一种新型Ku波段固态功放组件的制作方法

本实用新型涉及一种新型ku波段固态功放组件，属于大功率雷达干扰、电子对抗等领域。

背景技术：

微波大信号发射系统中核心部件是微波功率放大器，用于干扰、压制的电子对抗系统中常需要频带较宽的功率放大器，随着半导体材料和制造工艺的进步，使得固态微波器件在雷达和通信系统中的应用越来越多，输出功率需求也越来越高。虽然单个固态器件输出功率与系统高功率的应用需求有差距，但通过功率合成技术可以实现输出能力提高多个数量级，具体的功率合成方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，第二种方法是采用有源阵列天线的方法，通过采用空间功率合成，获得大功率输出。

长期以来，由于材料工艺和装配工艺的限制，使得宽带微波器件很难单通道获得较高的连续波输出功率；另外，射频组件的尺寸较大使得有源阵列很难实现小型化和高集成度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种工作频率宽、体积小、重量轻、单路输出功率高的ku波段固态功放组件。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种新型ku波段固态功放组件，包括：壳体和位于壳体内的前级功放沉入式模块、第一隔离器、推动级功放沉入式模块、第二隔离器、四路功分器、末级功放沉入式模块、第三隔离器、温度检测板和控馈板，所述前级功放沉入式模块、第一隔离器、推动级功放沉入式模块、第二隔离器、四路功分器依次连接，所述四路功分器的输出端连接四个末级功放沉入式模块，每个末级功放沉入式模块连接一个第三隔离器，所述温度检测板、前级功放沉入式模块、推动级功放沉入式模块和末级功放沉入式模块均与控馈板连接；所述末级功放沉入式模块包括功放芯片、电路板、位于左右两侧的射频输入绝缘子和射频输出绝缘子，以及与射频输入绝缘子位于同一侧的两个馈电绝缘子，功放芯片与电路板通过金丝连接并在功放芯片上、下侧均形成栅极金丝键合点和漏极金丝键合点，功放芯片上、下侧的栅极金丝键合点通过跨接金丝连接后与一个馈电绝缘子连接，功放芯片上、下侧的漏极金丝键合点通过跨接金丝键合连接后与另一个馈电绝缘子连接，射频输入绝缘子和射频输出绝缘子连接于电路板。

进一步地，连接功放芯片上、下侧的栅极金丝键合点的跨接金丝和连接功放芯片上、下侧的漏极金丝键合点的跨接金丝跨接在电路板射频微带线上方。

进一步地，所述ku波段固态功放组件的外形尺寸为200mm×79.5mm×13mm。

进一步地，所述ku波段固态功放组件的射频输出端口间距为20mm。

进一步地，所述ku波段固态功放组件的射频输出端口采用smp系列射频连接器。

进一步地，所述末级功放沉入式模块还包括沉入式垫块、钼铜载体，所述沉入式垫块采用紫铜材质，所述沉入式垫块内设置有安装凹槽，所述电路板和钼铜载体焊接于所述安装凹槽内，所述功放芯片焊接于钼铜载体上。

进一步地，所述沉入式垫块包括散热底座，所述安装凹槽位于所述散热底座内，所述安装凹槽顶部设置有凸台，所述凸台顶面四周设置有凹槽台，所述凹槽台末端设置有腔体分隔柱。

进一步地，所述温度检测板包括热敏电阻，所述热敏电阻紧贴壳体内表面。

进一步地，所述前级功放沉入式模块、推动级功放沉入式模块和末级功放沉入式模块采用螺钉固定到所述壳体底部，各个功放沉入式模块与所述壳体之间设置有铟片。

进一步地，所述控馈板采用螺钉固定到所述壳体底部，所述控馈板与壳体之间设置有聚四氟乙烯垫片。

相比于现有技术，本实用新型的一种新型ku波段固态功放组件，末级功放沉入式模块采用侧边供电的方式，射频输入接口和供电接口在同侧，有效的减少了功放组件的端口间距，同时，末级功放沉入式模块内部采用金丝跨接的方法，使得末级功放沉入式模块对外的供电接口由4个变为2个，有效地减少了末级功放沉入式模块对外的供电接口数量，从而减小了功放组件的体积；此外，本实用新型还具有工作频率宽、重量轻、单路输出功率高的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种新型ku波段固态功放组件组成原理图；

图2是本实用新型实施例的一种新型ku波段固态功放组件内部正面视图；

图3是本实用新型实施例的一种新型ku波段固态功放组件底面视图；

图4是本实用新型实施例的一种新型ku波段固态功放组件左视图；

图5是本实用新型实施例的一种新型ku波段固态功放组件右视图；

图6是末级功放沉入式模块结构俯视图；

图7是末级功放沉入式模块结构左侧视图；

图8是末级功放沉入式模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图2-5所示，本实用新型实施例提供了一种新型ku波段固态功放组件，所述功放组件包括壳体和位于壳体内的前级功放沉入式模块14、第一隔离器15、推动级功放沉入式模块16、第二隔离器27、四路功分器17、末级功放沉入式模块18、第三隔离器28、温度检测板24和控馈板22。前级功放沉入式模块14、第一隔离器15、推动级功放沉入式模块16、第二隔离器27、四路功分器17依次连接，四路功分器17的输出端连接四个末级功放沉入式模块18，每个末级功放沉入式模块18连接一个第三隔离器28。温度检测板14、前级功放沉入式模块14、推动级功放沉入式模块16和末级功放沉入式模块18均与控馈板22连接。

ku波段固态功放组件组成原理如图1所示，输入端的射频信号经前级功放沉入式模块(hmc465)和推动级功放沉入式模块(2w模块)放大后，进入四路功分器输出四路等幅、等相的射频信号，然后驱动末级功放沉入式模块输出25w功率的射频信号，工作频段覆盖12-18ghz；其中，功放组件的射频输出端与天线相连，第三隔离器用于防止天线端反射回来的射频功率烧毁放大器，正向插入损耗很小，反向隔离度很大。

温度检测板24采用型号为ncp21xv103j03ra的热敏电阻作为温度传感器，检测组件壳体表温作为温度采样数据。控馈板22为外购产品，型号为bl-kb6086a，用于给组件内部所有功放沉入式模块供电、开关机以及保护功能(过流保护、过压保护、过温保护)。

如图2-5所示，功放组件的射频输入端13采用型号为sma-kfd21的射频连接器，该射频连接器和型号为rf2516-0.38(8-4.6)的射频绝缘子配套使用。控馈板输入端与射频输入端13处于同侧，包括用于直流电源输入的j30j系列矩形连接器19和用于通信控制的j30j系列矩形连接器20。控馈板输出端23采用j30j-v2系列矩形连接器。功放组件的射频输出端25采用可盲插的smp系列射频连接器，用于方便多个组件的装配和后期维修工作，例如采用型号为jsmp(m)-jhd1-s的射频连接器，其装配工艺采用导电胶或者焊料烧结均可。

功放组件的四周还设置有固定安装孔21，方便后续将功放组件固定到水冷板上。功放组件的背面设置有走线槽26。

本实用新型中，功放沉入式模块分三种类型，分别是前级功放沉入式模块、推动级功放沉入式模块以及末级功放沉入式模块，三种类型对应三种不同输出功率的功放芯片。

如图6至8所示，末级功放沉入式模块包括沉入式垫块，沉入式垫块采用紫铜材质，沉入式垫块包括散热底座6，散热底座6内设置有安装凹槽4，用于安装功放芯片和电路板，安装凹槽4顶面设置有凸台29，凸台29四周设置有凹槽台3，凹槽台3末端设置有腔体分隔柱2，凹槽台3用于减少与沉入式模块盖板的接触面，腔体分隔柱2对沉入式模块盖板起到支撑作用。凸台29四周还设置有封焊槽5，用于方便沉入式模块内盖板的激光封焊。

末级功放沉入式模块包括功放芯片9、电路板30、电容等元件，电路板30焊接在沉入式垫块的安装凹槽4内，功放芯片9用au80sn20金锡焊料人工摩擦烧结在mo70cu30载体，mo70cu30载体再用sn62pb36ag2焊锡膏烧结在镀金的沉入式垫块的安装凹槽4内。功放芯片9先装配到沉入式垫块中，沉入式垫块利用螺钉和固定孔1固定到组件的壳体中，另外两种功放沉入式模块也采用该方式装配功放芯片，该种装配方式有效地解决裸芯片同时装配工艺难、拆装维修困难、散热及减重等问题。

末级功放沉入式模块包括位于沉入式垫块左右两侧的射频输入接口和射频输出接口，以及与射频输入接口处于同一侧的两个供电接口。具体的，末级功放沉入式模块包括位于沉入式垫块左右两侧的射频输入绝缘子安装孔8和射频输出绝缘子安装孔，以及与射频输入绝缘子安装孔8位于同一侧的两个馈电绝缘子安装孔7；射频输入绝缘子11穿过射频输入绝缘子安装孔8连接于电路板30，射频输出绝缘子31穿过射频输出绝缘子安装孔连接于电路板30。馈电绝缘子12穿过馈电绝缘子安装孔7连接于电路板30。

功放芯片9与电路板30通过金丝连接并在功放芯片9上、下侧均形成栅极金丝键合点和漏极金丝键合点。采用金丝跨接的方法，通过超声波金丝引线键合机，在射频50欧姆线微带线32上跨接几根跨接金丝10，使得功放芯片上、下侧的栅极金丝键合点通过跨接金丝连接到同一个供电接口，功放芯片上、下侧的漏极金丝键合点通过跨接金丝键合连接到另一个供电接口。

其中，末级功放沉入式模块采用侧边供电的方式，供电接口与射频输入接口在同侧，有效的减少了功放组件的射频输出端口间距；同时，末级功放沉入式模块内部采用金丝跨接的方法，使得功放沉入式模块对外的供电接口由4个变为2个，有效的减少了末级功放沉入式模块对外的供电接口数量，从而有效减小了功能组件的体积。

末级功放沉入式模块内部全部装配完成后，采用激光封焊的形式将模块盖板与封焊槽5焊接，实现密封要求。

散热底座6四角还设置有固定孔1，用于方便将末级功放沉入式模块固定到功放组件的壳体内。

功放组件的壳体为铝壳体，功放沉入式模块采用螺钉固定到铝壳体上。装配过程中，在功放沉入式模块和铝壳体之间垫一层0.05mm铟片，能够加强功放沉入式模块与壳体的良好接触，减小接触热阻和对地阻抗；隔离器采用导电胶粘结，150℃固化1小时，固化时用压板以及聚四氟乙烯垫片固定，保证隔离器与壳体接触紧密；控馈板及其矩形连接器均采用螺钉固定到铝壳体上，固定控馈板时，在控馈板底部垫一层0.05mm厚度的聚四氟乙烯垫片，有效防止控馈板与壳体短路。

本实用新型实施例中的功放组件外形尺寸为200mm×79.5mm×13mm(长×宽×高)，射频输出端采用smp盲配连接器，端口间距仅20mm，便于多通道同步插拔装配和集成化。

本实用新型中的ku波段固态功放组件需要在-40℃～+55℃环境下长时间可靠工作，功放组件用于有源天线阵列中，整个阵列共包含192个ku波段固态功放组件，功放组件射频输出端和天线端均采用smp-j型射频连接器，通过smp-kk实现转接。整个阵列不仅功率器件数量多、发热量大，并且功率器件之间间距小导致热密度增加。考虑整个阵列的小型化布局，6个功放组件共用同一个水冷板进行散热，单个功放组件热耗峰值约为250w，单块水冷板热耗峰值约1500w，功放组件主要发热源为推动级功放芯片和末级功放芯片，其中单只推动级功放芯片热流密度约40.4w/cm²，单只末级功放芯片热流密度约569.3w/cm²。本实用新型中主要发热芯片参数(1块水冷板上，包含6块固态功放组件)如下：

注：上述的热阻为芯片沟道到mo70cu30载体底部的热阻。

采用ansys软件设计，产品需要在55℃环境下可靠工作，仿真时只进行液冷强迫散热的计算，不考虑空气参与的自然散热，即模型在绝热环境下进行散热(恶劣工况)。由于功放芯片热流密度较大，需要通过压缩机对冷却介质进行降温，其中，供液温度为25℃，供水流量4l/min，进出口压差为0.02mpa。仿真结果得出，功放组件中推动级功放芯片底部紫铜壳体表面最高温度为56.6℃，该沟道温度即为56.6℃+10w×6℃/w＝116.6℃，远小于该芯片结温175℃；末级功放芯片底部紫铜壳体表面最高温度为90.0℃，该沟道温度90.0℃+60w×1.6℃/w＝186.0℃，远小于该芯片结温225℃。一般小于芯片结温20℃以上即可长时间可靠工作，由此判断本实用新型满足产品可靠性要求。

本实用新型的ku波段固态功放组件工作频率宽、体积小、重量轻、单路输出功率高；功放组件能输出4路覆盖12-18ghz工作频率的等幅、等相的连续波信号，每路射频信号的功率为25瓦；功放组件的射频输出采用smp盲配连接器，端口间距仅20mm，便于多通道同步插拔装配和集成化；功放组件具备电压检测、电流检测、温度检测等监测功能，同时具备过压保护、过流保护、过温保护等保护功能。

以上已以较佳实施例公布了本实用新型，然其并非用以限制本实用新型，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。