在现代战争中，雷达面临复杂多变的战场环境，威胁日益加剧，作为新体制的相控阵雷达得到越来越广泛的应用，其规模也在不断扩大^[1]。T/R组件作为相控阵雷达的核心元件^[2-4]，通常配备了几千到几万个组成阵列的射频收发前端。有源相控阵雷达除要求前端具备大功率、宽频带、高效率、低噪声、高增益的电性能指标外，还要求体积小，质量轻，价格低。

第三代半导体材料中的GaN材料具有禁带宽度大、击穿强度高、峰值电子漂移速度高、热传导率高等特点，以GaN材料制成的微波功率器件具有高功率密度、高增益、大带宽、高功率等特点，且GaN芯片阻抗较高，降低了电路匹配和合成的复杂性，可直接采用功率芯片合成实现高功率放大器，显著提高功率放大器的各项性能，并对雷达发射机及电子整机系统带来深远的影响^[1]。

微波组件微组装技术是实现雷达和通信等电子整机小型化、轻量化、高性能和高可靠的关键工艺技术，尤其是微波多芯片组件技术、三维立体组装技术和系统级微组装技术近年来发展迅速，应用广泛，在新一代信息化电子装备的研制生产中发挥了巨大作用。

1 组成与原理

射频前端组成和原理如图 1所示，主要由射频开关、高增益功率模块、高功率模块、限幅低噪放、调制和保护电路、滤波器组成。在发射周期内，激励信号经过单刀双掷开关切换到发射链路，由高增益驱动模块和大功率末级模块、两级功率放大器完成射频信号的放大。链路可实现大于45 dB的增益，将数字板的毫瓦级信号放大到200 W，通过环形器、滤波器送至天线单元。在接收周期内，回波信号经过环形器、滤波器，再进行限幅控制，通过限幅低噪放放大后，由开关输出，实现30 dB的增益和1.5 dB的噪声系数。为了实现小型化，通过微组装技术对二者进行合并。低频电路主要实现发射接收的分时控制、功率管的栅压产生和保护、漏压的调制、限放的供电与调制等功能。

1.1 高增益模块

与硅相比，GaN材料具有高击穿能力、高电子密度及速度、高功率密度、高工作温度的优势，以GaN MMIC功率放大芯片为基础的宽频带、大功率高效率功率器件也逐步向着高质量、低成本、易使用、轻量化、小型化方向发展。根据指标，本模块通过两级级联实现S波段32 dB的增益，40 dBm的饱和功率输出，原理如图 2所示，两级之间添加1.5 dB的衰减器，一定程度上增加模块的稳定性，降低模块整体增益，防止自激的产生。器件采用混合集成工艺，金属外壳气密封装引线材料为可伐，器件表面镀NiAu，Ni层厚度为1.3~8.9 μm，Au层厚度为1.3~5.7 μm，如图 3所示。

1.2 大功率功率管

末级功率管的设计是发射通道的重点，它的指标与可靠性关系到系统的成败。该模块的输出功率为240 W左右。运用传输线理论，用微波仿真软件，对4只GaN功率管芯进行阻抗匹配，同时进行功率合成，在大脉冲、大工作比的条件下，实现了在S波段输出功率大于220 W，功率附加效率大于50%的GaN功率放大器。功率管匹配原理图如图 4所示。通过负载牵引技术，测出单个功率管芯在最大效率下的输入输出阻抗(Z_in/Z_out)^[5]；输入端口通过匹配网络，将管芯输入阻抗匹配为实阻抗，便于功率管芯的输入功率分配；输出端口采用同样技术将阻抗匹配到实阻抗；威尔金森功分器将功率进行合成，同时将阻抗匹配到50 Ω。每个管芯已单独封装成60多瓦的单管，已经通过了工程验证，稳定可靠。电路的拓扑结构如图 4所示^[6]。

器件主要由GaN功率管芯、内匹配电路和外壳组成。采用金锡焊料工艺烧结管芯；电路间连接通过金丝键合实现。对于微组装芯片功率放大器，完成设计后，其工艺实现也是十分重要的一环。

首先是材料的选择，功率芯片材料为GaN，需要考虑与热沉材料的热匹配；同时电路基板材料、厚度等要满足电性能、结构、热匹配等要求。经过综合分析，热沉材料选择0.5 mm厚度的钼铜合金，电路基板材料选用厚度0.25 mm的氧化铝陶瓷片。其次是微组装工艺的保证，芯片、单层电容、陶瓷板、钼铜基板焊接装配、金丝键合工艺及其精确度需满足要求。最终研制成功的芯片功放电路实物如图 5，该部分外形尺寸为16 mm×16 mm。

1.3 限幅低噪放

根据射频前端接收通道的指标要求，利用混合集成工艺功率容量大的特点和GaN单片工艺集成电路体积小、一致性好的优点，设计制造了一款S波段大功率小型化平衡式限幅低噪声放大器^[7]。

限幅器需承受峰值功率350 W，脉宽5 ms，占空比30%的大功率脉冲信号。为了降低器件的指标压力，本限幅器采用平衡式电路拓扑结构，所以每一路需要承受175 W脉冲信号。限幅电路采用两级限幅结构，第一级采用耦合检波结构的有源限幅，使用了两颗Au层7 μm、具有大功率容量的PIN二级管管芯。同时在限幅器输入端级联一个耦合检波结构，将一部分信号耦合进检波器，检波得到的直流电流会使PIN二极管管芯导通更快。经过第一级限幅，大功率脉冲被消弱到10 W量级。第二级通过具有限幅特性的肖特基二极管来降低减小尖峰泄露功率，使限幅电平小于13 dBm。同时反向的肖特基二极管还会产生强烈的非线性，其中含有的直流分量会进一步加快第一级PIN二极管的导通。

限幅低噪放采用一体化设计，如原理图 6所示。低噪放采用两级高增益场效应管，通过合理的增益分配，在保证增益的条件下，调整匹配电路实现最小的噪声系数。两级都是通过自偏压提供管子的栅压，调制的漏压实现模块的分时控制。

模块中的元件采用氧化铝陶瓷基片、裸芯片、微波集成电路(MMIC)、单层电容、微波端子，通过低温共烧陶瓷(LTCC)工艺烧结、金丝键合后，经测试指标合格之后，如图 7所示。激光封盖，最后形成正式器件。

2 测试结果

本文关键器件取得突破的基础之上，对模块的散热和电磁兼容问题进行了合理布局，设计出了S波段大功率小型化射频前端如图 8所示。模块尺寸为150 mm×32 mm×12 mm，模块在占空比30%，脉宽5 ms的条件下对发射的发射功率、效率、接收的增益和噪声等主要指标进行测试；测试数据如图 9、10所示。从测试可以看出，该模块实现了在800 MHz的频带范围内，在30%占空比、5 ms脉宽的条件下，发射功率增益45 dB，输出功率大于200 W，效率为50%；接收通道增益30 dB，噪声系数小于1.5 dB。

3 结论

本文介绍了S波段的射频前端，并重点介绍了几种关键器件的小型化设计方法，符合了模块小型化、轻量化、低成本、高可靠性的发展趋势，满足雷达阵面系统对该型T/R组件的设计要求，具有很高的工程应用前景。