基于HTCC工藝的短磚式毫米波收發(fā)模組技術(shù)研究

趙 怡，田 野，毛 繁，安春全，蔣創(chuàng)新，余懷強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶400060)

0 引言

近年來，隨著新一代電子系統(tǒng)對多功能、大帶寬的迫切需求，有源相控陣天線在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域都有重要的作用[1]。T/R模組作為有源相控陣天線的核心關(guān)鍵部件之一，其性能指標(biāo)、尺寸及質(zhì)量等參數(shù)對天線系統(tǒng)也至關(guān)重要。隨著固態(tài)微波器件技術(shù)迅速發(fā)展，不管從技術(shù)本身發(fā)展趨勢還是系統(tǒng)應(yīng)用需求來看，T/R模組都向小尺寸及高工作頻率發(fā)展。雖然目前X波段、Ku波段等微波T/R模組技術(shù)日趨成熟，然而并不能滿足新一代電子系統(tǒng)對相控陣天線更小、更輕、更大帶寬的技術(shù)要求，所以Ka波段、W波段等毫米波T/R模組技術(shù)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[2-3]。

現(xiàn)如今低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝已成為微波毫米波組件最常用的加工手段之一[4-5]，但在平面圖形及垂直過孔的制備過程中，通常采用貴重金屬金或銀作為導(dǎo)體材料，制備成本高，且LTCC基板力學(xué)性能較差，不適合作為封裝管殼的電路基板，對于尺寸較大的LTCC基板通常需要使用額外的金屬外殼進(jìn)行封裝，因此難以實(shí)現(xiàn)小型化高密度集成。

高溫共燒陶瓷(HTCC)工藝是采用Al2O3或AlN材料作為介質(zhì)材料，鎢金屬作為導(dǎo)體材料，在1 600 ℃左右共燒制備多層陶瓷電路基板的一種加工工藝。與LTCC工藝相比，HTCC的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性較優(yōu)，通過底部金屬載板支撐，能直接作為封裝管殼的基板；且具有成本低及適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計并加工了一種基于Al2O3材料的HTCC電路基板，結(jié)合多芯片組裝工藝研制出了具有8個收發(fā)通道的Ka波段T/R模組，由于采用HTCC平面?zhèn)鬏斶^渡和屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了毫米波信號的穩(wěn)定傳輸及良好的通道間性能一致性。

1 T/R模組設(shè)計

1.1 T/R模組電路架構(gòu)設(shè)計

圖1為本文提出的一種T/R模組電路原理框圖。接收鏈路實(shí)現(xiàn)毫米波信號的低噪聲放大，幅相控制和功率合成；發(fā)射鏈路實(shí)現(xiàn)毫米波信號的功率分配，相位控制和功率放大。T/R模組由功分器、幅相多功能芯片和收發(fā)芯片組成，其中幅相多功能芯片采用0.13 μm SiGe工藝制程設(shè)計加工，實(shí)現(xiàn)毫米波信號的幅相控制與放大；收發(fā)多功能芯片采用0.15 μm GaAs工藝制程設(shè)計加工，完成毫米波信號的功率放大與低噪聲放大。

1.2 T/R模組結(jié)構(gòu)設(shè)計

與傳統(tǒng)HTCC管殼設(shè)計相比，該T/R模組結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在HTCC底座上完成多種芯片的高密度集成，因此，其結(jié)構(gòu)更緊湊。設(shè)計過程中不僅需要考慮整體結(jié)構(gòu)、器件散熱和氣密封設(shè)計等外殼參數(shù)外，還需要對涉及電性能的端口駐波、通道間隔離、絕緣性、導(dǎo)通電阻和基座接地進(jìn)行針對性仿真設(shè)計。

如圖2所示，T/R模組主要由底部金屬載板、HTCC電路基板、可伐圍框和蓋板組成。其中底部金屬載板采用熱膨脹系數(shù)與Al2O3相近的銅鉬銅載板，并同時為模組提供良好的導(dǎo)熱性能，該結(jié)構(gòu)可通過螺栓與外部單機(jī)外殼進(jìn)行可靠的連接。HTCC電路基板是底座的主體結(jié)構(gòu)，采用Al2O3陶瓷材料作為介質(zhì)材料，其介電常數(shù)為9.8(1 MHz下)，介質(zhì)損耗角正切為0.003，HTCC電路基板表面的金屬導(dǎo)體采用金屬鎢漿料，其電阻率為5.51 mΩ·cm。該T/R模組通過內(nèi)部多層布線與過孔實(shí)現(xiàn)毫米波信號、供電與控制信號的互連傳輸，而可伐圍框與蓋板共同為模組內(nèi)裸芯片提供良好的氣密封環(huán)境。

1.3 毫米波信號平面?zhèn)鬏斶^渡與屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著T/R模組的工作頻率越高，設(shè)計不當(dāng)?shù)男盘杺鬏斁€因高頻寄生效應(yīng)帶來的信號惡化也越明顯，其中信號傳輸和屏蔽的設(shè)計是影響信號質(zhì)量的關(guān)鍵因素。為了滿足T/R模組內(nèi)部的氣密封要求，毫米波信號需要實(shí)現(xiàn)HTCC“穿墻過渡”，即毫米波信號需要從一個分腔內(nèi)部穿過HTCC隔墻傳輸過渡到該分腔外部。

圖3為本文提出的一種傳輸線過渡的基本結(jié)構(gòu)模型，共采用6層Al2O3介質(zhì)層，其中共面波導(dǎo)的介質(zhì)為3層，帶狀線上下介質(zhì)各為3層，每層介質(zhì)燒結(jié)后的厚度約80 μm，即H1=H2=240 μm。圖3中，W1為微帶線的寬度，W2為帶狀線的寬度，d1為平行于信號傳輸方向兩排屏蔽過孔的距離，d2為貫穿6層介質(zhì)的垂直接地過孔Via1圓心距離開槽介質(zhì)邊緣的距離。在高密度電路基板設(shè)計過程中，d1和d2的合理設(shè)計對信號過渡傳輸影響較大。

通過HFSS軟件優(yōu)化仿真得出W1=230 μm，W2=90 μm。為了保證HTCC內(nèi)埋微波傳輸線的傳輸特性，兩種接地孔(Via1和Via2)通過合理設(shè)計，分別分布在帶狀線和共面波導(dǎo)的兩側(cè)。其中Via1為貫穿6層介質(zhì)的垂直接地過孔，Via2為僅貫穿下3層介質(zhì)的垂直接地過孔，這兩種過孔共同組成信號過渡與屏蔽作用。

設(shè)計師總希望d1能盡量小，使電路具有更高集成度。圖4為上述平面?zhèn)鬏斶^渡結(jié)構(gòu)在不同d1下插入損耗S21的變化曲線。當(dāng)d1=0.4 mm時，因屏蔽過孔距離較近，影響了信號傳輸?shù)男Ч箓鬏敁p耗有一定惡化，同時信號幅度平坦度也隨之變差；當(dāng)d1=1.2 mm時，屏蔽過孔距離較遠(yuǎn)，電磁波傳輸效率降低，一定程度上惡化了信號的傳輸質(zhì)量。經(jīng)過優(yōu)化分析，當(dāng)d1=0.8 mm時，信號的傳輸質(zhì)量最佳，插入損耗S21≤0.35 dB。在工程設(shè)計時，必須根據(jù)電路板加工工藝進(jìn)行容差分析，排除因加工公差導(dǎo)致信號傳輸?shù)膼夯?/p>

設(shè)計師在選擇d2時需考慮電性能與加工工藝要求。因受HTCC加工工藝限制，Via1距離開槽介質(zhì)邊緣的距離不能低于加工工藝要求，否則在HTCC加工過程中將出現(xiàn)介質(zhì)邊緣“破孔”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致HTCC內(nèi)部走線存在“開路”甚至“短路”的風(fēng)險。圖5為平面?zhèn)鬏斶^渡結(jié)構(gòu)在不同d2下S21的變化曲線。當(dāng)d2=0.35 mm時，S21≤0.35 dB，能夠滿足工程使用需求；當(dāng)d2=0.55 mm或d2=0.75 mm時，S21呈現(xiàn)出了不同程度的惡化，在該情況下整個鏈路幾乎不可使用。

圖6為通過HFSS仿真工具查看傳輸信號頻率為37 GHz時不同d2下的電場分布云圖。當(dāng)d2=0.55 mm時，共面波導(dǎo)到帶狀線的過渡區(qū)域出現(xiàn)了電場分布異常的狀態(tài)，從而導(dǎo)致電磁波能量無法有效地從端口1傳播到端口2。當(dāng)d2=0.35 mm時，可看到電磁波在共面波導(dǎo)傳輸線、帶狀線和共面波導(dǎo)到帶狀線過渡的各個階段都能實(shí)現(xiàn)比較良好的傳輸，信號能量被束縛在傳輸方向兩側(cè)的屏蔽孔內(nèi)。經(jīng)過上述分析并結(jié)合工程經(jīng)驗，最終取d1=0.8 mm，d2=0.4 mm。

2 T/R模組加工與測試

2.1 T/R模組加工結(jié)果

圖7為采用HTCC工藝加工出的Ka波段短磚式T/R模組實(shí)物照片，整個T/R模組尺寸僅為36 mm×33 mm×3 mm，具有8個通道的收發(fā)移相、衰減及放大等電路功能。由圖可看出，與天線端口相連的毫米波信號輸出端口在輸出端面均勻分布，毫米波信號輸入端口和直流信號焊盤依次分布在輸入端面，各個端面的引線鍵合滿足GJB548B的引線鍵合強(qiáng)度要求，可實(shí)現(xiàn)與外部電路的穩(wěn)定互連。

2.2 微波性能測試

為了準(zhǔn)確測試HTCC基座毫米波信號傳輸線S參數(shù)性能，選用了中國電子科技集團(tuán)公司第四十一所的3672C型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Cascade公司的ACP50-A-GSG-450型GSG探針進(jìn)行測試，如圖8所示。圖9為采用共面波導(dǎo)-帶狀線平面過渡結(jié)構(gòu)的信號傳輸線的S21曲線仿真與實(shí)測對比圖。由圖可看出，頻率30～40 GHz內(nèi)仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，在40 GHz下S21相差僅為0.2 dB。

針對T/R模組的主要性能參數(shù)進(jìn)行了測試，其中部分通道的接收增益、噪聲系數(shù)、發(fā)射輸出功率測試結(jié)果如表1所示。由表可看出，通道間的各項指標(biāo)一致性較好。

表1 T/R模組主要性能參數(shù)測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于HTCC工藝的Ka波段短磚式T/R模組，在36 mm×33 mm×3 mm的尺寸下實(shí)現(xiàn)了8個收發(fā)通道的高密集成。通過對共面波導(dǎo)-帶狀線平面?zhèn)鬏斶^渡優(yōu)化設(shè)計，在工作頻率為40 GHz時實(shí)現(xiàn)了HTCC“穿墻過渡”插入損耗小于0.9 dB。T/R模組在工作頻帶內(nèi)的增收增益為24 dB±1.9 dB，噪聲系數(shù)≤5.1 dB，單通道輸出功率≥23 dBm。采用該設(shè)計方法，在Ka波段及以下頻率能夠使用HTCC工藝替代LTCC工藝實(shí)現(xiàn)T/R模組的高密度集成、小型化設(shè)計及批量生產(chǎn)，具有尺寸小，輕薄化，信號傳輸穩(wěn)定及通道間一致性好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于新一代小型化有源相控陣天線系統(tǒng)。