一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块

本发明属于射频收发模块领域以及模块散热领域，具体涉及一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块。

背景技术：

1、射频收发模块是相控阵雷达t/r组件的重要组成部分，也是t/r组件实现射频信号收发功能的主要结构。收发模块通常由射频电路构成其主体，用于验证链路射频性能，其功能主要包括对射频信号的接收与发射，通过外部的电源调制电路控制模块中射频芯片的开关，从而实现接收和发射状态的切换。基于单片微波集成电路（monolithic microwaveintegrated circuit，缩略词为mmic）的迅速发展，t/r组件中的gan高功率射频功率放大器的电源功率以及发射功率随之提升，热管理成为了射频功放芯片投入实际运用的技术难题，如今的t/r组件需要借助更加高效的散热技术以满足其散热需求，微通道散热技术即是一种高效率、集成化、小型化的液冷散热技术，基于该技术特点，设计了一款内嵌微通道散热结构的射频收发模块。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，能够实现6-18 ghz宽带射频收发功能，同时提升t/r组件散热结构的集成度并提高t/r组件的散热效率，以此满足大功率射频功率放大器的高热耗散热需求，使组件能够在更高的功率下工作。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，该模块结构包括射频芯片与射频传输线、电源走线、基板主体、内嵌于基板主体内部用于散热的的微通道结构；所述射频芯片固定在基板主体上表面，所述射频芯片包括2块射频收发开关芯片、1块射频驱动放大器芯片、1块末级大功率射频放大器芯片以及1块射频低噪声放大器芯片；所述微通道结构设置在末级大功率射频放大器芯片下方，所述基板主体由2层pcb基板堆叠而成，在微通道结构与末级大功率射频放大器的连接处设计有键合环。

4、进一步地，所述射频收发开关芯片是gan mmic反射式单刀双掷开关芯片，工作频段范围为6-18 ghz，通过0/-28v电源工作，该芯片插入损耗为1.5 db，由输入端ttl电平进行开关控制，开关速度小于20 ns，0.3 db压缩输入功率为49 dbm。

5、进一步地，所述射频驱动放大器芯片是使用氮化镓高电子迁移率晶体管（hemt）工艺制造而成的射频功率放大器芯片，该芯片工作频段范围为6-18 ghz，电源采用单电源供电，漏极电源电压为+5v，典型工作电流为190 ma，功率增益为12 db，典型小信号增益为15db，典型输出功率为22dbm，通过背面金属经通孔接地，该芯片主要应用于射频微波收发组件以及无线通讯等领域。

6、进一步地，所述末级大功率射频放大器芯片是基于gan hemt晶体管技术实现的功率放大器芯片，采用gan功率mmic工艺制作。工作频率范围覆盖6-18ghz，功率增益大于16db，典型饱和输出功率41 dbm，典型功率附加效率20%，可在连续波模式下工作。芯片通过背面通孔接地，采用双电源工作，典型工作电压为vd=+28v，vg=-1.8v。所述末级高功率射频放大器芯片在饱和工作状态下，输出功率为41 dbm，电源功耗为61.6 w，热耗达到约50 w。

7、进一步地，所述射频低噪声放大器是单级宽带单片低噪声放大器（mmic），使用栅长砷化镓赝配高电子迁移率晶体管（phemt）工艺制造而成，工作频率范围覆盖6-18 ghz，噪声系数2.5 db，典型增益为9db，1分贝压缩点输出功率为14.5 dbm，输入、输出电压驻波比分别为1.6和1.2，该芯片为单电源供电，漏极电源电压为+5v，芯片背面通孔接地。

8、进一步地，每个射频芯片均放置于基板主体表面，通过焊接的方式实现装配。芯片之间设计射频传输线结构实现射频信号的传输，所述传输线采用的结构为接地共面波导（cpwg）。所述射频芯片均为裸芯片，采用金丝键合技术实现芯片与传输线的连接。

9、进一步地，该射频收发模块所使用的射频连接器是smp射频同轴连接器，所述smp射频同轴连接器的功能为实现射频信号源以及天线端信号端口与该射频收发模块之间的射频信号传输，采用的smp连接器数量为2个。

10、本发明的技术问题通过进一步的技术方案以解决：

11、所述内嵌微通道散热结构的射频收发模块采用微通道结构对模块进行液冷散热。在基板主体下表面有冷却工质进口和冷却工质出口。微通道结构在基板主体内部（微通道结构设置在末级大功率射频放大器芯片下方），在基板表面设计有冷却工质与末级大功率射频放大器芯片底面接触的热交换区域（微通道结构上方）以及末级大功率射频放大器的键合区域。热交换区域面积略小于末级大功率射频放大器芯片的面积，该区域由在基板中加工制造腔体形成，因为热交换区域的存在，末级大功率射频放大器键合区设计为键合环形式，形状呈现为矩形环形状，作用为将芯片装配至基板上以及与热交换区域形成良好密封。

12、所述基板主体由2块pcb基板采用焊膏焊接的方式堆叠而成，分为上基板与下基板。型号为rogers 4350b，所述内嵌的微通道结构整体呈“几”字型形状，微通道形状为矩形，芯片底部进出工质口通过加工后形成的横梁结构进行分隔。上基板切割加工区域为芯片底部，下基板切割加工区域为流道覆盖区域，待上下基板焊接连接与密封后，流道区域则形成封闭区域。热交换区域位于上基板上表面，冷却工质进口与冷却工质出口均位于下基板底部。所述微通道结构的冷却工质进口和冷却工质出口处设有接头，作用为冷却工质便于流通（冷却工质进口连接水泵），微通道高度为基板高度的一半；所述基板主体内设计垂直转接结构，作用为提供芯片下方的热交换区域以及为微通道上表面提供支撑与密封，所述垂直转接结构就是在热交换区域下方设计一个向上的凸出部，该结构即“几”字型结构中的突出部分，使用时水泵将冷却工质快速输入微通道内，冷却工质经过垂直转接结构（直角转弯）后往上打在末级大功率射频放大器芯片背面，将末级大功率射频放大器芯片散发的热量带走，最终冷却工质从出口流出，不断循环进行散热。

13、进一步地，所述冷却工质进口和冷却工质出口所使用的接头为微型快拧接头，冷却工质进口和冷却工质出口均设计了接口结构，接口形状设计为圆形，通过基板背面焊接贴片螺母、微型快拧接头和硅胶软管实现，选用m3螺母，在基板中加工尺寸适合的过孔，与外部结构及软管形成密封、稳定的接口。

14、进一步地，所述冷却工质为去离子水或其他类型冷却液。

15、本发明的有益效果是：

16、本发明对射频收发模块的散热冷板进行集成化、小型化设计，将散热结构集成于高性能射频收发模块中，具有结构紧凑、成本低、散热能力强、工艺难度小的特点。对于射频电路，本发明实现了6-18 ghz超宽带频率范围内的射频收发功能，具有工作带宽宽、小型化、高性能的特点。

技术特征：

1.一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：所述射频收发开关芯片包括总口端射频收发开关芯片与天线端射频收发开关芯片，所述射频驱动放大器芯片的射频输入端与所述总口端射频收发开关芯片发射侧端口相连接，射频驱动放大器芯片射频输出端与所述末级大功率射频放大器芯片射频输入端相连接，末级大功率射频放大器芯片射频输出端与天线端射频收发开关芯片发射侧端口相连接；所述射频低噪声放大器芯片射频输入端与天线端射频收发开关芯片接收侧相连接，射频低噪声放大器芯片射频输出端与总口端射频收发开关芯片接收侧相连接。

3.根据权利要求1所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：该射频收发模块所使用的射频连接器是smp射频同轴连接器，所述smp射频同轴连接器的功能为实现射频信号源以及天线端信号端口与该射频收发模块之间的射频信号传输，采用的smp射频同轴连接器数量为2个。

4.根据权利要求1所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：所述基板主体由2块pcb基板采用焊膏焊接的方式堆叠而成，分为上基板与下基板；型号为rogers 4350b。

5.根据权利要求4所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：在微通道各个需通过冷却工质的开口处，均设计键合环以进行额外的焊接加固与密封。

6.根据权利要求4所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：所述微通道设置在基板主体内部，在基板主体下表面有冷却工质进口和冷却工质出口，微通道结构设置在末级大功率射频放大器芯片下方，微通道结构整体呈“几”字型形状，在微通道中部下方设计一个向上的凸出部。

7.根据权利要求6所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：所述冷却工质进口和冷却工质出口均设计了接口结构，所使用的接头为微型快拧接头。

8.根据权利要求5所述的一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，其特征在于：所述冷却工质为去离子水。

技术总结本发明公开了一种内嵌微通道散热结构的射频收发模块，包括单通道发射链路、单通道接收链路、公共端口以及内嵌式液冷散热微通道。射频收发功能均通过裸片式射频芯片进行实现，包括射频收发开关、功率放大器以及低噪声放大器，采用SMP射频同轴连接器实现与外部的互联。微通道散热结构内嵌于模块基板中，基板主体采用PCB材料，在基板中刻蚀通道结构后使用两层基板进行堆叠密封而成，通过冷却工质直接冲击芯片底部进行热交换，提高热交换效率，减小热阻。本发明射频工作带宽大，散热结构紧凑，材料成本低，散热效果良好，具有超宽带、高性能、小型化、集成化、轻量化的特点。技术研发人员：姚小江,陆伊洲,范圣辉受保护的技术使用者：南京邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18