基于LTCC技術(shù)的大延遲收發(fā)組件

劉曉莉+于明紅

摘 要： 研究X波段7位數(shù)字延遲收發(fā)組件，采用低溫共燒陶瓷（LTCC）多層布線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組件的小型化設(shè)計(jì)。組件包含延遲線公共電路以及接收和發(fā)射放大電路，最大延遲波長(zhǎng)為127λg，尺寸為110 mm×110 mm×15 mm。測(cè)試結(jié)果表明，7位數(shù)字延遲收發(fā)組件在工作頻率為8.5～10.5 GHz時(shí)，相位誤差[≤]±10°，幅度誤差[≤]±1 dB，接收、發(fā)射通道增益≥20 dB，噪聲系數(shù)[≤]4.0 dB。

關(guān)鍵詞： LTCC； 延遲線； 小型化設(shè)計(jì)； 延遲收發(fā)組件

中圖分類號(hào)： TN958?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）15?0066?03

Delay transceiver assembly based on LTCC technology

LIU Xiaoli， YU Minghong

（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract： The X?wave?band delay transceiver assembly with 7 digits is researched. The assembly adopts multi?layer wiring technology LTCC to achieve minimization design. The assembly includes delay line common circuit， reception circuit and emission circuit. The maximum delay wavelength is 127 λg， and the dimension is 110 mm×110 mm×15 mm. Test results show that when the delay transceiver assembly works at 8.5～10.5 GHz， phase error≤±10°， amplitude error≤±1 dB， gains of reception channel and emission channel≥20 dB， noise coefficient≤4.0 dB.

Keywords： LTCC； delay line； minimization design； delay transceiver assembly

0 引 言

微波數(shù)字延遲收發(fā)組件廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中。相控陣天線在寬角掃描情況下，要獲得大的瞬時(shí)信號(hào)帶寬方法之一就是在陣列各單元或各子天線陣級(jí)別上采用實(shí)時(shí)延遲線[1]。由于延遲線的插損較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中往往在延遲線電路中加入放大功能。傳統(tǒng)的延遲線通常采用單層傳輸線來實(shí)現(xiàn)，因此延遲線的體積很大，不能適應(yīng)現(xiàn)代相控陣天線對(duì)組件小型化、輕量化的要求。

本文研制了一款基于LTCC技術(shù)的X波段7位數(shù)字延遲收發(fā)組件，微波傳輸線在LTCC 基板中通過通孔互連實(shí)現(xiàn)多層傳輸，從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到立體結(jié)構(gòu)，大大減小了組件的體積和重量。另外微波信號(hào)在LTCC基板中以帶狀線傳輸，帶狀線的色散低于其他類型的平面?zhèn)鬏斁€。因此本文研制的延遲線具有小型化、低色散的特點(diǎn)[2]。

1 原理框圖

組件包括延遲線電路、發(fā)射支路、接收支路以及控制電路。延遲線電路通過PIN開關(guān)選擇不同的傳輸路徑來實(shí)現(xiàn)0～127λg（步進(jìn)1λg）的時(shí)間延遲，7位延遲位分別是1λg，2λg，4λg，8λg，16λg，32λg，64λg。接收、發(fā)射支路主要包含放大器、限幅器等，接收發(fā)射的轉(zhuǎn)換通過開關(guān)和環(huán)形器來實(shí)現(xiàn)?？刂齐娐穼⒋袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)控制不同的延遲位。組件的原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

2 延遲線的設(shè)計(jì)

延遲線的基本原理是通過傳輸線的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)延遲的。為了減小體積，大延遲態(tài)的傳輸線必須采用三維立體結(jié)構(gòu)，LTCC是實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)的最好選擇。在LTCC多層傳輸線設(shè)計(jì)中要避免線間耦合及層間互擾，以及層間轉(zhuǎn)換的類同軸結(jié)構(gòu)的匹配。在整個(gè)組件中還要避免各延遲態(tài)間的干擾。

2.1 設(shè)計(jì)原理

開關(guān)延遲線原理如圖2所示，每位延遲單元由4個(gè)RF PIN開關(guān)加2條傳輸線組成[3]，2對(duì)PIN開關(guān)在2條不同長(zhǎng)度的傳輸線之間切換，得到不同的相移量，產(chǎn)生射頻信號(hào)的相位差：

[Δφ=β（L2-L1）=2πf（L2-L1）Vp]

式中：[β]是相位常數(shù)；[Vp]為相速；[f]為工作頻點(diǎn)；[L2]和[L1]為兩條不同通路的傳輸線長(zhǎng)度。

圖2 延遲線原理

2.2 1λg，2λg，4λg延遲線設(shè)計(jì)

1λg，2λg，4λg小位數(shù)延遲位傳輸距離較短，綜合考慮，在本文中采用單層微帶線傳輸形式。介質(zhì)基板采用ROGERS公司的RT6002（εr=2.94，tan δ=0.001 2）。理論計(jì)算1λg，2λg，4λg傳輸線在中心頻率長(zhǎng)度分別為20.51 mm，41.01 mm，82.03 mm。仿真結(jié)果如圖3所示，插損0.1 dB左右，相位在中心頻率9.5 GHz處約為0[°]，8.5 GHz和10.5 GHz處的相位互為對(duì)稱，線性度很好。

2.3 8λg，16λg延遲線設(shè)計(jì)

8λg，16λg延遲線如果仍采用RT6002單層布線形式，傳輸線長(zhǎng)度太長(zhǎng)，所占組件空間較大，不能滿足需要，因此采用LTCC雙層帶狀線傳輸來實(shí)現(xiàn)8λg，16λg。層間轉(zhuǎn)換采用類同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，三維立體結(jié)構(gòu)如圖4所示，最終的仿真結(jié)果是插損[<]0.4 dB，駐波[<]-20 dB。

LTCC帶狀線三維立體結(jié)構(gòu)[4?5]如圖5所示，這里L(fēng)TCC基板選用 Ferro A6（[εr=]5.7，[tan δ=]0.002），導(dǎo)線和信號(hào)通孔材質(zhì)采用金，理論分析表明，對(duì)于使用Ferro A6基板的帶狀線，在中心頻率為9.5 GHz的8λg，16λg相位延遲帶狀線長(zhǎng)度分別為105.84 mm，211.68 mm。每層基板由6層LTCC陶瓷基板燒結(jié)而成，厚度為564 μm，（一層陶瓷基板燒結(jié)后厚度為94 μm），每個(gè)襯底層中間均嵌入一層10 μm 厚的金導(dǎo)線。帶狀線寬度為[W，]鄰近帶狀線線間距離為WL。不同層基板間采用半徑為[R0]的通孔實(shí)現(xiàn)（信號(hào)通孔和接地通孔）互連。為了得到較好的模式匹配，在輸入與輸出端口使用共面波導(dǎo)（CPW）作為表面?zhèn)鬏斁€。

圖3 1λg，2λg，4λg仿真結(jié)果

圖4 類同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

圖5 帶狀線三維立體結(jié)構(gòu)

最終的仿真結(jié)果為：[W=]0.19 mm，[WL=]0.8 mm，[R0=]0.06 mm。8λg，16λg仿真結(jié)果曲線如圖6所示，插損分別約為0.5 dB，1.0 dB，實(shí)際裝配中由于微波傳輸?shù)牟贿B續(xù)性插損會(huì)比仿真結(jié)果大，為了補(bǔ)償基態(tài)和延遲態(tài)之間的幅度誤差，在基態(tài)分別加入1 dB，2 dB的衰減器。中心頻點(diǎn)的相位誤差可以通過電路中的相位調(diào)節(jié)電路微調(diào)。

圖6 8λg，16λg仿真結(jié)果

2.4 32λg，64λg延遲線設(shè)計(jì)

32λg，64λg延遲線的設(shè)計(jì)思路與8λg，16λg類似，只是長(zhǎng)度更長(zhǎng)，根據(jù)組件的空間結(jié)構(gòu)要求，采用LTCC四層帶狀線傳輸來實(shí)現(xiàn)。LTCC基板同樣選用Ferro A6，導(dǎo)線和信號(hào)通孔的材質(zhì)采用金，理論分析表明，對(duì)于Ferro A6基板的帶狀線，在中心頻率9.5 GHz的32λg，64λg相位延遲帶狀線長(zhǎng)度分別約為423.36 mm，846.72 mm。三維立體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 32λg，64λg三維立體結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果曲線如圖8所示，插損隨頻率變化較大，在實(shí)際裝配中還會(huì)惡化，所以在大延遲態(tài)要加幅度均衡器[6]，另外在基態(tài)加衰減器減小幅度誤差。

3 測(cè)試結(jié)果

組件測(cè)試是在TR組件自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)上完成的[7]，主要儀器包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀及電源等，在8.5～10.5 GHz寬頻帶范圍內(nèi)，對(duì)7位延遲收發(fā)組件的127個(gè)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，組件達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，各指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 32λg，64λg仿真結(jié)果

表1 測(cè)試結(jié)果

[序號(hào)＼&技術(shù)指標(biāo)名稱＼&測(cè)試結(jié)果＼&1＼&各態(tài)相位誤差 /（°）＼&≤±10＼&2＼&各態(tài)幅度誤差 /dB＼&≤±1＼&3＼&相位線性度 /（°）＼&≤10＼&4＼&噪聲系數(shù) /dB＼&≤4.0＼&5＼&接收增益 /dB＼&≥22＼&6＼&帶內(nèi)平坦度 /dB＼&≤1.0＼&7＼&端口電壓駐波比＼&≤1.5＼&8＼&發(fā)射增益 /dB＼&≥20＼&]

延遲收發(fā)組件的外形圖如圖9所示。

圖9 延遲收發(fā)組件外形圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的7位數(shù)字延遲收發(fā)組件通過LTCC多層帶狀線結(jié)構(gòu)達(dá)到了較好的效果，組件延遲精度高、幅相一致性好、體積小、重量輕，在相控陣?yán)走_(dá)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 高葆新.微波集成電路[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[3] 苗燕超.小型化數(shù)字延遲線的精確設(shè)計(jì)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[4] XU Ruimin， HU Jiang. X?band 3D meander stripline delay line using multilayer LTCC [C]// 2009 IEEE International Confe?rence on Microwave Symposium Digest. Boston： IEEE， 2009： 345?348.

[5] 汪霆雷，魏文博，劉其中.小型化5位數(shù)控延遲線的設(shè)計(jì)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（2）：258?271.

[6] 陳俐，姚波.一種微帶線幅度均衡網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2008，48（12）：56?59.

[7] 吳俠儀，倪江.一種基于GPIB總線的TR組件測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15（5）：582?585.