面向低軌衛(wèi)星通信的K波段LTCC多通道集成接收前端模塊

徐仲麟，吳林晟，佘勝團(tuán)，吳毓英，毛軍發(fā)，葉雯燚

（1. 高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海 201100；2. 廣州潤芯信息技術(shù)有限公司，廣東廣州510700；3. 上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201100）

1 引言

低軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星通信可以在寬帶互聯(lián)條件下提供高速多媒體傳輸，包括但不限于語音、數(shù)據(jù)、圖像以及視頻等信息. 低軌衛(wèi)星通信是對(duì)地面無線通信的重要補(bǔ)充，是構(gòu)建下一代空-天-地-海一體化寬帶無線通信系統(tǒng)從而大幅提高通信覆蓋范圍的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一［1］. 接收前端對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大和多通道幅相控制，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中扮演著重要角色，接收前端的性能直接影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收鏈路的性能. 另外，無線通信系統(tǒng)朝著高速率、多功能化的方向快速發(fā)展. 隨著工作頻段不斷升高，天線單元間距明顯縮小，高頻傳輸損耗和寄生效應(yīng)越來越顯著，射頻前端小型化和高集成的需求變得越來越迫切. 因此，研發(fā)高性能的集成接收前端模塊對(duì)滿足低軌衛(wèi)星通信應(yīng)用需求十分重要［2］.

系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package，SiP）技術(shù)充分融合了半導(dǎo)體、微組裝與先進(jìn)封裝工藝的優(yōu)勢(shì)，所需的各類功能芯片采用各自最優(yōu)的工藝實(shí)現(xiàn)，無源器件與互連器件嵌入多層封裝基板內(nèi)部，芯片與封裝基板三維堆疊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高集成度和高性能［3］.SiP技術(shù)由于克服了單一半導(dǎo)體材料工藝的限制，在三維集成方面具有突出優(yōu)勢(shì)，并為散熱設(shè)計(jì)提供了多樣化的有效方案以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，因此已成為目前高性能集成射頻前端模塊的重要解決方案［4］.

射頻SiP 的主要實(shí)現(xiàn)工藝有多層低溫共燒陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC）技術(shù)、高密度互連基板技術(shù)、晶圓級(jí)扇出封裝技術(shù)、硅基三維集成技術(shù)等. 其中，LTCC 工藝將多層陶瓷基板壓接的三維封裝工藝. 它可以將各類無源器件，包括薄膜電阻、電容、傳輸線等集成到多層陶瓷基板內(nèi)部，并與貼裝在基板表面或腔體內(nèi)的有源器件芯片連接.LTCC 多層布線與埋置組件更容易進(jìn)行高密度集成前端模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)具有較好的加工精度和良好的穩(wěn)定性［5］. 目前，基于LTCC 的射頻SiP［6］已受到國內(nèi)外學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注.

2002 年，Lee 等人［7］提出了用于Ku 波段衛(wèi)星通信的LTCC 單通道發(fā)射SiP 模塊，集成了商用的GaAs MESFET MMIC，通道增益為41 dB，輸出功率為26 dBm，驗(yàn)證了高密度集成SiP 射頻前端的可行性. 2011 年，Karim 等人［8］將工作在60 GHz 的4×4 天線陣列與一顆GaAs 低噪聲放大器芯片或一顆CMOS 開關(guān)鍵控（OOK）發(fā)射機(jī)芯片集成為SiP，設(shè)計(jì)中對(duì)鍵合線的寄生效應(yīng)進(jìn)行了補(bǔ)償，集成低噪放芯片的天線陣列峰值增益約為35 dBi，集成了發(fā)射機(jī)芯片的有源天線陣列支持2 Gb/s 數(shù)據(jù)發(fā)射，能耗僅13.2 pJ/bit.2015 年，北京電信衛(wèi)星研究所李銀橋等人［9］基于LTCC 工藝設(shè)計(jì)了一款Ka 頻段單路收發(fā)前端，集成了低噪放、移相器、衰減器、開關(guān)、驅(qū)放和功放等有源MMIC，帶通濾波器和傳輸線過渡結(jié)構(gòu)在LTCC 基板內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，整體尺寸為36×20×1.1 mm3. 該接收機(jī)的增益為33 dB，噪聲信號(hào)小于4.2 dB；發(fā)射機(jī)輸出功率大于24.6 dBm，測(cè)試增益大于25 dB.2018 年，中電54 所王璇等人［10］采用LTCC 結(jié)合薄膜工藝研制了一款Ka 頻段六通道接收前端組件，集成了32 顆有源MMIC 和71 顆無源器件，整體尺寸為65×47.2×1.5 mm3，如果采用LTCC 工藝實(shí)現(xiàn)嵌入式濾波器則有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度. 多層LTCC技術(shù)還被用于更高頻段的三維集成射頻前端實(shí)現(xiàn)當(dāng)中.2016年，Tajima等人［11］基于LTCC工藝設(shè)計(jì)了一款300 GHz、數(shù)據(jù)率高達(dá)27 Gb/s的短距離通信集成前端系統(tǒng)，還集成了一個(gè)直徑6 mm 的硅透鏡，整體尺寸為10×10×4 mm3. 總體來說，目前還較少有多通道高頻段三維集成前端SiP模塊相關(guān)的報(bào)道.

本文面向低軌衛(wèi)星通信，研發(fā)了一款工作在K 波段的LTCC 四通道集成接收前端模塊，具有幅度和相位控制功能. 首先研究了接收前端模塊的系統(tǒng)架構(gòu)和低噪聲放大器、移相器、衰減器等芯片選型，然后針對(duì)嵌入到多層基板內(nèi)部的低通濾波器、功率合成器等無源器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對(duì)鍵合線的高頻寄生效應(yīng)提出了補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而研制了整個(gè)集成接收前端模塊及其控制板. 該模塊鏈路增益、噪聲系數(shù)、對(duì)發(fā)射頻段的抑制度、相位和幅度控制誤差等性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期，驗(yàn)證了本集成SiP 方案的正確性和有效性.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)與系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足低軌衛(wèi)星通信接收前端技術(shù)需求，本文研制的K波段集成接收模塊的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）工作頻帶為17.7～20.2 GHz；

（2）通道數(shù)為4；

（3）單通道增益≥36 dB；

（4）單通道噪聲系數(shù)≤2 dB；

（5）幅度控制為5位；

（6）相位控制為6位；

（7）對(duì)28～30 GHz發(fā)射頻段的抑制≥50 dBc；

（8）面積為28×28 mm2.

根據(jù)上述指標(biāo)，主要器件選型信息如表1 所示，均為GaAs芯片.

表1 器件選型

圖1展示了單通道接收鏈路框圖，包括兩級(jí)低噪聲放大器、濾波器、衰減器、移相器以及用于控制移相器和衰減器的串并轉(zhuǎn)換芯片等. 其中，濾波器、衰減器、移相器等無源器件位于兩級(jí)低噪放之間，可降低鏈路局部增益過高可能造成的風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)置于第一級(jí)低噪放之后的低通濾波器由嵌入LTCC 多層基板中的帶狀線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可對(duì)發(fā)射28～30 GHz 頻段提供較高的抑制度.圖1 上標(biāo)注了互連的傳輸損耗和經(jīng)過各級(jí)器件后鏈路增益的數(shù)值. 第一級(jí)低噪放輸入端的互連包括一根鍵合線和LTCC 基板上的傳輸結(jié)構(gòu)，各級(jí)芯片之間采用鍵合線及基板上的傳輸線進(jìn)行互連，第一級(jí)前互連和級(jí)間互連的插入損耗分別按照0.3 dB和0.4 dB預(yù)估，主要由鍵合線引入. 自第一級(jí)低噪放輸入端互連開始，經(jīng)過兩級(jí)低噪放、濾波器、衰減器、移相器及各級(jí)間互連器件后，到達(dá)該鏈路的輸出端，累計(jì)增益約為37.6 dB.

圖1 單通道接收鏈路框圖

對(duì)于接收鏈路，進(jìn)行鏈路預(yù)算時(shí)主要考量通道增益與噪聲系數(shù)指標(biāo). 對(duì)于由不同器件與傳輸結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)而成的接收鏈路，其整體噪聲系數(shù)Ftotal可由下式計(jì)算得到：

其中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)n分別代表鏈路中從輸入端開始第1 級(jí)、第2級(jí)、第n級(jí)器件的噪聲系數(shù)；G1，G2，Gn分別代表各級(jí)的增益. 前級(jí)器件的噪聲系數(shù)與增益對(duì)于接收鏈路整體噪聲指標(biāo)影響較大，將低噪聲放大器放置在鏈路前級(jí)，可有效壓制后級(jí)器件對(duì)于噪聲性能的不利影響. 在接收前端模塊實(shí)現(xiàn)中，低噪放前無源互連器件的損耗對(duì)接收鏈路噪聲系數(shù)的影響不可忽略，應(yīng)做好傳輸匹配，盡量降低互連損耗. 將低噪放噪聲系數(shù)1.3 dB 和增益25 dB代入式（1）可得，接收通道經(jīng)過輸入端無源互連器件及第一級(jí)低噪放后，噪聲系數(shù)為1.6 dB. 將濾波器、衰減器、移相器及其互連組成的無源電路整體視為一級(jí)，其插入損耗約為11.9 dB（衰減器基態(tài)）. 經(jīng)過該無源電路后鏈路噪聲系數(shù)約為1.74 dB，經(jīng)過末級(jí)低噪放后，鏈路的噪聲系數(shù)約為1.79 dB. 由此，單通道接收鏈路增益和噪聲系數(shù)相比設(shè)計(jì)目標(biāo)均有一些余量.

圖2 為LTCC 四通道接收前端模塊的原理框圖. 該接收前端的工作頻帶主要由射頻電路、控制及電源構(gòu)成，外部接口包含1個(gè)公共的射頻輸出端口、4個(gè)天線輸入端口及電源、控制接口等. 具體模塊介紹如下.

圖2 四通道射頻接收前端模塊原理框圖

（1）射頻電路：包括4個(gè)接收通道，每個(gè)通道主要包括兩級(jí)低噪聲放大器、用于抑制發(fā)射頻段的低通濾波器、衰減器和移相器，4個(gè)通道經(jīng)功率合成器后輸出.

（2）控制電路：每個(gè)通道都配有1個(gè)串并轉(zhuǎn)換芯片，為數(shù)控衰減器和數(shù)控移相器提供邏輯電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收通道移相量、幅度衰減量的控制.

（3）去耦電路：低噪聲放大器、串并轉(zhuǎn)換芯片等的供電通過多層陶瓷電容在模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)第一級(jí)去耦.

該接收前端模塊中總共集成了20個(gè)GaAs 芯片、16個(gè)陶瓷電容，以及嵌入多層LTCC 基板中的4 個(gè)低通濾波器和1個(gè)4路功率合成器.

多通道集成接收模塊封裝引腳與芯片引腳之間的連接關(guān)系如圖3 所示，圖中紅線代表射頻信號(hào)，黑線代表控制和供電信號(hào). 每條鏈路配備1 個(gè)串并轉(zhuǎn)換芯片，用來提供衰減器和移相器的控制信號(hào). 串并轉(zhuǎn)換芯片24～20 端口對(duì)應(yīng)衰減器的1～5 端口，12～8 端口對(duì)應(yīng)移相器的1～5 端口，5～1 端口對(duì)應(yīng)移相器的6～10 端口，共使用串并轉(zhuǎn)換芯片中15個(gè)端口，有9個(gè)端口空載.4個(gè)串并轉(zhuǎn)換芯片采用數(shù)據(jù)與時(shí)鐘接口串聯(lián)拓展，僅需要第一路引出數(shù)據(jù)與時(shí)鐘輸入接口，即可完成4路數(shù)據(jù)與時(shí)鐘寫入.4個(gè)串并轉(zhuǎn)換芯片供電并聯(lián)，僅需要第一路引出正負(fù)2 個(gè)供電輸入端口.4 個(gè)串并轉(zhuǎn)換芯片的使能輸入單獨(dú)引出，每條通道2 個(gè)低噪放共用1 條漏壓供電通道，共引出4條LNA漏壓供電，方便進(jìn)行單鏈路調(diào)試測(cè)試.

圖3 芯片和封裝引腳連接關(guān)系

2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)

本文使用的LTCC 基板材料為Ferro A6，相對(duì)介電常數(shù)為εr=5.76，損耗角正切為tanδ=0.002. 每層陶瓷基板燒結(jié)后的厚度為96 μm，金屬厚度為10 μm，金屬化通孔的直徑為127 μm. 圖4為嵌入LTCC多層基板中的帶狀線低通濾波器結(jié)構(gòu)，采用1/4波長開路支節(jié)線濾波器拓?fù)洌瑑啥送ㄟ^金屬化過孔由帶狀線過渡到微帶線形式. 該濾波器帶狀線部分由4層LTCC瓷帶構(gòu)成，外側(cè)由金屬化過孔陣列包圍以保證電磁屏蔽，面積約為2.4×6 mm2.

圖4 低通濾波器結(jié)構(gòu)

圖5給出了該低通濾波器的全波仿真結(jié)果，其截止頻率為22.5 GHz，在17.7～20.2 GHz 頻段內(nèi)插入損耗為0.4～0.6 dB，回波損耗大于18 dB，在28～30 GHz 頻段內(nèi)插入損耗大于35 dB. 因此，該濾波器可以有效提高接收模塊對(duì)發(fā)射頻段的抑制度，并對(duì)接收頻段影響較小，有更好的接收效果.

圖5 低通濾波器的全波仿真結(jié)果

2.3 四路功率合成器設(shè)計(jì)

圖6為所設(shè)計(jì)的四路功率合成器結(jié)構(gòu)，其由兩級(jí)二路等功分帶狀線Wilkinson 功分器級(jí)聯(lián)而成. 帶狀線周圍布有金屬化過孔陣列，用于連接上下地面，并提供良好的隔離效果，避免電磁干擾和寄生諧振. 功率合成器的5 個(gè)輸入/輸出端口均通過金屬化過孔組成的準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)引至上層，實(shí)現(xiàn)與基板表面微帶線的過渡以及與其他元器件的連接. 傳統(tǒng)Wilkinson 功分器的端口阻抗均為50 Ω，用于阻抗匹配的1/4波長傳輸線特性阻抗為70.7 Ω. 但由4 層瓷帶構(gòu)成的LTCC 基板中70.7 Ω 帶狀線的導(dǎo)帶寬度為40μm，不符合本文采用的LTCC 工藝最小線寬70μm的限制. 出于集成前端模塊整體厚度與成本方面的考量，未采用增加瓷帶層數(shù)即基板厚度的方式以增大傳輸線導(dǎo)帶寬度. 將2路功分器端口阻抗和中間傳輸線的特性阻抗均設(shè)為25 Ω，1/4 波長傳輸線的特性阻抗相應(yīng)調(diào)整為35.35 Ω，隔離電阻調(diào)整為50 Ω. 為實(shí)現(xiàn)對(duì)外50 Ω 的端口阻抗，在每個(gè)端口增加特性阻抗為35.35 Ω 的1/4波長傳輸線阻抗變換器.4層瓷帶介質(zhì)厚度為384μm，25 Ω，35.35 Ω 和50 Ω 帶狀線的導(dǎo)帶寬度分別為419 μm，244 μm 和124 μm，均滿足工藝要求.功率合成器整體面積約為12.5×20 mm2.

圖6 功率合路器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7展示了所設(shè)計(jì)的功率合成器的全波仿真結(jié)果.鑒于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，輸入端口2與端口5、端口3與端口4 分別對(duì)稱，圖中只展示了部分具有代表性的曲線. 在17.7～20.2 GHz 頻段內(nèi)，輸入到輸出端口的插入損耗約6.8 dB，考慮到四路功率分配插損理想值為6 dB，該電路引入的額外插損為0.8 dB. 輸出端口1 的反射系數(shù)在-21 dB 以下，輸入端口的反射系數(shù)優(yōu)于-18.5 dB，保證其在前端系統(tǒng)中與其他電路連接時(shí)不易引入額外反射和寄生諧振. 在工作頻帶內(nèi)，該功率合成器各輸入端口的幅度差異小于0.02 dB，相位相差小于0.2°，平衡度較好. 該四路功率合成器也具有良好的輸入端口間隔離特性，相鄰輸入端口間隔離度優(yōu)于21 dB，非相鄰輸入端口間隔離優(yōu)于26 dB.

圖7 功率合路器全波仿真結(jié)果

2.4 鍵合線補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在三維SiP 結(jié)構(gòu)中，射頻芯片通過導(dǎo)電銀膠貼裝到LTCC 基板表面，芯片與微帶線、控制線之間通過直徑25 μm 的金絲鍵合線實(shí)現(xiàn)電氣連接. 隨著工作頻段的升高，鍵合線帶來的寄生效應(yīng)愈發(fā)顯著，會(huì)引入一定的失配和損耗，特別對(duì)噪聲系數(shù)等指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響，需要采用額外的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來優(yōu)化傳輸特性. 鍵合線具有較強(qiáng)的感性，可使用容性結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償. 圖8 所示是鍵合線以及補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)示意圖，等效電路模型如圖9 所示. 雙線鍵合線由芯片射頻口的信號(hào)電極引出，另一端接在LTCC 基板表面微帶線焊盤上，等效為電感Lwb. 連接鍵合線的微帶線焊盤面積較大，并在焊盤下方設(shè)置一片同樣大小的接地貼片以進(jìn)一步增大并聯(lián)電容Cp，見式（2）. 貼片后設(shè)置了一段高阻抗傳輸線，提供串聯(lián)電感Ls，端口阻抗為Z0. 當(dāng)滿足下式時(shí)，工作頻帶內(nèi)具有較好的匹配特性［12］.

圖8 鍵合線補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

圖9 鍵合線及其補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的等效電路模型

圖10 比較了采用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)前后的全波仿真結(jié)果.采用所設(shè)計(jì)的鍵合線補(bǔ)償結(jié)構(gòu)后，在17.7～20.2 GHz 接收頻段內(nèi)，回波損耗增加了18 dB 以上，插入損耗減小了0.2～0.3 dB. 因此，該鍵合線補(bǔ)償方案對(duì)改善互連器件傳輸特性具有顯著效果，進(jìn)而對(duì)接受鏈路的噪聲系數(shù)有較大改善.

圖10 采用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)前后全波仿真結(jié)果比較

2.5 三維集成接收前端模塊設(shè)計(jì)

圖11 給出了整個(gè)集成接收前端模塊的結(jié)構(gòu)圖，總共使用了13 層LTCC 瓷帶，以L1～L13 表示. 其中，L1～L4層構(gòu)成口狀圍墻結(jié)構(gòu)，所有射頻與控制信號(hào)都通過位于圍墻頂部M1金屬層的接口輸入輸出.

圖11 集成接收前端模塊的層疊示意

在L5 層表面的M5 金屬層上布有用于貼裝芯片的大面積金屬地以及傳輸射頻信號(hào)的微帶線，控制線和供電線主要分布在M5和M6金屬層上. 通過合理布局，射頻信號(hào)線與控制、供電線均互不干擾. 基板L7～L10為帶狀線功率合成器和4 個(gè)低通濾波器的介質(zhì)層，M7和M11 金屬層為帶狀線的上、下金屬地面，帶狀線導(dǎo)帶位于M9 金屬層上.M12 金屬層也用于供電線和邏輯控制信號(hào)互連，L13介質(zhì)底部的M14金屬層是整個(gè)接收模塊地平面. 不同金屬地平面通過金屬化過孔陣列連接，以實(shí)現(xiàn)良好的接地效果和電磁屏蔽.

3 測(cè)量結(jié)果與分析

加工完成的集成接收前端模塊及其控制板如圖12所示，接收前端模塊的整體尺寸為28×28×1.35 mm3.圖13 為控制板電路原理圖. 控制板為集成接收前端模塊提供了外部電源管理與數(shù)控接口，控制板引出+7 V與-6 V 兩個(gè)電源接口，通過板內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換芯片為模塊中和控制板上各芯片提供所需的電壓（包括+5 V，+3.3 V，-5 V）和使能信號(hào). 數(shù)字控制信號(hào)由單片機(jī)以串行碼的方式輸入.

圖12 集成接收前端模塊及其控制板

圖13 接收模塊控制板電路原理圖（續(xù)）

圖13 接收模塊控制板電路原理圖

將其他3 個(gè)通道供電關(guān)斷時(shí)，單通道基態(tài)的S 參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖14所示.

圖14 單通道基態(tài)測(cè)量結(jié)果

該通道帶內(nèi)傳輸增益大于31.5 dB，注意單通道測(cè)量時(shí)四路功率合成器會(huì)引入約6.8 dB 的插入損耗，因此單通道接收鏈路增益約為38.3 dB. 在28～30 GHz頻段內(nèi)，|S21|小于-30 dB，因此其對(duì)發(fā)射頻段的抑制度超過61.5 dBc，主要來源于前級(jí)低通濾波器. 圖15為4 個(gè)通道分別測(cè)試的噪聲系數(shù)，在17.7～20.2 GHz 頻段內(nèi)為1.7～1.9 dB，該結(jié)果與此前估算的數(shù)值相吻合.

圖15 四通道噪聲測(cè)試結(jié)果

圖16 給出各種幅度控制條件下的測(cè)量結(jié)果，此時(shí)移相器處于基態(tài). 表2總結(jié)了5位衰減器從0.5～15.5 dB 各衰減狀態(tài)的幅度控制誤差，均在±1 dB以內(nèi).

表2 不同衰減態(tài)幅度控制誤差

圖16 幅度控制功能測(cè)量結(jié)果

圖17 給出了各種相位控制條件下的相移結(jié)果，此時(shí)衰減器處于最大衰減態(tài)，表3 列出了6 位移相器從5.625°到180°的相位控制誤差，均在-3.7°～4.7°以內(nèi).

表3 不同移相態(tài)相位控制誤差

圖17 相位控制功能測(cè)量結(jié)果

表4對(duì)比了相近頻段不同LTCC射頻前端模塊尺寸和性能. 文獻(xiàn)［10］中濾波器采用薄膜工藝單獨(dú)實(shí)現(xiàn)后安裝在LTCC 表層，再通過鍵合線與LTCC 表面的傳輸線互連，未充分利用LTCC 基板埋置和三維集成能力，并可能引入更多的互連損耗. 文獻(xiàn)［7］和［9］較好地利用了多層LTCC 的集成優(yōu)勢(shì)，在LTCC 基板內(nèi)部嵌入了無源器件，使得前端整體的集成度有所提升. 但這兩項(xiàng)工作的通道數(shù)量僅1～2，總器件數(shù)量較少，互連器件和系統(tǒng)復(fù)雜度都相對(duì)較低. 本文為滿足低軌衛(wèi)星通信多通道集成接收前端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需求，對(duì)器件安裝布局和互連網(wǎng)絡(luò)布線設(shè)計(jì)都進(jìn)行整體優(yōu)化，充分利用多層LTCC 三維互連和嵌入無源器件的突出優(yōu)勢(shì)，在LTCC基板內(nèi)部嵌入了一個(gè)4 路功分器和4 個(gè)低通濾波器，結(jié)構(gòu)十分緊湊，單位面積集成器件密度進(jìn)一步提高. 而且，由于本文對(duì)輸入端互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化補(bǔ)償，插入損耗和回波損耗都有所改善，接收鏈路噪聲系數(shù)也顯著優(yōu)于其他文獻(xiàn)報(bào)道.

表4 不同前端模塊性能對(duì)比

4 結(jié)論

綜上所述，本文基于GaAs射頻芯片和多層LTCC封裝工藝，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款K 波段四通道集成接收前端SiP模塊. 該前端模塊集成了低噪放、移相器、衰減器、串并轉(zhuǎn)換芯片和去耦電容，將低通濾波器和四路功率合成器嵌入到三維封裝基板中，并對(duì)鍵合互連寄生效應(yīng)進(jìn)行了補(bǔ)償. 單個(gè)接收通道的帶內(nèi)增益測(cè)試結(jié)果優(yōu)于38.3 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于1.9 dB，帶外抑制度優(yōu)于61.5 dBc，增益和噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果與預(yù)測(cè)值較為吻合，且幅度和相位控制的測(cè)量結(jié)果較好，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性和有效性. 所研發(fā)的LTCC多通道集成接收前端模塊具有集成度高、增益高、抑制度高、噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步與封裝天線陣列一體化集成，在低軌衛(wèi)星通信前端系統(tǒng)中具有較好的潛在應(yīng)用價(jià)值.