適用于數(shù)字T/R 組件的小型化三維SiP 收發(fā)變頻模塊設(shè)計

宋俊欣，楊旭，潘碑，柳超

（南京電子器件研究所，南京210016）

1 引言

近年來，隨著GaAs、GaN 和單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)的發(fā)展[1-2]，有源相控陣?yán)走_(dá)[3]以其各種優(yōu)勢，逐步成為目前主流的雷達(dá)模式。在軍用領(lǐng)域，隨著成本逐漸降低，越來越多的新研雷達(dá)在設(shè)計上都會選用有源相控陣的模式。收發(fā)（T/R）組件[3]作為有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，對小型化、低成本的要求較高，傳統(tǒng)的模擬T/R 組件通常采用多芯片組件（MCM）式的一體化設(shè)計[4]。相較于模擬T/R 組件，數(shù)字T/R 組件每個通道需要增加2 次變頻功能，功能上更復(fù)雜，單個組件需用的器件數(shù)量遠(yuǎn)大于模擬T/R 組件數(shù)量。如果仍采用MCM 式的一體化設(shè)計，會給裝配和調(diào)試帶來較大難度，生產(chǎn)效率難以大幅提高。

三維系統(tǒng)級封裝（SiP）模塊[5]利用三維堆疊技術(shù)和球柵陣列（BGA）封裝技術(shù)，為一直以來微波組件模塊化的難題提供了兼顧小型化和模塊化的解決方案。三維堆疊技術(shù)可大幅提高模塊內(nèi)部的集成度，同時利用金屬陶瓷BGA 封裝的自屏蔽特性，可省去傳統(tǒng)微波組件中占用大量空間的金屬隔墻，大幅度節(jié)省組件空間。

結(jié)合數(shù)字T/R 組件目前遇到的問題和三維SiP 模塊的發(fā)展情況，本文提出了適用于多通道數(shù)字T/R 組件的模塊化解決方案，并介紹了工作在Ku 波段和S波段的2 種小型化SiP 變頻模塊的研制情況。

2 數(shù)字T/R 組件模塊化方案

數(shù)字T/R 組件模塊化設(shè)計原理如圖1 所示。數(shù)字T/R 組件通常包含2 次變頻功能，可將單個通道拆分為1 個前端模塊和2 個變頻模塊。前端模塊包含功率放大器、低噪聲放大器和環(huán)形器（或大功率開關(guān)），2 個變頻模塊共同實現(xiàn)2 次變頻功能。前端模塊由于包含功率器件，在設(shè)計時需優(yōu)先考慮模塊的散熱性能，且環(huán)形器尺寸較大，所以不適合采用SiP 模塊進(jìn)行實現(xiàn)。變頻模塊一般功耗較小，設(shè)計上可以更靈活，同時考慮數(shù)字T/R 組件可能有通道間距的限制及高隔離、高雜散的要求，故將變頻功能分散在2 個SiP 模塊內(nèi)，也方便了數(shù)字T/R 組件的設(shè)計。本文主要介紹的是2 種三維SiP 收發(fā)變頻模塊的設(shè)計，分別為Ku 波段、S 波段SiP 收發(fā)變頻模塊。

圖1 數(shù)字T/R 組件模塊化設(shè)計原理

傳統(tǒng)的數(shù)字T/R 組件通常采用MCM 式的一體化設(shè)計，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，組件整體采用定制化設(shè)計，設(shè)計成本高，研制周期長，且內(nèi)部元器件種類、數(shù)量繁多，嚴(yán)重制約自動化裝配，調(diào)試難度較大，生產(chǎn)效率難以大幅提高。相比而言，模塊化設(shè)計具有通用方案固化、封裝和接口定義固定、復(fù)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，模塊內(nèi)部元器件選型固定，元器件、封裝管殼、基板可批量備貨，有效控制研發(fā)成本，縮短研制周期，大大提高了生產(chǎn)效率。

3 三維SiP 模塊的設(shè)計

3.1 Ku 波段SiP 收發(fā)變頻模塊的設(shè)計

Ku 波段（15～17 GHz）SiP 收發(fā)變頻模塊可實現(xiàn)15～17 GHz 信號的一次上下變頻功能，收發(fā)變頻的功能通過切換開關(guān)和雙向放大器來實現(xiàn)，中頻信號頻率為3.6 GHz±20 MHz，電路原理如圖2 所示。該模塊的指標(biāo)要求如表1 所示，P-1outR/P-1outT表示接收/發(fā)射信號輸出1 dB 壓縮點(diǎn)。

表1 Ku 波段SiP 收發(fā)變頻模塊的指標(biāo)要求

圖2 Ku 波段SiP 收發(fā)變頻模塊原理

模塊內(nèi)部在射頻鏈路和中頻鏈路上使用雙向放大器，節(jié)省了模塊內(nèi)部空間；通過收發(fā)轉(zhuǎn)換控制分時工作，保證了收發(fā)間的隔離度。模塊工作在下變頻方式時，信號混頻后會產(chǎn)生雜散信號，需利用濾波器濾除，保證主信號的正常工作。經(jīng)計算，中頻信號通帶內(nèi)存在高階雜散干擾，鏈路中采用FBAR 窄帶濾波器（3.6 GHz±20 MHz）濾除帶外雜散，帶外抑制比大于60 dBc；而對于帶內(nèi)雜散，則選用合適的混頻器，可使雜散抑制符合指標(biāo)要求，經(jīng)實測，混頻器對3.6 GHz±20 MHz 的帶內(nèi)交調(diào)雜散抑制比大于60 dBc。

該收發(fā)變頻模塊為高本振，對于高本振而言，鏡像頻率fimage=fRF+2fIF，fRF為射頻頻率，fIF為中頻頻率。計算可得fimage=（22.2～24.2）GHz，射頻鏈路采用帶寬為15～17.5 GHz 的GaAs 帶通濾波器抑制鏡頻干擾，抑制比大于50 dBc，符合指標(biāo)要求。為實現(xiàn)增益控制，在接收支路上接入6 位數(shù)控衰減器，實現(xiàn)0～31.5 dB 的增益控制。

3.2 S 波段SiP 收發(fā)變頻模塊的設(shè)計

S 波段SiP 收發(fā)變頻模塊可實現(xiàn)S 波段信號的一次上下變頻功能，并且內(nèi)部集成LC 帶通濾波器，中頻信號頻率為125 MHz±20 MHz，電路原理如圖3 所示，該模塊的指標(biāo)要求如表2 所示。

表2 S 波段SiP 收發(fā)變頻模塊的指標(biāo)要求

SiP 模塊內(nèi)部空間比較緊湊，傳統(tǒng)的腔體濾波器、介質(zhì)濾波器等一般尺寸較大，難以滿足使用要求。該模塊內(nèi)部最關(guān)鍵的設(shè)計為LC 帶通濾波器，用普通表面貼裝電容和電感可以很方便地搭建LC 濾波器，考慮到表面貼裝電容和電感的容值、感值以及精度，在10～200 MHz 頻率范圍內(nèi)，LC 帶通濾波器容易實現(xiàn)。

在ADS 仿真軟件中建立濾波器電路模型，LC 濾波器仿真模型如圖4 所示，仿真結(jié)果如圖5 所示。圖5中S11和S22曲線重合，S12和S21曲線重合。S11（S22）為端口1（端口2）的電壓駐波比，表征端口1（端口2）的輸入回波損耗；S21表征端口2 匹配時，端口1 到端口2的正向傳輸系數(shù)[6]，S12表征端口1 匹配時，端口2 到端口1 的正向傳輸系數(shù)。

圖4 LC 濾波器仿真模型

圖5 LC 濾波器仿真結(jié)果

3.3 三維SiP 模塊的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.3.1 BGA 封裝技術(shù)

本文中的三維SiP 模塊采用了陶瓷焊球陣列（CBGA）封裝，尺寸為14.2 mm×8.5 mm×3.8 mm。封裝的性能直接決定了模塊的性能，所以封裝的設(shè)計為重要的基礎(chǔ)設(shè)計。因射頻信號由封裝管殼的端口輸入/輸出，需對封裝管殼的微波端口進(jìn)行仿真設(shè)計，以確保管殼工作在Ku 波段以上有較好的射頻性能。在HFSS 中建立的BGA 封裝射頻端口的仿真模型如圖6所示，模型包括管殼端口的結(jié)構(gòu)、與電路板的連接和端口傳輸形式。

圖6 在HFSS 中建立的BGA 封裝射頻端口的仿真模型

經(jīng)過HFSS 的仿真設(shè)計和優(yōu)化，在DC 至30 GHz范圍內(nèi)，BGA 封裝端口射頻微波性能滿足微波傳輸?shù)囊?，仿真結(jié)果如圖7 所示，DC 至Ku 波段信號的傳輸性能良好。

圖7 BGA 封裝端口仿真結(jié)果

3.3.2 三維垂直互聯(lián)技術(shù)

新型的三維SiP 模塊廣泛采用了各種三維互聯(lián)技術(shù)，如板級堆疊工藝（POP）、多層板中微帶線到帶狀線過渡技術(shù)等。為實現(xiàn)高性能三維互聯(lián)，需要考慮封裝設(shè)計、電路設(shè)計、工藝等多方面的因素。由于三維SiP模塊是一項較新的技術(shù)，還需考慮工藝的可實現(xiàn)性，需要在實際工程中驗證總結(jié)。

模塊通過三維垂直互聯(lián)技術(shù)中的POP 實現(xiàn)上下2 層的信號傳輸，以封裝載板作為上下基板，每層基板上裝配表面貼裝元器件、裸芯片，芯片與基板間進(jìn)行金絲鍵合，上下層基板間通過BGA 焊球互聯(lián)，焊球采用直徑為0.5 mm 的錫球[7]。三維SiP 模塊的結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 三維SiP 模塊結(jié)構(gòu)

采用BGA 焊球?qū)崿F(xiàn)POP 堆疊可以降低平面電路面積和垂直互聯(lián)的寄生參數(shù)，有效提高模塊的集成度，提升模塊的微波性能。此三維垂直互聯(lián)方式一致性好，互聯(lián)傳輸路徑短并且在2 層基板間的BGA 焊球是柵陣列形式[8]，能有效實現(xiàn)微波信號的垂直傳輸。另外，在微波信號互聯(lián)焊盤周圍設(shè)置相應(yīng)的地焊盤，可以為微波信號的傳輸提供回流路徑，提高傳輸性能。

4 測試結(jié)果

Ku 波段SiP 收發(fā)變頻模塊外部采用金屬陶瓷BGA 封裝，內(nèi)部采用POP 堆疊技術(shù)，下層主要放置射頻和本振部分電路，上層主要放置中頻部分電路。整個模塊尺寸為14.2 mm×8.5 mm×3.8 mm。

S 波段SiP 收發(fā)變頻模塊與Ku 波段SiP 變頻模塊采用了同樣的金屬陶瓷BGA 封裝，內(nèi)部同樣包含雙層結(jié)構(gòu)，下層主要放置混頻電路，上層主要放置使用表面貼裝電容和電感搭建的LC 濾波器。

2 種SiP 收發(fā)變頻模塊的實測結(jié)果均符合設(shè)計要求，并可在高達(dá)85 ℃的環(huán)境溫度中工作。實測模塊時，信號經(jīng)過連接器、電纜、測試架以及BGA 焊接互聯(lián)結(jié)構(gòu)將引入新的插入損耗，從而影響測試的準(zhǔn)確性，需要在測試時對外圍影響因素進(jìn)行校準(zhǔn)，同時，隨著信號頻率的提高，互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗變大，性能指標(biāo)也會有所差異。測試結(jié)果如表3、4 所示。

表3 Ku 波段SiP 收發(fā)變頻模塊測試結(jié)果

表4 S 波段SiP 收發(fā)變頻模塊測試結(jié)果

本文介紹的2 種SiP 收發(fā)變頻模塊選用金屬陶瓷BGA 封裝，封裝的金屬外殼既是模塊的殼體，同時又是屏蔽腔。圖9 為多通道數(shù)字T/R 組件實物圖，組件的設(shè)計與傳統(tǒng)的磚式T/R 組件有較大不同，整個組件的元器件，包括射頻和電源控制連接器，全部通過表面貼裝形式集成在1 塊電路板上，電路板與金屬殼體通過螺釘固定。每個通道包含2 個SiP 收發(fā)變頻模塊，各自實現(xiàn)1 次變頻功能。數(shù)字T/R 組件的蓋板與屏蔽隔墻一體化，增強(qiáng)了不同通道輸入/輸出射頻連接器間的隔離度，模塊之間的空間隔離通過金屬BGA 封裝本身來保證。

圖9 多通道數(shù)字T/R 組件實物

5 結(jié)論

本文介紹了2 種小型化三維SiP 收發(fā)變頻模塊，通過使用三維POP 堆疊、MMIC 濾波器、多功能芯片和BGA 封裝等多種技術(shù)，將收發(fā)變頻模塊的體積縮小到可滿足數(shù)字T/R 組件應(yīng)用要求的水平。測試結(jié)果表明，基于系統(tǒng)級封裝的模塊具備良好的微波射頻性能，同時本文還給出了數(shù)字T/R 組件模塊化設(shè)計的方案和實物樣例，為數(shù)字T/R 組件向模塊化發(fā)展提供了一條新的思路。