雷达射频微波器件及电路 课件 第8章 微波集成电路

第8章微波集成电路8.1微波电路的发展历程8.2微波集成电路的应用——T/R组件小结

8.1

微波电路的发展历程

微波电路的发展历程如图

8-1

所示。图

8-1

微波电路的发展历程

1.

第一代微波电路——波导立体电路

它由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成。其优点是品质因数高、损耗低、机械结构牢固、功率容量高；缺点是体积大、笨重，加工工艺调试过程复杂，环境适应性差，相应成本高和难以集成。波导立体电路常用的传输线形式是矩形波导、圆波导。

2.

第二代微波电路———微波混合集成电路(HMIC)

随着微波固态器件的发展及分布型传输线的出现，20

世纪

60

年代初出现了由微带线、微带元件或集总元件、微波固态器件组成的微波混合集成电路，它属于第二代微波电路，简称为微波集成电路。

相比波导、同轴线等立体结构的传输线，微波混合集成传输线具有体积小、重量轻、易于批量生产、可靠性好、一致性与重复性好、成品率高和成本低等优点，也是第三、四代微波电路和系统的基础；其缺点是损耗较大、功率容量小，目前仅限于中、小功率应用。

3.

第三代微波电路——微波单片集成电路(MMIC)

20

世纪

70

年代后期出现了以微波单片集成电路和多芯片组件

技术为代表的第三代微波电路。

MCM

分为三类：叠层型多芯片组件、共烧陶瓷型多芯片组件、淀积薄膜型多芯片组件。图

8-2

所示为MCM

的典型结构图。

图

8-2

MCM

的典型结构图

图

8-3

所示为

LTCC

多层基板的基本构造。图

8-3

LTCC

多层基板的基本构造

多功能芯片，即在同一块半导体基底上包含两个或两个以上不同功能电路的

MMIC

芯片，它是第三代微波电路向第四代微波电路发展的过渡阶段。其优势有：成本和面积进一步减少；互连长度缩短，电路性能提高；片外互连减少，可靠性提高。

MEMS

既可以作为器件又可以作为一个封装，在芯片多维架构中作为支撑和架构；可以实现微电子、光电子和

MEMS

器件芯片结构的异构集成化，显著提高

SiP

性能，并提升装配效率，提高其可靠性。MEMS

可有效地减小微系统的体积，提高器件的功能密度和性价比。

4.

第四代微波电路——片上系统(SoC)、系统级封装(SiP)、封装级系统(SoP)

21

世纪出现了以系统/整机为主的第四代微波电路，SoC、SiP、SoP

成为当前国内外电子领域的研究热点。以前，微系统封装起两个作用：一是提供集成电路或晶圆级封装与

I/O的连接；二是在系统级板上相互连接有源与无源器件。现在，IC

器件不仅可以集成越来越多的晶体管，而且可以将有源和无源元件集成在单个芯片上。至此，微波集成电路的发展进入第四代。

(1)

片上系统

SoC(systemonchip，SoC)：

以电子系统的系统功能为出发点，把系统模

型、处理机制、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单芯片上完成整个系统的功能。SoC

技术是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。

(2)

系统级封装(systeminpackage,SiP)：

采用任何组合将多个具有不同功能的有源和无源电子元器件以及诸如

MEMS、光学甚至生物芯片等其他器件组装在单一封装中，形成一个具有多种功能的系统或子系统。

(3)

封装级系统(systemonpackage,SoP)：

利用多层薄膜元件和封装技术，将微波与射频前端、数字与模拟处理电路、存储器、光器件与微米级薄膜形式的分立元件等多个功能模块集成在一个封装内，完成某一独立的功能。封装就是系统，而不再是笨重的印制板。

8.2

微波集成电路的应用——T/R

组件8.2.1T/R组件概述收/发组件(即T/R组件)是构成固态有源相控阵雷达天线的基础，是有源相控阵雷达的核心部件。有源电扫阵面包含成千上万个宽带、小型化、高效的T/R组件，其成本占整个系统的

50%以上。T/R组件由固态功率放大器、低噪声放大器、T/R开关、移相器、限幅器和波控驱动器等电路组成，具有完整的接收、发射和控制功能。T/R组件的体积、重量、性能、质量、成本、可靠性等指标直接影响雷达相应的整机指标。

图

8-4

所示为典型有源相控阵雷达天线的结构，其中每个阵元后都接一个固态

T/R组件，每个T/R组件内包括独立的发射通道、接收通道以及公用的移相器，T/R组件后分别接发射、接收馈电网络。

图

8-4

典型有源相控阵雷达天线结构

相控阵雷达T/R组件的典型框图如图

8-5

所示。图

8-5

相控阵雷达

T/R

组件的典型框图

由图

8-5

可以看出，T/R组件具有发射功率放大、接收信号放大、收/发转换、阵面幅度修正和波束扫描等功能。在电源开启、激励信号输入后，T/R组件的工作状态由控制板接入的雷达指令和时序脉冲来控制和同步。图

8-6

所示的是相控阵雷达T/R组件的收/发时序。使用过程中，T/R组件分别工作在发射状态、接收状态和收/发切换的中间过渡状态。

图

8-6

相控阵雷达

T/R

组件的收发时序

发射状态下，T/R组件的收/发开关、移相器处于固定状态，信号经过收/发开关、移相器，驱动前级放大器，推动末级放大器，再经环行器至阵元辐射出去。图

8-7

所示的是相控阵雷达T/R组件的发射路径和时序。

图

8-7

相控阵雷达

T/R

组件的发射路径和时序

图

8-8

所示的是相控阵雷达T/R组件的接收路径和时序。图

8-8

相控阵雷达

T/R

组件的接收路径和时序

8.2.2

T/R

组件主要部件的作用

如图

8-5

所示，相控阵雷达T/R组件的主要部件有功率放大器、低噪声放大器、移相器、收/发开关、环行器、隔离器、限幅保护电路(限幅器)、滤波器、电调衰减器以及电源板和控制板等。从集成使用方面考虑，相控阵雷达T/R组件的主要部件多采用便于表面安装的平面电路。下面重点介绍相控阵雷达T/R组件主要部件的作用。

驱动功率放大器、末级功率放大器以及隔离器构成相控阵雷达T/R组件的功率放大链路。功率放大链路一方面将直流功率转换为微波功率输出，即将输入激励信号放大输出；另一方面保持输出信号幅度、相位有较好的一致性。有源相控阵雷达T/R组件的功率放大链路输出信号的幅度、相位一致性相当重要。

相控阵雷达T/R组件中，波控系统是一个重要部件。图

8-9所示是一种相控阵雷达波控系统构成框图，整个雷达由雷控系统统一控制，雷控系统通过波控主机控制阵面。可以看出，波控系统除完成正常波控功能外，还兼有许多其他功能。幅相监测系统直接通过波控系统完成阵面监测所需的控制，阵面控制中的多组矩阵开关控制就是专为其设计的。子阵控制中的子阵延时控制用来完成宽带扫描。组件控制中的过温过压保护用来控制组件电源。多路温度监测、驱动功率监测、T/R组件监测等是阵面监测所需的内容。

图

8-9相控阵雷达波控系统构成框图

小

结

(1)

微波混合集成电路(HMIC)是在介质基片上由微带线、微带元件或集总元件、微波固态器件组成的集成电路。(2)

微波单片集成电路(MMIC)是在半绝缘半导体