X波段瓦片式相控阵T/R组件微系统的关键技术研究

相控阵雷达利用大量独立幅相控制的天线阵元排列成天线阵面,通过控制各阵元的幅度相位形成各单元特定指向的波束,最终合成主波束。相控阵雷达由于能够实现多目标跟踪、多波束扫描、指向灵活、可靠性高等优势,成为当今雷达探测领域的主要发展方向,并广泛应用于星载、弹载、机载、舰载雷达及地面预警、跟踪雷达与电子对抗、汽车防撞雷达等军民领域。收发组件是相控阵雷达的核心部分,是天线辐射幅度及相位的主要控制部分。收发组件性能好坏直接关系着相控阵雷达指标的优劣,并且是相控阵雷达的主要成本及体积占用所在。研究相控阵雷达收发组件,对提高相控阵整体性能、提高系统集成度、降低成本及体积等方面有重要意义。伴随着电子系统集成度越发提高及封装技术的飞速发展,传统砖块式收发组件集成度低、体积大、成本高,已逐渐不能满足发展要求。瓦片式相控阵收发组件是将多通道子阵按功能划分成多个功能模块,每个功能模块含有子阵所有通道的部分功能,通过垂直互联所有功能模块实现相控阵收发组件全部功能的一种实现方式。其具有可重构性强、集成度高、体积小、成本低等特点,替代传统砖块式T/R组件成为相控阵雷达收发组件的主要发展方向。本文完成如下几方面研究:(1)研制一种基于SiP技术的4×4 X波段瓦片式相控阵T/R组件的设计方案。利用LTCC技术、微流道散热技术、垂直互连技术等SiP技术,具有可重构性、功率密度大、集成度高、重量轻、尺寸小等特点。实现发射功率超过40dBm,接收增益最大17dB,射频部分尺寸仅58 mm×58 mm×2.3 mm。(2)针对SiP封装中的异质集成、信号互联等问题,对传输过程中的场分布、场变换,研究了多种互联结构及两种不同的功分器形式。实现了3D封装T/R组件中微波信号的低损耗传输。并利用电桥原理,研制一种基于Y型电桥与威尔金森功分器的新型宽带功分网络,工作频率覆盖X全频段,隔离度大于13dB,插损小于0.2dB,端口平衡度小于0.1dB。(3)针对大功率、高功率密度条件下的组件热管理问题,根据流动换热与热应力分析,提出了一种可用于大功率密度组件的水冷微流道热沉散热方式,该热沉形式换热效率高、尺寸合理、加工难度低、易于集成。300W热耗散时,芯片最高温度不超过90℃。解决了LTCC基板散热性能与相控阵组件尺寸限制间的矛盾。