T/R組件核心技術最新發展綜述(二)

吳禮群，孫再吉

(南京電子器件研究所，南京 210016)

2.4 新型集成技術

2.4.1 模塊級集成

新一代T/R組件無疑將采用三維集成技術來大幅度縮小T/R組件的體積。DARPA的“可重構收發器的可縮放毫米波結構(SMART)計劃”的目標就是提高毫米波孔徑的集成水平。

SMART計劃始于2006年，目的是開發三維集成輻射表皮的多層模塊。將在薄型結構上制造完整的T/R組件，到2010年4年期項目結束時，在厚度遠小于1 cm的表皮上獲得5 W/cm2的功率密度。該方法有助于快速開發出最小封裝內的多波段固態陣列。

按SMART計劃要求，一個疊層中可以同時安裝多個PA和LNA，各自有特定的頻率范圍。這些模塊應形成隨意大小的毫米波陣列，由批生產的模塊化子陣部件組成。這些高性能、低成本的部件通過PA陣列的高度集成，便于實現排列式發射機，以此獲得極高的輸出功率。此外，這種結構可實現可重構多波段AESA，使陣列實時應對復雜電子環境。

2.4.2 微波系統級封裝(SIP)技術

移動武器平臺(如:空天、星載、機載和地面移動武器)對相控陣雷達用T/R組件的要求比較苛刻:在有限的空間和尺度下，在保證可靠工作的前提下，實現最大發射功率輸出，以達到最大探測距離。這樣的要求在技術上轉化為T/R組件的進一步集成，在現在至未來較長一段時間內，在單一封裝內實現T/R的全部功能是達到這一要求的主要途徑。

SIP級T/R組件的核心內容是三維多芯片組裝(3D-MCM)。T/R組件從二維布局提升到三維堆疊，特別是在密集陣列應用要求下，需要重點解決的是高效散熱、三維電磁場模擬和仿真、高密度互連(HDI)、信號路由與竄擾和高成品率制造。

SIP級T/R組件的發展將會更多依賴于微電子工藝集成。圓片級封裝(WLP)是其中一種主要技術途徑。在圓片工藝下實現的無源片上集成(IPD)、高密度銅互連、(硅通孔)TSV和圓片(芯片)鍵合將進一步提升T/R組件的集成密度，直接的效果將是相控陣雷達的小型化。

T/R組件技術的長期發展將可能迎來以異構集成為主要內容的片上集成微系統，也就是片上平臺。

3 T/R組件現狀及發展趨勢

3.1 T/R組件的發展趨勢之一:基于圓片級封裝的T/R組件開始出現

在技術發展方面，具備快速波形轉換能力和高焦點增益的大型相控陣是未來通信和國防應用所偏重的。這類陣列可支持未來的空間和空中情報監控偵查平臺(ISR)，提供極高的空間分辨率以支持地面移動目標識別(GMTI)、空中移動目標識別(AMTI)及搜救任務(SAR)。另外，單元間距大于Nyquist限制的密集陣列，其天線掃描范圍將受到限制。對于寬帶孔徑來說，單元間距應小于半波長。由于信號頻率不斷增加，RF前端模塊的尺寸和天饋結構的尺寸通常較大，制約了大型相控陣小于半波長的單元間距的實現，圓片級組裝(WSA)的超緊湊超小T/R模塊是一種有效的解決方案。

諾·格公司的基于圓片級組裝的T/R模塊，如圖1所示。圖1(a)是一個Q波段發射器與天線集成的整體框架和內部示意圖。其中一層襯底(圓片1)使用GaAs HEMT技術制作，內含RF器件。另一層GaAs襯底(圓片2)上制造集成環形天線。RF、數字和接地信號由其中一層GaAs圓片通孔導入模塊。該模塊內含一個放大器，一個3-bit移相器及提供信號通道與接地的空腔內部互連(ICIC，intra cav-)。為實現Q波段模塊內超過30 dB的隔離，在空腔中加入了隔離接地柵條［13］。

3.2 T/R模塊的發展趨勢之二:下一代T/R組件應用的GaN器件技術發展呈加速態勢

相對于GaAs器件而言，GaN器件的卓越特性使之特別適合應用于未來的相控陣雷達。為此，各技術強國都在GaN器件技術上投入了可觀的力量。目前，GaN器件尚未進入相控陣雷達裝備應用的主要原因是技術尚未成熟，主要體現在器件的成本較高和器件的可靠性較低兩方面。

為解決這兩個問題，SiC基GaN圓片的大直徑化和器件工藝的成熟化是必經之路?，F在，基于多年的技術積累和多項工藝技術的成熟，SiC基GaN射頻器件進入4英寸圓片規模量產階段，其標志是4英寸工藝線代工服務(FOUNDRY)的開放。這個標志對下一代T/R組件中GaN器件的應用具有里程碑意義。FOUNDRY的開放可以加速推進GaN技術的成熟，一方面，更大直徑圓片工藝的規模效益可以使成本迅速下降，另一方面，FOUNDRY的開放可以通過更大批量的流片使器件工藝技術更為成熟，以此大幅度提高器件可靠性。目前4英寸GaN器件的技術特征概括如下［14］。

(1)材料技術

①4英寸4H－SiC高純半絕緣襯底材料，平均微管密度小于1 cm2，最低0.35 cm2;②MOCVD 外延爐內4英寸8片/批，薄層電阻平均偏差1.3%，圓片與圓片間偏差0.4%;③AlGaN厚度(基于1100片外延片測試)，圓片與圓片偏差1.8%(σ/均值)，片內偏差1.1%(σ/均值)。

(2)設計技術

①大信號模型、非線性模型完備;②工藝設計套件(PDK，process desing kits)完備;③雙場板結構，Г形柵和第一場板整合。

(3)工藝技術

①4 英寸0.4 μm I線步進光刻工藝(0.25 μm處發展中);②100 μm通孔工藝(源接觸和無源元件接地);③Г型柵結構;④MIM電容，擊穿電壓大于100 V;⑤雙層鈍化;⑥歐姆接觸電阻0.35 Ω·mm。

(4)典型器件性能

兩級 GaN MMIC，工作頻率 2.5 ～6.0 GHz，輸入和輸出50 Ω匹配，28 V電壓工作，小信號增益18 dB，射頻輸出功率25 W，效率30% ～50%。

3.3 T/R模塊的發展趨勢之三－塑料封裝T/R模塊支持的輕量化、低成本相控陣出現

GaAs射頻器件是目前相控陣雷達射頻前端的首選器件。由于民用和商業市場的大批量應用，加上軍用市場的需求促進，GaAs器件技術在今天已經非常成熟，無論是成本還是可靠性都已經達到其競爭器件難以超越的水平。但是，長久以來，在軍事應有方面，由于應用量相對于民用和商用非常小，再加上軍用要求特別，這樣，盡管民用或商用價格已經非常低，但軍用的GaAs器件價格還是高昂，對于像由幾千個T/R模塊組成的相控陣雷達，GaAs T/R組件的成本是影響相控陣雷達裝備應用的主要負擔。

除了低成本要求，相控陣雷達的空間應用和航空應用對T/R模塊提出苛刻的輕量化要求。

洛克希德·馬丁公司在其“瓦片”式陣列天線單元中開始使用塑料封裝的單片化T/R模塊，與此配套，在天線組裝工藝中使用軟基板貼片工藝生產陣列“瓦片”，“瓦片”式相控陣陣列單元剖面結構如圖2所示。T/R單片，如圖3所示。該單片集成了一個高功率T/R開關，一個功率放大器，一個帶有限幅器的低噪聲放大器，一個5位移相器和一個5位衰減器，另外，直流偏置電路和抗輻射加固控制接口電路也集成在內。為了降低成本和重量，該T/R芯片作了塑料封裝，如圖4所示，并以表面貼裝工藝組裝在柔性基板上［15］。

4 結語

簡述了有源相控陣雷達用T/R組件的研發現狀，重點探討了其核心技術——微波單片集成電路(MMIC)和微波多芯片組件(MMCM)的技術的進展;以及推動新一代T/R組件發展的各種創新性技術，并通過探討最新報道的T/R組件的一些創新成果，來分析T/R組件的技術發展走向;以此供業界人士參考，進一步推動我國T/R組件及有源相控陣領域快速發展。

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