CN115714608A - 一种多通道底馈式t/r组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道底馈式T/R组件，包括多个通道，所述通道两端分别连接公共端和天线；每个所述通道包括依次连接的：一多功能幅相控制芯片(103)、一GaN功放芯片(104)、一环隔器(107)、一限幅器芯片(105)、一低噪声放大器芯片(106)，其中，所述低噪声放大器芯片(106)与所述多功能幅相控制芯片(103)连接；该所述通道中还包括，电源模块，所述电源模块与所述多功能幅相控制芯片(103)连接、所述低噪声放大器芯片(106)和所述GaN功放芯片(104)连接；所述组件还包括一公共端，分别与各通道中的所述多功能幅相控制芯片(103)连接。

Description

一种多通道底馈式T/R组件

技术领域

本发明属于射频微波电路技术领域，涉及一种多通道底馈式T/R组件。

背景技术

多通道工作模式是目前研究最多的高分辨率宽测绘带工作模式。该模式通过空间上的增采样来降低对时间采样率的需求，有效缓解空间分辨率与测绘带宽度之间的矛盾。为了实现相控阵天线多通道工作模式的高分辨率成像，对T/R组件收发通道的带内幅相起伏和组件间的幅相一致性要求更加严苛，防止色散误差引起对地目标回波的幅相调制，引起主瓣展宽和旁瓣恶化、目标信噪比下降、分辨率展宽等，从而影响成像质量。

此外，为了满足卫星高技术、大容量需求，微波组件必须实行小型化研制。目前广泛应用的二维有源相控阵天线多采用砖块式结构T/R组件，仅采用XY轴平面传输，本组件从平面组装转化到立体堆叠，高密度布局，有效利用Z轴空间，并通过垂直互联实现无缆化的微波信号传输，节约体积和重量，减化系统结构繁冗度。

发明内容

为达到上述目的，本申请提出了多通道底馈式T/R组件，所述组件包括多个通道，所述通道两端分别连接公共端和天线；

每个所述通道包括依次连接的：一多功能幅相控制芯片(103)、一GaN功放芯片(104)、一环隔器(107)、一限幅器芯片(105)、一低噪声放大器芯片(106)，其中，所述低噪声放大器芯片(106)与所述多功能幅相控制芯片(103)连接；

该所述通道中还包括，电源模块，所述电源模块与所述多功能幅相控制芯片(103)连接、所述低噪声放大器芯片(106)和所述GaN功放芯片(104)连接；

所述组件还包括一公共端，分别与各通道中的所述多功能幅相控制芯片(103)连接。

在一个可能的实现方式中，所述公共端包括：

功分器芯片(102)，分别与每个通道中的所述多功能幅相控制芯片(103)连接；

输入SMP-毛纽扣(112)，与所述功分器芯片(102)连接；

以及一只J30JMI气密型低频连接器(114)；

其中，各通道收发控制独立，互不影响。

在一个可能的实现方式中，所述电源模块包括：

发射电源调制芯片(108)，分别与所述多功能幅相控制芯片(103)以及所述GaN功放芯片(104)连接；

PMOS芯片(109)，分别与所述GaN功放芯片(104)和所述发射电源调制芯片(108)连接；

接收电源调制芯片(110)，分别与所述多功能幅相控制芯片(103)以及所述低噪声放大器芯片(106)连接。

在一个可能的实现方式中，所述组件由LTCC多层电路基板(101)、盒体(115)、内盖板(118)、外盖板(119)、内置隔板(117)组成，包括微波电路、电源和控制电路。

在一个可能的实现方式中，所述LTCC多层电路基板结构包括15层，由上而下第一层PC1为功分器芯片、电源调制芯片、PMOS芯片、阻容等元器件放置层，表层尽量不进行任何微波信号和控制、电源信号走线，仅存在层间过渡PAD和焊接、金丝键合PAD,以保证传输信号的良好屏蔽性，防止信号串扰和空间耦合影响；第二层PC2为空白瓷片，以提供介质厚度；第三层PC3为带状线上层地；第四层PC4和第五层PC5为空白瓷片，为带状线介质层；第六层PC6为带状线层，用以微波信号的传输，以提高通道间收发链路的信号隔离度，此外多功能幅相控制芯片采用挖腔埋置于第六层，通过基板错层高度实现通道间高隔离度；第七层PC7和第八层PC8为空白瓷片，为带状线介质层；第九层PC9为带状线下层地；第十层PC10、第十一层PC11和第十二层PC12为控制电路布线层，第十三层PC13和第十四层PC14为电源布线层，第十五层PC15为模拟地层。

在一个可能的实现方式中，所述LTCC多层电路基板内部，微波信号采用带状线形式传输，微波信号在所述LTCC多层电路基板内部各层之间通过带状线-同轴转换结构实现垂层间垂直传输。

在一个可能的实现方式中，所述LTCC多层电路基板内部层间信号通过过孔连接，接地通孔仅包括顶层-底层(Via1-15)通孔、带状线层-底层(Via6-15)通孔及带状线下层地-底层(Via9-15)通孔三种，以避免多种层数通孔引起LTCC多层电路基板叠层后表面的不平坦性，影响芯片和其他器件贴装的良好接地性。

在一个可能的实现方式中，射频输入连接器SMP-毛纽扣从盒体底部穿墙，并与LTCC多层电路基板底层同轴PAD良好接触，通过弹性压接方式将盒体和LTCC多层电路基板连接，使微波输入信号从盒体底部馈入，实现免焊接去电缆的板级弹性垂直互联；射频输出连接器SMP从盒体底部穿墙，并通过与输出TMM6微带片穿孔焊接，使微波输入信号从盒体底部馈出。

在一个可能的实现方式中，收发支路间和通道间采用分腔设计，均设置隔墙，两级放大器之间放置金属隔板防止级间增益过大引起自激，金属隔板两端嵌于盒体内，并采用环氧粘接于LTCC多层电路基板上，与盒体内部隔墙、内盖板形成封闭腔体。由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：

1)本发明所述的一种基于LTCC技术的多通道底馈式T/R组件，该组件采用多功能幅相控制芯片和GaN高效率功率放大芯片，单通道发射效率可达40％以上；

2)本发明所述的一种基于LTCC技术的多通道底馈式T/R组件，该组件采用多功能幅相控制芯片，集成收发切换、移相、衰减控制和驱动放大功能；采用多功能电源控制芯片，集成GaN功放高压脉冲调制、精准栅压偏置、驱放低压脉冲调制功能；并利用LTCC多层电路基板特点进行埋阻和高密度布线设计，大幅减小了T/R组件重量尺寸，相较同频段同性能指标侧馈式T/R组件，尺寸缩小1//3,重量减少1/4，实现组件的高集成度和小型化设计；

3)本发明所述的一种基于LTCC技术的多通道底馈式T/R组件，多层LTCC介质基板具有良好的层压特性，保证了带状传输线的稳定性，层内通过带状线-同轴转换结构实现微波信号的垂直传输；

4)本发明所述的一种基于LTCC技术的多通道底馈式T/R组件，组件射频接口通过毛纽扣形式实现微波信号的底部馈入结构，实现组件微波信号的垂直传输，底馈式结构可实现与系统的无缆化垂直互联，大大简化了系统实现复杂度；

5)本发明所述的一种基于LTCC技术的多通道底馈式T/R组件，具有具有小型化、集成化、高效率、低功耗、带内起伏小、批量产品一致性和可靠性高等优点，具有一定的通用性，适用于各种环境相控阵雷达系统尤其是星载系统使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的多通道底馈式T/R组件的结构示意图；

图2为本发明图1具体实施例多通道底馈式双通道T/R组件的立体结构示意图；

图3为本发明图2的俯视图；

图4为本发明一示例性实施例中LTCC多层介质基板分层布局图；

图5为射频输入接口SMP-毛纽扣与基板垂直互联结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。

参阅图1至图5。本申请提供了一种多通道底馈式T/R组件，由LTCC多层电路基板101、盒体115、内盖板118、外盖板119、内置隔板117等组成，包括微波电路、电源和控制电路。

本实施例以双通道T/R组件为例进行详细说明。

具体的，如图1所示，本发明实施例双通道T/R组件中，两通道原理、构造相同，每个通道内设置一只多功能幅相控制芯片103、一只GaN功放芯片104、一只低噪声放大器芯片106和和一只限幅器芯片105，一只发射电源调制芯片108、一只接收电源调制芯片110、一只PMOS芯片109、一只环隔器107、一只输出SMP射频连接器113以及若干阻容元件和过渡微带片，公共端设置功分器芯片102、一只输入SMP-毛纽扣112以及一只J30JMI气密型低频连接器114；各通道收发控制独立，互不影响。

发射工作状态时，馈源送入的微波信号经公共输入接口SMP-毛纽扣112，再经功分器芯片102分别送入两通道发射支路，各自经过多功能幅相控制芯片103进行驱动放大，移相、衰减等处理，再送入GaN功放芯片104进行功率放大，最后通过环隔器107和输出SMP射频连接器113输出至天线，并经天线向外发射。

接收工作状态时，天线接收的微波信号通过SMP射频连接器113分别进入两个通道接收支路，送入各自环隔器107，并经限幅器芯片105保护，通过低噪声放大器芯片106进行增益放大，再经多功能幅相控制芯片103进行二次放大，移相、衰减等处理，两路接收信号通过功分器芯片102进行合成，最后经公共输入接口SMP-毛纽扣112将合成信号输出。

发射和接收分时工作，外部控制和电源信号通过J30JMI 114气密型低频连接器送入T/R组件，其中，每个通道中的多功能幅相控制芯片103通过对控制TTL信号进行串并转换处理，提供收发开关切换，6位移相和6位衰减控制；发射支路设置一只电源调制芯片109和PMOS芯片109，为GaN末级功放芯片104提供+24V漏压脉冲调制和-2.2V精密栅压偏置，以及为多功能幅相控制芯片103里的驱动放大器提供+5V脉冲调制，该功能电路具有负压掉电保护，防止由于正负加电顺序有误导致GaN功放芯片烧毁；接收支路设置亦一只电源调制芯片110，为低噪声放大器106和多功能幅相控制芯片103里的驱动放大器提供+5V调制电压；收发支路电源调制独立设计，可保证收发状态互不影响，提高T/R组件工作可靠性。

如图4所示，本发明具体实施例双通道T/R组件采用的LTCC多层电路基板结构包括15层，由上而下第一层PC1为功分器芯片、电源调制芯片、PMOS芯片、阻容等元器件放置层，表层尽量不进行任何微波信号和控制、电源信号走线，仅存在层间过渡PAD和焊接、金丝键合PAD,以保证传输信号的良好屏蔽性，防止信号串扰和空间耦合影响；第二层PC2为空白瓷片，以提供介质厚度；第三层PC3为带状线上层地；第四层PC4和第五层PC5为空白瓷片，为带状线介质层；第六层PC6为带状线层，用以微波信号的传输，以提高通道间收发链路的信号隔离度，此外多功能幅相控制芯片采用挖腔埋置于第六层，通过基板错层高度实现通道间高隔离度，通道间此处无需安装金属围框进行隔离；第七层PC7和第八层PC8为空白瓷片，为带状线介质层；第九层PC9为带状线下层地；第十层PC10、第十一层PC11和第十二层PC12为控制电路布线层，第十三层PC13和第十四层PC14为电源布线层，第十五层PC15为模拟地层。

LTCC多层电路基板内部层间信号通过过孔连接，接地通孔仅包括顶层-底层Via1-15通孔、带状线层-底层Via6-15通孔及带状线下层地-底层Via9-15通孔三种，以避免多种层数通孔引起LTCC多层电路基板叠层后表面的不平坦性，影响芯片和其他器件贴装的良好接地性。

结合图2和图3所示，图2为本发明具体实施例双通道T/R组件的立体图，图3为本发明图2的俯视图。其中，射频输入连接器SMP-毛纽扣112从盒体底部穿墙，并与LTCC多层电路基板底层同轴PAD良好接触，通过弹性压接方式将盒体和LTCC多层电路基板连接；输出SMP射频连接器113从盒体底部穿墙，并通过与输出TMM6微带片111穿孔焊接，以实现微波信号从盒体底部的馈入和馈出；低频连接器J30JMI 114安装于盒体侧壁中部。

图5为射频输入SMP-毛纽扣与LTCC基板垂直互联结构模型，在X频段8-12GHz内，插入损耗小于0.15dB，回波损耗小于-15dB，微波信号通过垂直传输良好。

LTCC多层电路基板底面为金锡焊接膜层，通过一体化石墨焊接工装将定制基板金锡焊片、连接器金锡焊料环将LTCC多层电路基板、底馈射频连接器SMP、SMP-毛纽扣、侧馈低频连接器J30JMI同步真空共晶焊于盒体上。

LTCC多层电路基板表层贴装分立阻容器件、电源调制芯片、PMOS芯片、功分器芯片等，多功能幅相控制芯片进行挖腔埋置于基板带状线层，芯片通过环氧胶粘接；GaN功放芯片和限幅器芯片通过金锡焊料高温共晶焊于铜钼铜载片116a上，再将载片与环隔器通过铅锡焊料低温共晶焊于与盒体一体化的凸台上；低噪声放大器芯片和过渡微带片环氧粘接于铜钼铜载片116b上；芯片和导带间互联均采用金丝键合，各互联PAD尽量设计为键合高度一致，保证微波信号的良好传输。

本实施例提供的T/R组件收发支路间和通道间采用分腔设计，均设置隔墙，发射支路宽度仅为7mm，接收支路宽度仅为4.75mm，远小于中心频率1/2波长15mm，避免引起腔体谐振；另外，两级放大器之间放置金属隔板117防止级间增益过大引起自激，隔板两端嵌于盒体内，并采用环氧粘接于LTCC多层电路基板上，与盒体内部隔墙、钛合金内盖板形成封闭腔体。

为了实现相控阵天线多通道工作模式的高分辨率成像，对T/R组件收发通道的带内幅相起伏和组件间的幅相一致性要求更加严苛。本发明的优先实施例双通道T/R组件从设计源头和装配工序采取多项措施保证组件良好的幅相一致性、带内平坦度等关键性能：1、对微波链路所用芯片增益曲线尽量选择反向斜率，以减小链路增益起伏；2、射频连接器与LTCC多层电路基板的垂直互联结构以及LTCC多层电路基板微波信号转换结构应保证良好驻波和低损耗特性；3、组件的关键装配工序如SMT贴片、环氧贴片、真空共晶焊接和金丝键合等尽量采用全自动化生产，保证批量化组件生产的装配一致性。

此外，本发明的优先实施例中的双通道T/R组件通过添加吸氢装置，避免组件由于氢毒效应引起芯片机能退化；所选用硅基芯片均采用抗辐加固设计，组件采用激光封焊，气密性可达5×10^-7Pa·m3/s，满足宇航使用环境要求；另外，本发明的优先实施例中的双通道T/R组件采用的所有元器件已实现全国产化设计，可实现短周期的批量化生产，满足军工项目使用需求。

本发明的优先实施例中的双通道T/R组件外形尺寸为51.8*30.5*10.5mm，重量仅为38g，可实现输出功率39.5dB以上且带内功率起伏小于0.5dB，发射效率38％以上；带内增益起伏小于0.8dB。相较同频段同性能指标侧馈式T/R组件，尺寸缩小1//3,重量减少1/4，底馈式结构可实现与系统的无缆化垂直互联，大大简化了系统实现复杂度。该组件已实现批产化研制，且经过宇航产品应力筛选和鉴定试验考核，性能稳定可靠，适用于各种环境相控阵雷达系统尤其是星载系统使用。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本申请的真正范围和精神由上述的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多通道底馈式T/R组件，其特征在于：所述组件包括多个通道，所述通道两端分别连接公共端和天线；

每个所述通道包括依次连接的：一多功能幅相控制芯片(103)、一GaN功放芯片(104)、一环隔器(107)、一限幅器芯片(105)、一低噪声放大器芯片(106)，其中，所述低噪声放大器芯片(106)与所述多功能幅相控制芯片(103)连接；

该所述通道中还包括，电源模块，所述电源模块与所述多功能幅相控制芯片(103)连接、所述低噪声放大器芯片(106)和所述GaN功放芯片(104)连接；

所述组件还包括一公共端，分别与各通道中的所述多功能幅相控制芯片(103)连接。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述公共端包括：

功分器芯片(102)，分别与每个通道中的所述多功能幅相控制芯片(103)连接；

输入SMP-毛纽扣(112)，与所述功分器芯片(102)连接；

以及一只J30JMI气密型低频连接器(114)；

其中，各通道收发控制独立，互不影响。

3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电源模块包括：

发射电源调制芯片(108)，分别与所述多功能幅相控制芯片(103)以及所述GaN功放芯片(104)连接；

PMOS芯片(109)，分别与所述GaN功放芯片(104)和所述发射电源调制芯片(108)连接；

接收电源调制芯片(110)，分别与所述多功能幅相控制芯片(103)以及所述低噪声放大器芯片(106)连接。

4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件由LTCC多层电路基板(101)、盒体(115)、内盖板(118)、外盖板(119)、内置隔板(117)组成，包括微波电路、电源和控制电路。

5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述LTCC多层电路基板结构包括15层，由上而下第一层PC1为功分器芯片、电源调制芯片、PMOS芯片、阻容等元器件放置层，表层尽量不进行任何微波信号和控制、电源信号走线，仅存在层间过渡PAD和焊接、金丝键合PAD,以保证传输信号的良好屏蔽性，防止信号串扰和空间耦合影响；第二层PC2为空白瓷片，以提供介质厚度；第三层PC3为带状线上层地；第四层PC4和第五层PC5为空白瓷片，为带状线介质层；第六层PC6为带状线层，用以微波信号的传输，以提高通道间收发链路的信号隔离度，此外多功能幅相控制芯片采用挖腔埋置于第六层，通过基板错层高度实现通道间高隔离度；第七层PC7和第八层PC8为空白瓷片，为带状线介质层；第九层PC9为带状线下层地；第十层PC10、第十一层PC11和第十二层PC12为控制电路布线层，第十三层PC13和第十四层PC14为电源布线层，第十五层PC15为模拟地层。

6.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述LTCC多层电路基板内部，微波信号采用带状线形式传输，微波信号在所述LTCC多层电路基板内部各层之间通过带状线-同轴转换结构实现垂层间垂直传输。

7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述LTCC多层电路基板内部层间信号通过过孔连接，接地通孔仅包括顶层-底层(Via1-15)通孔、带状线层-底层(Via6-15)通孔及带状线下层地-底层(Via9-15)通孔三种，以避免多种层数通孔引起LTCC多层电路基板叠层后表面的不平坦性，影响芯片和其他器件贴装的良好接地性。

8.根据权利要求2或6所述的组件，其特征在于，射频输入连接器SMP-毛纽扣从盒体底部穿墙，并与LTCC多层电路基板底层同轴PAD良好接触，通过弹性压接方式将盒体和LTCC多层电路基板连接，使微波输入信号从盒体底部馈入，实现免焊接去电缆的板级弹性垂直互联；射频输出连接器SMP从盒体底部穿墙，并通过与输出TMM6微带片穿孔焊接，使微波输入信号从盒体底部馈出。

9.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，收发支路间和通道间采用分腔设计，均设置隔墙，两级放大器之间放置金属隔板防止级间增益过大引起自激，金属隔板两端嵌于盒体内，并采用环氧粘接于LTCC多层电路基板上，与盒体内部隔墙、内盖板形成封闭腔体。

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