领域，尤其适用于有源相控阵雷达，具体涉及一种T/R器件。
背景技术
相控阵雷达因其具有天线波束窄、灵活性高和自适应性强等优点而得到广泛应用。随着现代电子技术的不断发展，有源相控阵雷达正朝着小型化、轻量化、高性能和低成本的方向发展，特别是机载、舰载和星载电子装备中，对体积、重量和可靠性的要求越来越苛刻。T/R组件是有源相控阵雷达核心部件。一个相控阵雷达包含了成千上万个T/R组件，因此减小T/R组件的体积和重量是实现雷达小型化和轻量化的有效方法之一。
实现T/R组件小型化的有效方法是提高电路集成度和减小封装壳体的尺寸。传统的T/R组件是由多个表贴于基板上的微波单片集成电路（MMIC）组成，此时的T/R组件可看作是一种具有收发功能的多个微波芯片模块。这种结构的T/R组件体积较大，集成度较低。目前T/R组件发展方向是尽可能地将更多的电路模块集成到一个MMIC芯片内。国外已经有部分单片T/R组件的相关报道，这种方式的不足是MMIC芯片只能采用同一种工艺实现。由于不能够吸收不同工艺的优点，最终导致T/R组件性能无法达到最优，或者导致设计和制造成本增大。
另一方面也有人仍然采用多个MMIC芯片构成T/R组件，但这些MMIC芯片采用3D封装的方式，虽然3D封装能够有效地提高集成度，即用芯片垂直方向高度的增大来换取芯片面积的减小，但是3D封装需要较为复杂的工艺步骤，生产工艺成本较高，其工艺的稳定性和成熟度方面还有待提高。无论采用哪种方式，T/R组件的集成和封装方面的技术一直是有源相控阵设计的重点和难点。
发明内容
本发明的目的是解决传统的T/R组件体积过大、重量过重和成本过高的问题。在性能不受影响的前提下，本发明将提供一种难度小、性能可靠、集成密度更高、体积和重量更小、相对成本更低的T/R器件。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种T/R器件，包含两个芯片，依次记为高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200；其中，高效率高功率芯片100负责将发射信号进一步放大，达到输出功率要求；小信号多功能芯片200负责完成移相和衰减的功能；所述高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200均贴装在陶瓷基板上，并采用方形扁平无引脚封装（Quad Flat No-lead package, QFN）进行封装；即高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200处于同一水平面，由此2枚芯片共同实现雷达信号的接收和发射。
进一步说，高效率高功率芯片100为采用GaN工艺制备的芯片；小信号多功能芯片200为采用SiGe工艺制备的芯片。
进一步说，还设有高效率高功率芯片端封装引脚501和小信号多功能芯片端封装引脚502；通过金丝400分别实现高效率高功率芯片端封装引脚501与高效率高功率芯片100之间、高效率高功率芯片100与小信号多功能芯片200之间、小信号多功能芯片200与小信号多功能芯片端封装引脚502之间的连接。
有益的技术效果
本发明将传统的多个MMIC芯片进行分类集成，成功地将芯片面缩小至原有尺寸的四分之一以下，达到提高集成密度、减小芯片面积和简化片外元件的目的，从而实现T/R组件的微型化和轻量化。
为了满足高集成度、高性能和低成本的要求，同时根据电路面积、工艺选择进行折衷后，本发明将多个MMIC芯片合并为两个芯片：高效率高功率芯片和小信号多功能芯片。
第一个芯片是高效率高功率芯片，集成了高功率放大器、低噪声放大器和高性能收发切换开关。主要目的是在发射通道最后一级将信号放大到足够的功率，以及在接收通道的第一级将小信号低噪声放大。高效率高功率芯片采用GaN工艺实现。
第二个芯片是小信号多功能芯片，集成了数控移相器、数控衰减器、电源调制器、驱动放大器和波控驱动器。小信号多功能芯片可以采用成本较低的SiGe工艺或者硅基CMOS工艺。
本发明的另一特点是将双芯片采用了通用的QFN封装，作为一个T/R器件，然后将其以表面贴装工艺组装在陶瓷基板上。这种封装形式简单，且不需要特殊的封装工艺，其具有较强的可靠性和可重复性，以及易装配等优点。
本发明的T/R器件所具备的另一个重要特点是低成本。低成本体现在两个地方：第一本发明的T/R器件采用了商用的QFN封装；第二其中的小信号多功能芯片采用了成本较低的SiGe工艺或者硅基CMOS工艺。
本发明能够简化陶瓷基板的设计，可以进一步降低T/R组件的重量和体积。本发明能够有效地实现天线阵面的微型化和轻量化。
附图说明
图1为本发明所述双芯片T/R器件的物理剖面示意图。
图2为图1中高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200的电路结构图。
具体实施方式
参见图1，一种T/R器件：包含两个芯片，依次记为高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200；其中，高效率高功率芯片100负责对发射信号进行放大；小信号多功能芯片200负责对接受的信号进行移相和衰减；所述高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200均贴装在陶瓷基板上，并采用QFN进行封装；即高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200处于同一水平面，由此2枚芯片共同实现雷达信号的接收和发射。
进一步说，高效率高功率芯片100为采用GaN工艺制备的芯片；小信号多功能芯片200为采用SiGe工艺制备的芯片。
参见图1，进一步说，还设有高效率高功率芯片端封装引脚501和小信号多功能芯片端封装引脚502；通过金丝400分别实现高效率高功率芯片端封装引脚501与高效率高功率芯片100之间、高效率高功率芯片100与小信号多功能芯片200之间、小信号多功能芯片200与小信号多功能芯片端封装引脚502之间的连接。
参见图2，高效率高功率芯片100包含低噪声放大器103、高功率放大器104和第一收发开关105；其中，高功率放大器104的输出端与第一收发开关105的第1引脚相连；第一收发开关105的第2引脚与低噪声放大器103的输入端相连；第一收发开关105的第3引脚为本T/R器件的天线端口；
参见图2，小信号多功能芯片200包含波控模块210、第一电源调制模块209、第二电源调制模块212、第一驱动放大器201、第二驱动放大器202、第三驱动放大器205、第四驱动放大器208、数控衰减器207、数控移向器206、第二收发开关203、第三收发开关211、第四收发开关204；其中，波控模块210的输出端分别与数控移向器206的控制端、数控衰减器207的控制端相连接；第一驱动放大器201的输入端与第二收发开关203的第2引脚相连接；第二驱动放大器202的输出端与第三收发开关211的第3引脚相连接；在第三收发开关211的第1引脚与第二收发开关203的第3引脚之间依次串联有数控衰减器207、第三驱动放大器205、数控移向器206和第四驱动放大器208；第四收发开关204的第3引脚与第三收发开关211的第2引脚相连接，第四收发开关204的第2引脚与第二收发开关203的第1引脚相连接，第四收发开关204的第1引脚为本T/R器件馈电网络端口；
参见图2，在高效率高功率芯片100与小信号多功能芯片200之间：第一电源调制模块209的输出端与高功率放大器104的控制端相连，第一驱动放大器201的输出端与高功率放大器104的输入端相连接；第二电源调制模块212的输出端与低噪声放大器103的控制端相连，低噪声放大器103的输出端与第二驱动放大器202的输入端相连接；
当T/R器件处于接收状态时：第一收发开关105的第3引脚与第2引脚相连，第三收发开关211的第3引脚与第1引脚相连，第二收发开关203的第3引脚与第1引脚相连，第四收发开关204的第2引脚与第1引脚相连；信号由低噪声放大器，依次经过驱动放大器202、数控衰减器207、驱动放大器205、数控移相器206和驱动放大器208；
当T/R器件处于发射状态时：输入信号从第四收发开关204开始，第四收发开关204的第1引脚与第3引脚相连，第三收发开关211的第2引脚与第1引脚相连，第二收发开关203的第3引脚与第2引脚相连，第一收发开关105的第1引脚与第3引脚相连；信号由数控衰减器207，依次经过驱动放大器205、数控移相器206和驱动放大器208、驱动放大器201、高功率放大器104。
进一步说，高功率放大器104负责将发射信号进一步放大，达到输出功率要求；波控模块210负责将串行输入控制信号转换为并行控制信号，同时完成过压和欠压保护功能；第一电源调制模块209负责给高功率放大器提供电源；第二电源调制模块212负责给低噪声放大器提供电源；数控衰减器207的衰减位数为6位；数控移向器206的移相位数为6位。
进一步说，所述低噪声放大器103、高功率放大器104、第一收发开关105、波控模块210、第一电源调制模块209、第二电源调制模块212、第一驱动放大器201、第二驱动放大器202、第三驱动放大器205、第四驱动放大器208、数控衰减器207、数控移向器206、第二收发开关203、第三收发开关211和第四收发开关204均采用QFN方式贴装在陶瓷基板上；即上述模块均处于同一水平面，共同实现雷达信号的接收和发射。
参见图1，需要强调的是，本发明中的高效率高功率芯片100和小信号多功能芯片200之间采用平铺的方式布局，而没有采用目前通用的、结构复杂的三维叠层放置方法。此外，在本发明中，将小信号多功能芯片100和高效率高功率芯片200尽量靠近地平铺放置，以减小面积，采用打金丝4的方式实现双芯片之间的信号互联。将双芯片加入通用的QFN封装，采用打金丝的方式实现芯片与QFN封装管脚之间的互连，最终作为一个T/R器件。将经过封装后的T/R器件以表面贴装工艺组装在陶瓷基板上，并在陶瓷基板周围焊接其它所需要的无源元器件（例如电阻、电容等），最后进行T/R组件的测试。

Claims (6)

1.一种T/R器件，其特征在于：包含两个芯片，依次记为高效率高功率芯片（100）和小信号多功能芯片（200）；其中，高效率高功率芯片（100）负责对发射信号进行放大；小信号多功能芯片（200）负责对接受的信号进行移相和衰减；所述高效率高功率芯片（100）和小信号多功能芯片（200）均贴装在陶瓷基板上，并采用QFN进行封装；即高效率高功率芯片（100）和小信号多功能芯片（200）处于同一水平面，由此2枚芯片共同实现雷达信号的接收和发射。
2.根据权利要求1所述的一种T/R器件，其特征在于：高效率高功率芯片（100）为采用GaN工艺制备的芯片；小信号多功能芯片（200）为采用SiGe工艺制备的芯片。
3.根据权利要求2所述的一种T/R器件，其特征在于：还设有高效率高功率芯片端封装引脚（501）和小信号多功能芯片端封装引脚（502）；通过金丝（400）分别实现高效率高功率芯片端封装引脚（501）与高效率高功率芯片（100）之间、高效率高功率芯片（100）与小信号多功能芯片（200）之间、小信号多功能芯片（200）与小信号多功能芯片端封装引脚（502）之间的连接。
4.根据权利要求3所述的一种T/R器件，其特征在于：
高效率高功率芯片（100）包含低噪声放大器（103）、高功率放大器（104）和第一收发开关（105）；其中，高功率放大器（104）的输出端与第一收发开关（105）的第1引脚相连；第一收发开关（105）的第2引脚与低噪声放大器（103）的输入端相连；第一收发开关（105）的第3引脚为本T/R器件的天线端口；
小信号多功能芯片（200）包含波控模块（210）、第一电源调制模块（209）、第二电源调制模块（212）、第一驱动放大器（201）、第二驱动放大器（202）、第三驱动放大器（205）、第四驱动放大器（208）、数控衰减器（207）、数控移向器（206）、第二收发开关（203）、第三收发开关（211）、第四收发开关（204）；其中，波控模块（210）的输出端分别与数控移向器（206）的控制端、数控衰减器（207）的控制端相连接；第一驱动放大器（201）的输入端与第二收发开关（203）的第2引脚相连接；第二驱动放大器（202）的输出端与第三收发开关（211）的第3引脚相连接；在第三收发开关（211）的第1引脚与第二收发开关（203）的第3引脚之间依次串联有数控衰减器（207）、第三驱动放大器（205）、数控移向器（206）和第四驱动放大器（208）；第四收发开关（204）的第3引脚与第三收发开关（211）的第2引脚相连接，第四收发开关（204）的第2引脚与第二收发开关（203）的第1引脚相连接，第四收发开关（204）的第1引脚为本T/R器件馈电网络端口；
在高效率高功率芯片（100）与小信号多功能芯片（200）之间：第一电源调制模块（209）的输出端与高功率放大器（104）的控制端相连，第一驱动放大器（201）的输出端与高功率放大器（104）的输入端相连接；第二电源调制模块（212）的输出端与低噪声放大器（103）的控制端相连，低噪声放大器（103）的输出端与第二驱动放大器（202）的输入端相连接；
当T/R器件处于接收状态时：第一收发开关（105）的第3引脚与第2引脚相连，第三收发开关（211）的第3引脚与第1引脚相连，第二收发开关（203）的第3引脚与第1引脚相连，第四收发开关（204）的第2引脚与第1引脚相连；信号由低噪声放大器，依次经过驱动放大器（202）、数控衰减器（207）、驱动放大器（205）、数控移相器（206）和驱动放大器（208）；
当T/R器件处于发射状态时：输入信号从第四收发开关（204）开始，第四收发开关（204）的第1引脚与第3引脚相连，第三收发开关（211）的第2引脚与第1引脚相连，第二收发开关（203）的第3引脚与第2引脚相连，第一收发开关（105）的第1引脚与第3引脚相连；信号由数控衰减器（207），依次经过驱动放大器（205）、数控移相器（206）和驱动放大器（208）、驱动放大器（201）、高功率放大器（104）。
5.根据权利要求4所述的一种T/R器件，其特征在于：高功率放大器（104）负责将发射信号进一步放大，达到输出功率要求；波控模块（210）负责将串行输入控制信号转换为并行控制信号，同时完成过压和欠压保护功能；第一电源调制模块（209）负责给高功率放大器提供电源；第二电源调制模块（212）负责给低噪声放大器提供电源；数控衰减器（207）的衰减位数为6位；数控移向器（206）的移相位数为6位。
6.根据权利要求4所述的一种T/R器件，其特征在于：所述低噪声放大器（103）、高功率放大器（104）、第一收发开关（105）、波控模块（210）、第一电源调制模块（209）、第二电源调制模块（212）、第一驱动放大器（201）、第二驱动放大器（202）、第三驱动放大器（205）、第四驱动放大器（208）、数控衰减器（207）、数控移向器（206）、第二收发开关（203）、第三收发开关（211）和第四收发开关（204）均采用QFN方式贴装在陶瓷基板上；即上述模块均处于同一水平面，共同实现雷达信号的接收和发射。
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