一种有源相控阵雷达收发组件及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源相控阵雷达收发组件及其制作方法。该组件包括四路收发电路单元、一路多功能复用电路单元。每路收发电路单元包括环行隔离器、限幅器、低噪声放大器、驱动放大器和功率放大器。多功能复用电路单元包括一个1﹕4带状线功分/合成网络、四个幅相多功能电路、四个波控电路和四个电源调制电路。每路收发电路单元的接收信号由天线输入，经过环行隔离器、限幅器、低噪声放大器、幅相多功能电路，最后由1﹕4带状线功分/合成网络将四个通道的接收信号合成输出；而发射信号由组件公共端输入，经1﹕4带状线功分/合成网络、幅相多功能电路、驱动放大器、功率放大器、环行隔离器输出。本发明还公开该组件的设计、制作方法。
【专利说明】
一种有源相控阵雷达收发组件及其制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种雷达收发组件，尤其涉及一种有源相控阵雷达收发组件及其制作方法。
【背景技术】
[0002]新一代有源相控阵雷达系统为提高测量精度需要高频宽带工作;为增大威力需要发射输出大功率;为抑制栅瓣、防止出现测角多值歧义，要求通道单元间距小于工作频率的半波长尺寸;为适合机载、星载等平台使用，要求有源阵面高集成、低剖面和轻重量。有源阵面是有源相控阵雷达系统的核心，收发组件是有源阵面的指标和成本关键，这就相应的要求新一代收发组件要突破高频工作、宽频带、大功率和高集成的技术难点。
[0003]传统的多联收发组件采用“砖块式”结构，主要存在如下不足:(I)大多工作在X波段及其以下，X波段以上及其毫米波段成功应用很少；(2)大多属于窄带系统，绝对带宽4GHz还存在很多技术难点；(3)通道级联数不够多，每个通道独立集成，使得单元间距和组件尺寸大、高剖面；(4)散热设计不全面，使得输出功率受限；因此，传统的收发组件形式已经不能满足这些场合下雷达载荷的应用需求。
【发明内容】
[0004]本发明旨在根本解决上述问题，提供一种有源相控阵雷达收发组件及其制作方法，本发明的有源相控阵雷达收发组件为一种Ku波段宽频带大功率高集成度有源相控阵雷达收发组件，可有效解决Ku波段有源相控阵雷达有源阵面宽频带(14_18Ghz)、大功率(>8W)、高集成(阵元间距《半波长、四联集成、片式化(组件厚度< 7mm))的技术难点，解决了现有技术在机载、星载等应用场合存在频带、功率、体积、馈电等方面的不满足使用需求的问题。
[0005]本发明的解决方案是:一种有源相控阵雷达收发组件，其是一个四通道收发组件，且包括:四路收发电路单元、一路多功能复用电路单元;每路收发电路单元包括:环行隔离器、限幅器、低噪声放大器、驱动放大器和功率放大器;多功能复用电路单元包括:一个1:4带状线功分/合成网络、四个幅相多功能电路、四个波控电路、四个电源调制电路；四个幅相多功能电路、四个波控电路、四个电源调制电路均与四路收发电路单元相对应;其中:
[0006]每路收发电路单元的接收信号由天线输入，经过相应环行隔离器用以增加收发通道隔离，再经过相应限幅器用以防止接收通道烧毁，接着经过相应低噪声放大器用以保证较低的噪声系数并放大，然后经过相应幅相多功能电路用以实现接收支路幅度和相位控制，最后由1:4带状线功分/合成网络将四个通道的接收信号合成输出；限幅器、低噪声放大器构成接收通道的主体框架；
[0007]每路收发电路单元的发射信号由组件公共端输入，经1:4带状线功分/合成网络供给四个幅相多功能电路用以实现发射支路幅度和相位控制，接着依次经驱动放大器、功率放大器、环行隔离器输出;放大器、功率放大器构成发射通道的主体框架。
[0008]作为上述方案的进一步改进，每路电路单元具有发射态、接收态、匹配负载态的三态任意可选，且接收和发射的幅度和相位均能独立控制。
[0009]作为上述方案的进一步改进，限幅器、低噪声放大器装载在接收钼铜载体上，驱动放大器、功率放大器装载在发射钼铜载体上。
[0010]进一步地，1:4带状线功分/合成网络、四个幅相多功能电路、四个波控电路、四个电源调制电路均设计和装载在一个LTCC多层整板中。
[0011]作为上述方案的进一步改进，环行隔离器与限幅器、环行隔离器与功率放大器之间的互连方式分别采用金丝键合和金带键合。
[0012]作为上述方案的进一步改进，幅相多功能电路包括单刀三掷开关、数控衰减器、数控移相器和补偿放大器;根据相应波控电路提供的开关控制信号，依次经过数控衰减器、数控移相器后，经由单刀三掷开关切换选择导通发射通道、或接收通道、或一个匹配负载。
[0013]作为上述方案的进一步改进，该组件对外射频接口包括:天线端4路盲插式SMP射频同轴连接器、公共端I路SSMA射频同轴连接器。
[0014]作为上述方案的进一步改进，该组件内部的四个通道之间采用与该组件的壳体一体化加工的金属隔筋分开。
[0015]作为上述方案的进一步改进，1:4带状线功分/合成网络采用内埋带状线传输；LTCC多层整板作为基板共开腔六处，其中四处为幅相多功能电路粘结处，一处为输入接口微带线-带状线平层过渡，一处为输出接口带状线-微带线平层过渡。
[0016]本发明还提供上述任意有源相控阵雷达收发组件的制作方法，其包括以下步骤:
[0017]步骤一、基板制作:采用低温共烧陶瓷技术制作一块LTCC多层整板，基板层数为17层；
[0018]步骤二、基板装载:采用金锡共晶焊方式将LTCC多层整板焊在一个一体化的壳体上；
[0019]步骤三、器件装载:将限幅器、低噪声放大器采用金锡共晶焊方式焊接在接收钼铜载体上，将驱动放大器、功率放大器采用金锡共晶焊方式焊接在发射钼铜载体上，幅相多功能电路、波控电路、电源调制电路均采用导电胶粘在LTCC多层整板上，各电路中的储能电容采用铅锡焊方式焊在LTCC多层整板上，然后利用金丝压焊及球焊完成芯片与芯片间、芯片与基板间的互连；
[0020]步骤四、载体装载:将接收钼铜载体、发射钼铜载体、环行隔离器直接装焊在壳体上，然后利用金丝/金带完成芯片与芯片间、芯片与基板间的互连；
[0021]步骤五、气密封焊:该有源相控阵雷达收发组件的低频接口和壳体之间采用一体化烧结，该组件的射频连接器与壳体之间采用高频感应焊方式密封，然后壳体和该组件的盖板之间采用平行封焊密封。
[0022]本发明提供的有源相控阵雷达收发组件为Ku波段宽频带大功率高集成有源相控阵雷达收发组件，通过采用LTCC多层整板空间复用技术、宽带匹配电路优化设计技术、高效散热设计技术、内埋带状线宽带功分/合成网络技术、宽带微带线-带状线平层阶梯渐变过渡技术、输出接口盲配设计和多芯片组件组装技术，实现了收发组件的高频宽带、大功率、小体积、片式化;通过收发通道模块化设计和工艺技术、可制造性设计技术、电源调制电路设计技术、降额设计技术、射频接口感应焊技术、壳体低频连接器一体化焊接技术和多芯片组件自动组装技术，实现了收发组件的高气密、高成品和高可靠。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例的有源相控阵雷达收发组件的电路连接示意图；
[0024]图2为图1中幅相多功能电路的连接不意图；
[0025]图3为本发明实施例的有源相控阵雷达收发组件的外部结构示意图；
[0026]图4为本发明实施例的有源相控阵雷达收发组件的电路布局示意图；
[0027]图5为本发明实施例的有源相控阵雷达收发组件的多功能复合电路单元用LTCC基板开腔结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]本发明的有源相控阵雷达收发组件为一种Ku波段宽频带大功率高集成有源相控阵雷达收发组件装置。本发明实施例利用LTCC多层整板空间复用技术、内埋带状线功分/合成网络技术、宽带微带线-带状线平层阶梯渐变过渡技术、宽带匹配电路优化设计技术、高效散热设计技术、输出接口盲配设计和多芯片组件组装技术，实现了收发组件的高频宽带、大功率、小体积和片式化。因而本发明所提供的有源相控阵雷达收发组件具有宽频带、大功率、高集成、高可靠的特质。
[0030]图1为Ku波段收发组件即有源相控阵雷达收发组件的电路连接示意图。该组件是个四通道收发组件，共有四路收发电路单元和一路多功能复用电路单元。每路收发电路单元包括环行隔离器1(即图1中的环行器)、限幅器2、低噪声放大器3、驱动放大器5和功率放大器6。一路复合多功能电路单元用一个LTCC多层整板涵盖了一个1:4带状线功分/合成网络7(即图1中的1:4功分/合路器)、四个幅相多功能电路4(即图1中的多功能幅相控制)、四个波控电路8和四个电源调制电路9(即图1中的电源调制)。
[0031]每路收发电路单元的接收信号由天线输入，经过组件的环行隔离器1(用以增加收发通道隔离)、限幅器2(用以防止接收通道烧毁)、低噪声放大器3(用以保证较低的噪声系数)、幅相多功能电路4(用以实现接收支路幅度和相位控制)，最后由1:4带状线功分/合成网络7将四个通道的接收信号合成输出。其中，限幅器2耐受脉冲功率高达15W，可以有效保证接收低噪声放大器3的安全。低噪声放大器3采用0.25um GaAs PHEMT工艺和低噪声设计技术，线性增益高，噪声系数小，可以有效实现整个组件的低噪声系数。限幅器2、低噪声放大器3构成接收通道的主体框架。
[0032]每路收发电路单元的发射信号由组件公共端输入，经1:4带状线功分/合成网络供给四个通道:幅相多功能电路4(用以实现发射支路幅度和相位控制)、驱动放大器5、固定衰减器21(如图4)、功率放大器6、环行隔离器I输出。功率放大器全带宽内输出功率2 10W，组件全带宽内输出功率2 8W。在两级放大器之间增加IdB的固定衰减器21，以改善级联驻波、增加空间隔离进而防止低温下可能的自激振荡。驱动放大器5、功率放大器6构成发射通道的主体框架。
[0033]波控电路8将串行输入的数据转换为并行的输出信号，用来控制收发通道的幅度、相位控制和开关切换等，并保证发射和接收分时工作。波控电路8包含的功能有串转并控制、逻辑保护、欠压保护、负压保护和故障反馈等。波控电路8的输入信号主要有SDl(第I通道串行数据)、SD2(第2通道串行数据)、SD3(第3通道串行数据)、SD4(第4通道串行数据)、SC(串行时钟)、END(串行数据结束)、SYN(系统同步)、TR-T(发射同步脉冲)、TR-R(接收同步脉冲)、SD-0(故障输出)、Clear(系统复位)；其中串并转换可实现32位串转并输出，输出电平+5V/0V，并行输出包含6位移相控制、6位衰减控制和2位开关控制。
[0034]电源调制电路9主要包括高速开关驱动器、大电流电源调制器、可编程负电源调制器、以及滤波电容和储能电容，为各有源器件提供足够的驱动电流并实现组件的工作时序控制。
[0035]图2为幅相多功能电路4的电路连接示意图，幅相多功能电路4主要包括单刀三掷开关11、6位数控衰减器13、6位数控移相器12和补偿放大器11。根据波控电路8提供的开关控制信号，切换选择导通发射通道，或接收通道，或匹配负载，从而使收发通道可以共用一套数控衰减器和移相器，提高了组件的集成度，降低了成本。
[0036]图3为收发组件整体结构示意图，该组件对外射频接口包括:天线端4路盲插式SMP射频同轴连接器14、公共端I路SSMA射频同轴连接器19。该组件还有低频接口 17，低频接口17 为 25 芯绝缘子。25 芯绝缘子包括 13 根数据线(Clear、SDl、SD2、SD3、SD4、SC、END、SYN、TR-R、TR-T、AGND(模拟地)、DGND(数字地)、SD-0)，12根电源线，对外只需一个J71-25ZK型微矩形电连接器即可完成控制信号和供电输入。因此，信号与电源接口可集成为:与J71-25ZK小型矩形电连接器配做的5 X 5的25芯绝缘子。
[0037]组件内部四个通道之间采用与壳体18—体化加工的金属隔筋分开，以提高通道之间的隔离度和避免腔体效应。每个通道内限幅器2和低噪声放大器3直接钼铜载体安装(图4所示)、驱动放大器和功率放大器直接钼铜载体安装(图4所示)，四路的幅相多功能电路、波控电路和电源调制电路等装载在I个17层LTCC多层整板16上。同时，设置单层陶瓷基板电路15用于收发电路单元的馈电。
[0038]图5为17层LTCC多层整板16的电路开腔示意图。1:4功分/合成网络、信号传输(电路接口处除外)均采用内埋带状线20传输。LTCC基板共开腔6处，其中4处为幅相多功能电路粘结处即LTCC基板中幅相多功能芯片开腔位置23，1处为输入接口微带线-带状线平层过渡即LTCC基板靠近射频信号输入端即公共端开腔位置24，1处为输出接口带状线-微带线平层过渡即LTCC基板射频信号输出端开腔位置22。
[0039]本发明实施例的Ku波段宽频带大功率高集成有源相控阵雷达收发组件装置的制作流程如下步骤。
[0040]基板制作。采用低温共烧陶瓷技术制作一块LTCC多层整板16，基板尺寸为48.6mmX40.3mmX 1.7mm，基板层数为17层。
[0041]基板装载:采用金锡共晶焊方式将LTCC多层整板16焊在一体化的壳体18上。
[0042]器件装载。将限幅器2、低噪声放大器3采用金锡共晶焊方式焊接在接收钼铜载体上，将驱动放大器5、功率放大器6采用金锡共晶焊方式焊接在发射钼铜载体上，电源芯片、控制芯片、幅相多功能芯片、滤波电容、电阻均采用导电胶粘在LTCC多层整板上，储能电容采用铅锡焊方式焊在LTCC多层整板16上，然后利用金丝压焊及球焊完成芯片与芯片间、芯片与基板间的互连。
[0043]环行隔离器I与接收电路单元的限幅器2、发射电路单元的功率放大器5之间由传统的引脚锡焊互连方式分别改进为金丝键合和金带键合，消除了锡焊焊接质量不可控性和批量不一致性对射频前端关键电性能指标的影响。
[0044]载体装载:将接收钼铜载体、发射钼铜载体、环行隔离器1、收发电路供电单元板直接装焊在壳体18上，然后利用金丝/金带键合完成芯片与芯片间、芯片与基板间的互连。
[0045]气密封焊。低频接口和壳体18之间采用一体化烧结，射频连接器(即天线端4路盲插式SMP射频同轴连接器14和公共端SSMP射频同轴连接器19)与壳体18之间采用高频感应焊方式密封，在上述基础上，壳体18和盖板之间采用平行封焊密封，实现低频垂直连接的同时，确保了组件的高气密指标。
[0046]本发明实施例提供了一种Ku波段宽频带大功率高集成有源相控阵雷达收发组件装置，至少能够带来以下有益效果。
[0047]1、本发明综合运用LTCC多层整板空间复用技术、宽带匹配电路优化设计技术、内埋带状线功分/合成网络技术、宽带微带线-带状线平层阶梯渐变过渡技术、输出接口盲配设计和多芯片组件组装技术，实现了收发组件的高频宽频带工作、单元间距小于中心频率的半波长和多通道良好电磁兼容性。因而本发明所提供的收发组件具有宽频带、大功率、高集成、小体积的特质。
[0048]2、采用收发单元直接载体焊设计技术，极大改善了射频接地和散热性能；采用高效发射匹配技术、级联驻波优化技术，空间隔离技术，降额设计技术，逻辑保护、负压保护、欠压保护、脉冲电源调制技术，壳体密封焊接技术，极大提高了组件工作的稳定性和高可靠性，因而本发明所提供的收发组件具有大功率、高效率、高可靠的特质。
[0049]3、采用收发通道模块化设计和工艺技术、LTCC多层整板空间复用技术、二维多芯片自动组装技术、生产过程可追溯控制技术，提高了组件的可制造性、成品率，因而本发明所提供的收发组件具有低成本、高成品率的特质。
[0050]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:其是一个四通道收发组件，且包括四路收发电路单元、一路多功能复用电路单元;每路收发电路单元包括环行隔离器(I)、限幅器(2)、低噪声放大器(3)、驱动放大器(5)和功率放大器(6);多功能复用电路单元包括一个1:4带状线功分/合成网络(7)、四个幅相多功能电路(4)、四个波控电路(8)、四个电源调制电路(9);四个幅相多功能电路(4)、四个波控电路(8)、四个电源调制电路(9)均与四路收发电路单元相对应;其中: 每路收发电路单元的接收信号由天线输入，经过相应环行隔离器(I)用以增加收发通道隔离，再经过相应限幅器(2)用以防止接收通道烧毁，接着经过相应低噪声放大器(3)用以保证较低的噪声系数并放大，然后经过相应幅相多功能电路(4)用以实现接收支路幅度和相位控制，最后由1:4带状线功分/合成网络(7)将四个通道的接收信号合成输出；限幅器(2)、低噪声放大器(3)构成接收通道的主体框架； 每路收发电路单元的发射信号由组件公共端输入，经1:4带状线功分/合成网络(7)供给四个幅相多功能电路(4)用以实现发射支路幅度和相位控制，接着依次经驱动放大器(5)、功率放大器(6)、环行隔离器(I)输出；驱动放大器(5)、功率放大器(6)构成发射通道的主体框架。2.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:每路电路单元具有发射态、接收态、匹配负载态的三态任意可选，且接收和发射的幅度和相位均能独立控制。3.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:限幅器(2)、低噪声放大器(3)装载在接收钼铜载体上，驱动放大器(5 )、功率放大器(6)装载在发射钼铜载体上。4.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:I: 4带状线功分/合成网络(7)、四个幅相多功能电路(4)、四个波控电路(8)、四个电源调制电路(9)均设计和装载在一个LTCC多层整板中。5.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:环行隔离器(I)与限幅器(2)、环行隔离器(I)与功率放大器(6)之间的互连方式分别采用金丝键合和金带键合。6.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:幅相多功能电路(4)包括单刀三掷开关(11)、数控衰减器(13)、数控移相器(12)和补偿放大器(10);根据相应波控电路(8)提供的开关控制信号，依次经过数控衰减器(13)、数控移相器(12)后，经由单刀三掷开关(11)切换选择导通发射通道、或接收通道、或一个匹配负载。7.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:该组件对外射频接口包括:天线端4路盲插式SMP射频同轴连接器(14)、公共端I路SSMA射频同轴连接器(19)。8.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:该组件内部的四个通道之间采用与该组件的壳体(18) —体化加工的金属隔筋分开。9.如权利要求1所述的有源相控阵雷达收发组件，其特征在于:I: 4带状线功分/合成网络(7)采用内埋带状线传输;LTCC多层整板作为基板共开腔六处，其中四处为幅相多功能电路(4)粘结处，一处为输入接口微带线-带状线平层过渡，一处为输出接口带状线-微带线平层过渡。10.—种如权利要求1至9中任意一项所述的有源相控阵雷达收发组件的制作方法，其特征在于:其包括以下步骤: 步骤一、基板制作:采用低温共烧陶瓷技术制作一块LTCC多层整板，基板层数为17层； 步骤二、基板装载:采用金锡共晶焊方式将LTCC多层整板焊在一个一体化的壳体上；步骤三、器件装载:将限幅器、低噪声放大器采用金锡共晶焊方式焊接在接收钼铜载体上，将驱动放大器、功率放大器采用金锡共晶焊方式焊接在发射钼铜载体上，幅相多功能电路、波控电路、电源调制电路均采用导电胶粘在LTCC多层整板上，各电路中的储能电容采用铅锡焊方式焊在LTCC多层整板上，然后利用金丝压焊及球焊完成芯片与芯片间、芯片与基板间的互连； 步骤四、载体装载:将接收钼铜载体、发射钼铜载体、环行隔离器直接装焊在壳体上，然后利用金丝/金带完成芯片与芯片间、芯片与基板间的互连； 步骤五、气密封焊:该有源相控阵雷达收发组件的低频接口和壳体之间采用一体化烧结，该组件的射频连接器与壳体之间采用高频感应焊方式密封，然后壳体和该组件的盖板之间采用平行封焊密封。
【文档编号】G01S7/28GK105866747SQ201610315852
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】桂勇锋, 金来福, 丁德志, 解启林, 霍绍新, 吕春明, 李佩
【申请人】中国电子科技集团公司第三十八研究所