雷達射頻微波器件及電路 課件 第8章 微波集成電路

第8章微波集成電路8.1微波電路的發(fā)展歷程8.2微波集成電路的應用——T/R組件小結

8.1

微波電路的發(fā)展歷程

微波電路的發(fā)展歷程如圖

8-1

所示。圖

8-1

微波電路的發(fā)展歷程

1.

第一代微波電路——波導立體電路

它由波導傳輸線、波導元件、諧振腔和微波電子管組成。其優(yōu)點是品質(zhì)因數(shù)高、損耗低、機械結構牢固、功率容量高；缺點是體積大、笨重，加工工藝調(diào)試過程復雜，環(huán)境適應性差，相應成本高和難以集成。波導立體電路常用的傳輸線形式是矩形波導、圓波導。

2.

第二代微波電路———微波混合集成電路(HMIC)

隨著微波固態(tài)器件的發(fā)展及分布型傳輸線的出現(xiàn)，20

世紀

60

年代初出現(xiàn)了由微帶線、微帶元件或集總元件、微波固態(tài)器件組成的微波混合集成電路，它屬于第二代微波電路，簡稱為微波集成電路。

相比波導、同軸線等立體結構的傳輸線，微波混合集成傳輸線具有體積小、重量輕、易于批量生產(chǎn)、可靠性好、一致性與重復性好、成品率高和成本低等優(yōu)點，也是第三、四代微波電路和系統(tǒng)的基礎；其缺點是損耗較大、功率容量小，目前僅限于中、小功率應用。

3.

第三代微波電路——微波單片集成電路(MMIC)

20

世紀

70

年代后期出現(xiàn)了以微波單片集成電路和多芯片組件

技術為代表的第三代微波電路。

MCM

分為三類：疊層型多芯片組件、共燒陶瓷型多芯片組件、淀積薄膜型多芯片組件。圖

8-2

所示為MCM

的典型結構圖。

圖

8-2

MCM

的典型結構圖

圖

8-3

所示為

LTCC

多層基板的基本構造。圖

8-3

LTCC

多層基板的基本構造

多功能芯片，即在同一塊半導體基底上包含兩個或兩個以上不同功能電路的

MMIC

芯片，它是第三代微波電路向第四代微波電路發(fā)展的過渡階段。其優(yōu)勢有：成本和面積進一步減少；互連長度縮短，電路性能提高；片外互連減少，可靠性提高。

MEMS

既可以作為器件又可以作為一個封裝，在芯片多維架構中作為支撐和架構；可以實現(xiàn)微電子、光電子和

MEMS

器件芯片結構的異構集成化，顯著提高

SiP

性能，并提升裝配效率，提高其可靠性。MEMS

可有效地減小微系統(tǒng)的體積，提高器件的功能密度和性價比。

4.

第四代微波電路——片上系統(tǒng)(SoC)、系統(tǒng)級封裝(SiP)、封裝級系統(tǒng)(SoP)

21

世紀出現(xiàn)了以系統(tǒng)/整機為主的第四代微波電路，SoC、SiP、SoP

成為當前國內(nèi)外電子領域的研究熱點。以前，微系統(tǒng)封裝起兩個作用：一是提供集成電路或晶圓級封裝與

I/O的連接；二是在系統(tǒng)級板上相互連接有源與無源器件。現(xiàn)在，IC

器件不僅可以集成越來越多的晶體管，而且可以將有源和無源元件集成在單個芯片上。至此，微波集成電路的發(fā)展進入第四代。

(1)

片上系統(tǒng)

SoC(systemonchip，SoC)：

以電子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能為出發(fā)點，把系統(tǒng)模

型、處理機制、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。SoC

技術是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術。

(2)

系統(tǒng)級封裝(systeminpackage,SiP)：

采用任何組合將多個具有不同功能的有源和無源電子元器件以及諸如

MEMS、光學甚至生物芯片等其他器件組裝在單一封裝中，形成一個具有多種功能的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

(3)

封裝級系統(tǒng)(systemonpackage,SoP)：

利用多層薄膜元件和封裝技術，將微波與射頻前端、數(shù)字與模擬處理電路、存儲器、光器件與微米級薄膜形式的分立元件等多個功能模塊集成在一個封裝內(nèi)，完成某一獨立的功能。封裝就是系統(tǒng)，而不再是笨重的印制板。

8.2

微波集成電路的應用——T/R

組件8.2.1T/R組件概述收/發(fā)組件(即T/R組件)是構成固態(tài)有源相控陣雷達天線的基礎，是有源相控陣雷達的核心部件。有源電掃陣面包含成千上萬個寬帶、小型化、高效的T/R組件，其成本占整個系統(tǒng)的

50%以上。T/R組件由固態(tài)功率放大器、低噪聲放大器、T/R開關、移相器、限幅器和波控驅動器等電路組成，具有完整的接收、發(fā)射和控制功能。T/R組件的體積、重量、性能、質(zhì)量、成本、可靠性等指標直接影響雷達相應的整機指標。

圖

8-4

所示為典型有源相控陣雷達天線的結構，其中每個陣元后都接一個固態(tài)

T/R組件，每個T/R組件內(nèi)包括獨立的發(fā)射通道、接收通道以及公用的移相器，T/R組件后分別接發(fā)射、接收饋電網(wǎng)絡。

圖

8-4

典型有源相控陣雷達天線結構

相控陣雷達T/R組件的典型框圖如圖

8-5

所示。圖

8-5

相控陣雷達

T/R

組件的典型框圖

由圖

8-5

可以看出，T/R組件具有發(fā)射功率放大、接收信號放大、收/發(fā)轉換、陣面幅度修正和波束掃描等功能。在電源開啟、激勵信號輸入后，T/R組件的工作狀態(tài)由控制板接入的雷達指令和時序脈沖來控制和同步。圖

8-6

所示的是相控陣雷達T/R組件的收/發(fā)時序。使用過程中，T/R組件分別工作在發(fā)射狀態(tài)、接收狀態(tài)和收/發(fā)切換的中間過渡狀態(tài)。

圖

8-6

相控陣雷達

T/R

組件的收發(fā)時序

發(fā)射狀態(tài)下，T/R組件的收/發(fā)開關、移相器處于固定狀態(tài)，信號經(jīng)過收/發(fā)開關、移相器，驅動前級放大器，推動末級放大器，再經(jīng)環(huán)行器至陣元輻射出去。圖

8-7

所示的是相控陣雷達T/R組件的發(fā)射路徑和時序。

圖

8-7

相控陣雷達

T/R

組件的發(fā)射路徑和時序

圖

8-8

所示的是相控陣雷達T/R組件的接收路徑和時序。圖

8-8

相控陣雷達

T/R

組件的接收路徑和時序

8.2.2

T/R

組件主要部件的作用

如圖

8-5

所示，相控陣雷達T/R組件的主要部件有功率放大器、低噪聲放大器、移相器、收/發(fā)開關、環(huán)行器、隔離器、限幅保護電路(限幅器)、濾波器、電調(diào)衰減器以及電源板和控制板等。從集成使用方面考慮，相控陣雷達T/R組件的主要部件多采用便于表面安裝的平面電路。下面重點介紹相控陣雷達T/R組件主要部件的作用。

驅動功率放大器、末級功率放大器以及隔離器構成相控陣雷達T/R組件的功率放大鏈路。功率放大鏈路一方面將直流功率轉換為微波功率輸出，即將輸入激勵信號放大輸出；另一方面保持輸出信號幅度、相位有較好的一致性。有源相控陣雷達T/R組件的功率放大鏈路輸出信號的幅度、相位一致性相當重要。

相控陣雷達T/R組件中，波控系統(tǒng)是一個重要部件。圖

8-9所示是一種相控陣雷達波控系統(tǒng)構成框圖，整個雷達由雷控系統(tǒng)統(tǒng)一控制，雷控系統(tǒng)通過波控主機控制陣面?？梢钥闯觯叵到y(tǒng)除完成正常波控功能外，還兼有許多其他功能。幅相監(jiān)測系統(tǒng)直接通過波控系統(tǒng)完成陣面監(jiān)測所需的控制，陣面控制中的多組矩陣開關控制就是專為其設計的。子陣控制中的子陣延時控制用來完成寬帶掃描。組件控制中的過溫過壓保護用來控制組件電源。多路溫度監(jiān)測、驅動功率監(jiān)測、T/R組件監(jiān)測等是陣面監(jiān)測所需的內(nèi)容。

圖

8-9相控陣雷達波控系統(tǒng)構成框圖

小

結

(1)

微波混合集成電路(HMIC)是在介質(zhì)基片上由微帶線、微帶元件或集總元件、微波固態(tài)器件組成的集成電路。(2)

微波單片集成電路(MMIC)是在半絕緣半導體