基于MCM技術(shù)的X波段四通道T/R組件設(shè)計(jì)

季 帥 張慧鋒 嚴(yán)少敏 潘栓龍

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 西安 710068)

0 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)是現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)重要方向，其應(yīng)用前景廣闊，已受到各國的廣泛重視并得到大力發(fā)展。T/R 組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的最關(guān)鍵部分之一，其性能、成本直接決定著雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在有源相控陣?yán)走_(dá)中起著舉足輕重的作用。小尺寸、高性能的T/R 組件研制在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中的作用愈發(fā)重要。低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)是一種高集成度高密度多層電路封裝技術(shù)，其3D 結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)微波介質(zhì)板電路設(shè)計(jì)引入了全新的思路與實(shí)現(xiàn)方式［1-2］。

LTCC 技術(shù)是MCM 技術(shù)微波電路中的核心，該技術(shù)的工藝流程概述如下:利用低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉形成高密度且厚度精確的生瓷帶，采用激光打孔、精密導(dǎo)體漿料印刷等方式在生瓷帶上形成所需要的電路，同時(shí)將無源元件深埋其中，內(nèi)部設(shè)計(jì)有互連導(dǎo)體，經(jīng)疊壓后，在900℃下高溫?zé)Y(jié)，制成3D 電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件，形成的電路表面可以貼裝各種裸芯片，也可制成內(nèi)置無源元件的3D 電路基板，形成成無源/有源集成的功能模塊【3】。

本文采用LTCC 基片、陶瓷基片等簡(jiǎn)單成熟工藝，利用高密度封裝技術(shù)—多芯片組件(Multi-Chip Module，簡(jiǎn)稱為MCM)技術(shù)和微帶混合集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)X 波段T/R 組件的封裝設(shè)計(jì)。該封裝具有集成度高、散熱性好和可靠性高等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于X 波段二維有源相控陣T/R 子陣的工程研制。

1 設(shè)計(jì)原理

T/R 組件的構(gòu)成一般可以分成射頻電路、控制電路、電源三個(gè)部分，其電路原理圖如圖1所示。其中射頻電路主要完成發(fā)射信號(hào)的高功率放大過程和回波信號(hào)的低噪聲放大接收過程;控制電路主要功能有以下兩種:一是為射頻電路中的數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器提供數(shù)字控制信號(hào)，二是為射頻電路收發(fā)開關(guān)提供控制信號(hào)切換電路的發(fā)射、接收狀態(tài);電源為射頻電路中的有源元器件和控制電路中的數(shù)控器件提供必要的直流電信號(hào)。

圖1 組件電路原理圖

本文所設(shè)計(jì)的T/R 組件考慮其生產(chǎn)批量性，采用四通道方式實(shí)現(xiàn)，其射頻電路部分主要包括射頻功能部分和功率分配部分。射頻功能部分主要完成收發(fā)切換、功率放大、低噪聲接收、移相衰減、定標(biāo)耦合等功能;功率分配主要完成四路回波信號(hào)的功率合成和發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的四等分功率分配。

2 組件收發(fā)鏈路

本文所設(shè)計(jì)的四通道T/R 組件主要采用微帶混合集成電路和多芯片組裝(MCM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。MCM(多芯片組裝)技術(shù)是指將多個(gè)無外部封裝的芯片安裝于高集成度高密度多層電路基板上，并將該電路基板封裝于高密度封閉的管殼或腔體內(nèi)，利用MCM 組裝技術(shù)結(jié)合微帶混合集成電路技術(shù)完成微波電路設(shè)計(jì)可以大幅減小系統(tǒng)的體積和復(fù)雜程度。

單通道組件的收發(fā)鏈路如圖2所示，發(fā)射通道包含隔離器、GsAs 前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器、GsAs 功率放大器;接收通道包含限幅器、GsAs 低噪聲放大器;公共通道包含多功能芯片、環(huán)形器和定標(biāo)耦合器。其中，隔離器的作用是防止回波信號(hào)泄露至發(fā)射通道，該泄露信號(hào)經(jīng)發(fā)射通道放大后將由環(huán)形器耦合至接收通道阻塞接收機(jī)，影響系統(tǒng)的接收性能;多功能芯片的主要功能主要包括數(shù)控衰減、數(shù)控移相和功率放大;環(huán)形器主要完成收發(fā)開關(guān)的作用，用于切換組件收發(fā)狀態(tài);定標(biāo)耦合器主要完成發(fā)射的定標(biāo)耦合輸出和接收時(shí)的定標(biāo)耦合輸入。

圖2 收發(fā)鏈路示意圖

2.1 發(fā)射鏈路計(jì)算

根據(jù)所選取的器件，末級(jí)功率放大器工作在飽和放大狀態(tài)時(shí)，其飽和輸出功率為41dBm，該放大器后端由環(huán)形器、定向耦合器和微波接插件引入功率損耗，由工程計(jì)算，衰減約1.4dB，故發(fā)射通道功率輸出為39.6dBm，即9W。

2.2 接收鏈路計(jì)算

噪聲系數(shù)是衡量接收機(jī)性能的一個(gè)很重要的指標(biāo)，由公式(1)可以看出總噪聲系數(shù)和接收鏈路前幾級(jí)器件密切相關(guān)，即耦合器、環(huán)形器、限幅器。

由鏈路仿真軟件計(jì)算可知接收通道噪聲系數(shù)為3.11dB，增益為30.3dB，鏈路仿真軟件計(jì)算過程如圖3所示。

圖3 接收鏈路計(jì)算示意圖

3 無源電路設(shè)計(jì)

3.1 微波電路三維垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)

射頻微波電路垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要采用的是中心通孔結(jié)合周邊接地孔實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，其中通孔傳輸微波信號(hào)，周邊接地孔為微波地，其特性阻抗可根據(jù)同軸傳輸線的計(jì)算得出［7］:

其中d 為中心通孔直徑，D 為周邊接地孔分布圓環(huán)的直徑。

通孔在電路中引入的是寄生電感，電感值可由式(3)求得，在通孔的表面加焊盤可以引入寄生電容，電容值可由式(4)求得，其中a 為傳輸線與接地孔焊盤的間距，b 為傳輸線的寬度;c 為垂直互聯(lián)過孔的焊盤直徑;d 為垂直互聯(lián)過孔的孔徑，h 為通孔的深度，通過調(diào)節(jié)這幾個(gè)參數(shù)的值就可以使寄生電感與寄生電容相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)上下層電路的匹配，信號(hào)實(shí)現(xiàn)互通【4-5】。

通過計(jì)算求得d，D 以及焊盤直徑，用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖4所示，通過對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到符合指標(biāo)要求的電路參數(shù)。

圖4 垂直互聯(lián)仿真模型

仿真結(jié)果如圖5所示:

圖5 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)

從圖5 中可以看出垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的駐波在1.3以內(nèi)，插損在0.1dB 以內(nèi)，達(dá)到了匹配傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.2 功分LTCC 電路板的設(shè)計(jì)

功分器主要完成四個(gè)收發(fā)通道的功率分配和合成，在發(fā)射時(shí)用作發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的功率分配，接收時(shí)完成四路接收信號(hào)的功率合成。LTCC(低溫共燒陶瓷)技術(shù)是一種高集成度高密度多層電路封裝技術(shù)，其3D 結(jié)構(gòu)為現(xiàn)代微波收發(fā)組件設(shè)計(jì)引入了全新的思路與實(shí)現(xiàn)方式。

利用LTCC 技術(shù)完成傳統(tǒng)微帶功分器的設(shè)計(jì)，一方面可以在LTCC 電路表層完成MMIC 裸芯片的組裝;另一方面，將功分器設(shè)計(jì)在LTCC 多層電路基板中并通過通孔完成與表層芯片的互連，使得微波傳輸線變短，進(jìn)而大幅度提高了組裝密度，改善了收發(fā)組件的頻率特性和傳輸效率;其三，由于采用通孔完成了多層電路板內(nèi)部的微波傳輸，減小了組件的互連寄生參數(shù)，有利于提高收發(fā)組件系統(tǒng)的帶寬和性能指標(biāo);其四，將該LTCC 功分器置于LTCC 基板底層，可實(shí)現(xiàn)微波電路的良好接地，保證微波信號(hào)的傳輸性能。

所設(shè)計(jì)的LTCC 功分器仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，仿真結(jié)果如圖7所示。功分器為一分四一級(jí)威爾金斯功分器，采用階梯型阻抗匹配，利用輸出端口間串聯(lián)的隔離電阻可實(shí)現(xiàn)輸出端口間的信號(hào)隔離。本文選用金為導(dǎo)體，板材厚度為0.635mm，介電常數(shù)為9.9，50Ω 阻抗線寬為0.6mm，70.7Ω 阻抗線為0.23mm，采用薄膜電阻作為100Ω 隔離電阻。

功分器的仿真結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖6、圖7所示:在X 波段8-11GHz，如圖所示，四個(gè)輸出端口公分比均為6.4dB，匹配度良好，所設(shè)計(jì)的LTCC 功分器最終電路版圖如圖8所示。

圖7 LTCC 功分器仿真結(jié)果圖

圖8 LTCC 功分器布版圖

3.3 定標(biāo)耦合器的設(shè)計(jì)

定標(biāo)耦合器主要完成發(fā)射的定標(biāo)耦合輸出和接收時(shí)的定標(biāo)耦合輸入，本文采用陶瓷片作為介質(zhì)基片實(shí)現(xiàn)定標(biāo)耦合器的設(shè)計(jì)以保證更高的耦合精度和一致性。仿真結(jié)構(gòu)如圖9所示:

選用介電常數(shù)為10.6 的陶瓷片作為定標(biāo)耦合器的介質(zhì)基板，金作為導(dǎo)體，板材厚度為0.508mm，50Ω 阻抗線寬為0.64mm，采用薄膜電阻作為50Ω接地電阻，仿真結(jié)果如圖10所示，端口耦合度為22dB，隔離度為27dB。

圖9 定標(biāo)耦合器仿真結(jié)構(gòu)圖

圖10 定標(biāo)耦合器仿真結(jié)果

4 MCM 微組裝電路設(shè)計(jì)

在MCM 微組裝電路設(shè)計(jì)中，為保證組件系統(tǒng)的微波傳輸性能，需實(shí)現(xiàn)高密度多層微波基板以及射頻芯片與微波組件外部封裝腔體的有效燒結(jié)，以實(shí)現(xiàn)基板和芯片的良好接地和散熱。燒結(jié)的方式主要有以下兩種:其一是利用高性能導(dǎo)電膠直接進(jìn)行粘接;其二是在高溫下利用金鍺、金錫等導(dǎo)電良好的金屬完成燒結(jié)。本收發(fā)組件中所涉及到的功率芯片屬于中小功率微波放大器件范疇，對(duì)散熱要求不高，故本文采用導(dǎo)電膠粘接的方式來實(shí)現(xiàn)收發(fā)組件系統(tǒng)的微組裝。

在微組裝電路設(shè)計(jì)過程中，芯片與芯片、芯片與微帶線的互聯(lián)多采用金絲線鍵合的方式實(shí)現(xiàn)，故金絲鍵合線的性能指標(biāo)對(duì)微波信號(hào)的傳輸特性至關(guān)重要。微組裝中所采用的金絲鍵合線的等效電路模型如圖11所示【6】。

圖11 金絲鍵合等效電路模型

對(duì)長(zhǎng)度為l(mm)、直徑為d(mm)的金絲鍵合線，其串聯(lián)電感L(H)和串聯(lián)電阻R(Ω)可由以公式表征:

當(dāng)d/ds≤3.394 時(shí):

當(dāng)d/ds≥3.394 時(shí):

其中:μ0為空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率;μr為金絲鍵合線介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率;ρ 和ds分別為金絲鍵合線介質(zhì)材料的電阻率和趨膚深度。

在設(shè)計(jì)由放大器、混頻器等微波器件構(gòu)成的多芯片鏈路微波電路時(shí)，用于連接芯片輸入、輸出端口的金絲鍵合線，其特性阻抗需設(shè)計(jì)為50Ω，以保證與芯片輸入、輸出端口的阻抗匹配特性。一般情況下，金絲鍵合線拱高與跨距應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求:同跨距情況下，保證金絲鍵合線的拱高盡量低;同拱高情況下，金絲鍵合線的跨距盡量短;采用金絲完成芯片鍵合時(shí)，盡量采用2 ～3 根金絲完成芯片的鍵合，以保證電路組裝的穩(wěn)定度以及芯片對(duì)輸入功率、電流的要求。

5 電磁兼容性設(shè)計(jì)

T/R 組件中，射頻器件多，高低功率器件裝在一起，空間耦合影響大，電磁兼容問題很嚴(yán)重，一是各功能模塊電路之間的相互影響，如發(fā)射通道和接收通道之間、微波電路和波控電路之間，二是通道之間的相互耦合。

本文主要采用腔體隔離的方法來實(shí)現(xiàn)各功能電路及發(fā)射、接收通道間的電磁干擾隔離。進(jìn)行組件的分腔設(shè)計(jì)時(shí)，要防止組件的腔體出現(xiàn)諧振。若將組件腔體視為矩形波導(dǎo)，則存在一定的諧振頻率，當(dāng)工作頻率接近于諧振頻率時(shí)，內(nèi)部的微波器件器件將不能正常工作。腔體對(duì)應(yīng)的截止頻率fc應(yīng)是工作頻率f 的3 ～4 倍，而腔體的寬度可由公式:w=c/2fc得出，該腔體寬度將有效減小輻射信號(hào)對(duì)微波元器件的影響，而腔體的高度應(yīng)是微帶板厚度的10倍以上，同時(shí)小于其寬度W。根據(jù)該方式進(jìn)行組件的分腔設(shè)計(jì)將有效提高組件內(nèi)器件的工作效能，并提高各通道、功能電路的電磁隔離度。

為了改善通道之間的隔離度，擬采用如圖12所示的方式，設(shè)計(jì)腔體時(shí)將其內(nèi)隔墻抬高，以嵌入內(nèi)蓋板對(duì)應(yīng)的隔板槽內(nèi)，此時(shí)即使內(nèi)蓋板未能與腔體緊密接合，通過內(nèi)凹槽的結(jié)構(gòu)也能夠顯著改善通道間的隔離度。

圖12 改善通道隔離的內(nèi)嵌蓋板結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

本文采用LTCC 基片、陶瓷基片等簡(jiǎn)單成熟工藝，利用高密度封裝技術(shù)—多芯片組件(Multi-Chip Module，簡(jiǎn)稱為MCM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)X 波段T/R 組件的封裝設(shè)計(jì)。該封裝具有集成度高、散熱性好和可靠性高等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于X 頻段二維有源相控陣T/R 子陣的工程研制。

［1］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko Active RF Components［J］.RF circuit design Theory and Application，2002.

［2］J-M.Dieudonne，B.Adelseck，Advanced MMIC components for Ka-band communication systems，a survey，IEEE microwave systems conference，1995.

［3］Vafa-Sedghi，Abdolali-Abdipour，Ahbas-Mohammadi，A flat conversion gain sub-harmonically pumped image rejection mixer in MM-Wave band.Microwave and Millimeter Wave Technology，2004.ICMMT 4th International Conference on，2004，8:312-315.

［4］Cohn，S.B，Characteristic Impedance of Shielded Strip Transmission Line，IRE Trans.Microwave Theory Tech.，1954，2:52-55.

［5］Bahl，I.J.，and R.Garg，Designer's Guide to Stripline Circuits，［J］Microwaves，1978，17:69-90.

［6］Gunston，M.A.R.，Microwave Transmission-Line ImpedanceData［M］，VanNostrand-reinhold，London，1972.