Ka頻段LTCC小型化多通道接收前端組件設(shè)計(jì)

王　璇，敦書波，譚　承

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101408)

0　引言

多通道接收模塊在毫米波系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到重視，小型化是其主要的發(fā)展方向之一[1]。低溫共燒陶瓷技術(shù)LTCC是一種具有三維立體布局能力的高集成度和高性能封裝技術(shù)，其應(yīng)用和發(fā)展為多通道接收模塊的小型化提供了有效途徑[2]。

采用LTCC來實(shí)現(xiàn)多通道組件的小型化需要解決封裝設(shè)計(jì)、互聯(lián)設(shè)計(jì)、器件內(nèi)埋和多層堆疊等問題[3]。文獻(xiàn)[4-5]中將功分網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)發(fā)射通道集成在LTCC的正面，這種封裝方式?jīng)]有利用到LTCC縱向集成的能力，且不適合帶變頻的多通道組件；文獻(xiàn)[6]采用了立體混合集成，將毫米波基板和低頻基板封裝在屏蔽盒的上下2個(gè)腔內(nèi)，相互之間采用絕緣子引線連接，這種封裝方式采用的垂直互聯(lián)的絕緣子引線工作頻率無(wú)法達(dá)到毫米波，并且縱向所需尺寸較大。

本文主要通過優(yōu)化多通道前端組件的集成架構(gòu)，以及利用LTCC工藝的三維集成封裝設(shè)計(jì)與層間互聯(lián)能力實(shí)現(xiàn)整個(gè)組件的小型化。

1　多通道接收前端工作原理

通常測(cè)向體制采用的接收變頻需要共用本振，即本振通過分路提供給不同信道[7]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)將每路變頻以及本振獨(dú)立構(gòu)成模塊，模塊間采用同軸電纜互相連接，這種架構(gòu)由于屏蔽、互聯(lián)等問題很難實(shí)現(xiàn)小型化。

如圖1所示，將模塊按照中頻來縱向封裝，同一級(jí)變頻的多路通道結(jié)合變頻本振及分路集成在一起，如此能夠有效地減小體積。同時(shí)得益于LTCC工藝的三維集成及互聯(lián)能力，通過合理的設(shè)計(jì)可以在集成的同時(shí)解決小型化帶來的屏蔽及互聯(lián)問題。

圖1　Ka頻段多通道接收前端組件的工作原理

該前端采用3次變頻方案實(shí)現(xiàn)從Ka頻段27.5～31 GHz射頻信號(hào)到140 MHz中頻信號(hào)的變頻。整個(gè)前端主要由變頻模塊1和變頻模塊2構(gòu)成，其中變頻模塊1完成前2次變頻，變頻模塊2完成第3次變頻。模塊1中包括LTCC模塊和一、二本振電路，其中LTCC模塊在正面集成了6路從27.5～31 GHz下變頻到1.2 GHz二中頻的變頻通道，背面集成了一本振及二本振倍頻分路。模塊2包括6路從1.2 GHz二中頻到中頻輸出的一次變頻鏈路，包括三本振、三本振分路及參考分路。模塊1與模塊2間通過SMP接口的同軸電纜互相鏈接。

2　無(wú)源器件與互聯(lián)設(shè)計(jì)

2.1　LTCC層疊設(shè)計(jì)

LTCC模塊集成了2次變頻：一本振分路以及二本振分路。6個(gè)變頻通道排在LTCC基板正面，一本振分路與二本振分路在LTCC基板背面。LTCC基板由14層厚度為96 μm的FerroA6M板材構(gòu)成，層疊示意如圖2所示。

L01層～L06層主要構(gòu)成了變頻通道的MMIC、陶瓷濾波器、MEMS濾波器、外圍電路的封裝以及供電網(wǎng)絡(luò)；L07層～L10層主要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的帶狀線走線；L11層～L14層構(gòu)成本振分路部分器件的封裝及對(duì)應(yīng)的供電網(wǎng)絡(luò)。這3個(gè)部分通過獨(dú)立的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終構(gòu)成一個(gè)整體的LTCC基板封裝。

圖2　LTCC模塊的層疊示意圖

2.2　濾波器設(shè)計(jì)

考慮到薄膜工藝相比LTCC工藝有更好的加工精度，并且AL2O3介質(zhì)基板的介電常數(shù)更高，有利于小型化。因此射頻預(yù)選帶通濾波器選擇薄膜工藝實(shí)現(xiàn)，圖3(a)所示采用1/4波長(zhǎng)平行耦合線形式的濾波器工作頻率27.5～31 GHz，整體尺寸10 mm×2.5 mm，其中W50=0.24 mm，L50=0.54 mm分別為50 Ω微帶輸入輸出的寬度和長(zhǎng)度，W1=0.018 mm，W2=0.059 mm，W3=0.073 mm，W4=0.079 mm，L1=0.968 mm，L2=0.938 mm，L3=0.942 mm，L4=0.942 mm，S1=0.066 mm，S2=0.084mm，S3=0.126 mm，S4=0.138 mm。由圖3(b)可得出該濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)本振反向輻射抑制50.5 dB，鏡頻抑制81.4 dB，中頻抑制74.9 dB，通帶內(nèi)S11最差為-17.8 dB。

圖3　7階1/4波長(zhǎng)平行耦合線帶通濾波器

2.3　LTCC垂直與水平穿層互聯(lián)設(shè)計(jì)

LTCC水平穿墻過渡電路采用微帶-帶狀線-微帶過渡傳輸模式[8]?？梢詫⒆冾l鏈路中不同的器件隔離在不同的腔體中，結(jié)合屏蔽腔和蓋板，能夠?qū)崿F(xiàn)電路間的隔離，抑制從空間耦合的信號(hào)串?dāng)_，對(duì)滿足接收鏈路抑制及雜散指標(biāo)有重要的作用[9]。

一種經(jīng)過優(yōu)化的水平穿層互聯(lián)設(shè)計(jì)如圖4所示，在微帶線和帶狀線互聯(lián)處做匹配能夠擴(kuò)展帶寬，并獲得更好的傳輸性能。介質(zhì)基板為0.096 mm厚的FerroA6M，帶狀線為4層，微帶線介質(zhì)為2層。圖4(a)所示版圖中，微帶線線寬W1=0.44mm，帶狀線線寬W2=0.18 mm，過渡結(jié)構(gòu)L1=0.2 mm，L2=0.6 mm，W3=0.5 mm。

由圖4(b)仿真結(jié)果所示可知，該穿層結(jié)構(gòu)能夠高至50 GHz寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于-25 dB的S11。

圖4　LTCC水平穿層仿真設(shè)計(jì)

LTCC多層結(jié)構(gòu)電路經(jīng)常會(huì)被微帶到帶狀線過渡需要穿透多層接地面的問題所困擾[10]。根據(jù)圖2所示的層疊示意，基板中需要實(shí)現(xiàn)本振分路后與混頻器本振輸入端的垂直互聯(lián)。出于電磁兼容與本振分路相位控制的考慮，基板表面需盡量減少走線。微帶線—同軸穿層—帶狀線的設(shè)計(jì)仿真如圖5所示。穿層同軸的直徑為0.1 mm，考慮到LTCC燒結(jié)對(duì)位精度存在誤差，所以每層都留了直徑為0.15 mm的PAD，同時(shí)起到阻抗匹配的作用。由圖5(b)仿真結(jié)果所示可知，該穿層結(jié)構(gòu)能夠高至50 GHz寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于-20 dB的S11。

圖5　LTCC垂直穿層仿真設(shè)計(jì)

2.4　偏心帶狀線穿層傳輸線

變頻模塊2工作頻率低，主要使用帶封裝的器件，因此選擇射頻多層板。由于器件較多，6個(gè)通道分正反兩面布板，2個(gè)部分互聯(lián)以及本振分路需要內(nèi)層走線。

由于射頻多層板層壓時(shí)，相鄰FR-4板間有0.1 mm厚的半固化片，因此帶狀線位置并不位于中心，層疊結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。采用HFSS建模如圖6(a)所示。

圖6　射頻多層板偏心帶狀線穿層傳輸線仿真

由圖6(c)仿真結(jié)果所示可知，該穿層結(jié)構(gòu)能夠在低于6 GHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于-20 dB的S11。

3　電路設(shè)計(jì)與仿真

3.1　變頻模塊1的設(shè)計(jì)仿真

變頻模塊1完成了2次變頻，變頻通路采用ADS進(jìn)行仿真，仿真建模的鏈路如圖7(a)所示。圖7(b)所示，射頻通帶低端變頻增益為3.9 dB，為了使變頻鏈路獲取較高的動(dòng)態(tài)范圍，在增益分配時(shí)在保證噪聲系數(shù)滿足要求的情況下，盡量降低了變頻模塊1的增益。

圖7　變頻模塊1鏈路仿真

3.2　變頻模塊2的設(shè)計(jì)仿真

變頻模塊2完成了一次變頻，變頻通路采用ADS進(jìn)行仿真，仿真建模的鏈路如圖8(a)所示。圖8(b)所示，變頻通帶內(nèi)增益最高點(diǎn)為39.1 dB，通帶內(nèi)，增益最低點(diǎn)為38.7 dB。

圖8　變頻模塊2鏈路仿真

4　實(shí)物與測(cè)試

圖9(a)所示為加工完成的LTCC基板，體積為65 mm×47.2 mm×1.5 mm。該基板共集成了32個(gè)有源MMIC器件(放大器、倍頻器)以及71個(gè)無(wú)源器件(功分器、濾波器和混頻器等)。圖9(b)所示為加工裝配完成的小型化6通道前端，整體體積為170 mm×170 mm×20 mm。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該3次變頻6通道接收前端組件，噪聲系數(shù)小于13.5 dB，增益大于41 dB，中鏡頻抑制大于63 dBc，輸入輸出電壓駐波比小于2.0∶1，相位噪聲小于90dBc/Hz@10 kHz，能夠滿足系統(tǒng)使用要求。

圖9　實(shí)物照片

5　結(jié)束語(yǔ)

利用LTCC工藝的三維集成、水平與層間互聯(lián)的能力，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Ka頻段多通道的接收組件。通過將變頻鏈路與本振鏈路放置于LTCC基板的正反兩面通過基板互聯(lián)，避免了使用電纜互聯(lián)，從而有效的減小了體積。實(shí)際上如果利用LTCC的無(wú)源器件內(nèi)埋能力，將本振分路以及射頻濾波埋置到LTCC基板內(nèi)部[11-12]，利用LTCC的層疊能力，將一本振、二本振乃至變頻模塊2同變頻模塊1進(jìn)行多層集成，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化[13-14]，這有賴于進(jìn)一步的工作。