王元源 張山杉 馬漢清 武華鋒 雷國忠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和各類載體平臺(tái)苛刻的安裝條件對(duì)射頻系統(tǒng)的多功能、集成一體化設(shè)計(jì)技術(shù)提出了緊迫的要求[1-2]，尤其是在武器平臺(tái)傳感器功能多元化、輕量化、模塊化的發(fā)展趨勢(shì)下，研究體積小、重量輕、集成度高的標(biāo)準(zhǔn)化集成式前端勢(shì)在必行。

同時(shí)，隨著射頻/數(shù)字集成電路及高密度封裝技術(shù)[3]的不斷進(jìn)步，以一體化有源前端為基本功能模塊的有源相控陣系統(tǒng)將成為傳感器與通訊系統(tǒng)的主流硬件方案。

在各種集成封裝系統(tǒng)(System in Package，SiP)中，多層瓦片式系統(tǒng)的先進(jìn)性與集成度最高，該類系統(tǒng)在天線單元橫向尺寸嚴(yán)格受限(通常為工作頻率高端半波長)的情況下，將各種復(fù)雜的功能電路沿垂直于陣面的方向，以類似“三明治”式的夾層結(jié)構(gòu)壓縮排布在一起，形成標(biāo)準(zhǔn)化、低剖面、可擴(kuò)展的集成前端。其對(duì)于機(jī)載、彈載、星載等資源與空間十分緊張的平臺(tái)，具有巨大的吸引力。但同時(shí)，由于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度大，應(yīng)用領(lǐng)域敏感，國內(nèi)外關(guān)于多層瓦片式有源前端研究成果的報(bào)道均十分有限[4-6]。

在這一背景下，本文以低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)[7]為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)構(gòu)造了高度集成的Ku頻段瓦片式有源天線接收前端，并首次給出了其內(nèi)部詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。在小于5mm的剖面高度內(nèi)，瓦片式有源天線前端包含了輻射天線、射頻接收電路、本振分配網(wǎng)絡(luò)、中頻合成網(wǎng)絡(luò)、電源控制網(wǎng)絡(luò)等部分。其中，射頻、本振、控制及中頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的傳輸線均采用內(nèi)埋于LTCC基板內(nèi)的封閉式帶狀線方式實(shí)現(xiàn)，同一層內(nèi)不同種類的信號(hào)線通過金屬化過孔陣列互相隔離屏蔽；不同層之間則通過由內(nèi)部金屬化過孔構(gòu)成的準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)[6]。接收電路裸芯片組則安裝于陣列背面的空腔之內(nèi)。整個(gè)前端結(jié)構(gòu)的尺寸僅為50mm×50mm×4mm。

1 系統(tǒng)概述

瓦片式有源前端共包含16路輻射天線單元及接收通道，按照4×4矩形柵格狀排列(如圖1、2所示)。整個(gè)瓦片式結(jié)構(gòu)采用35層Ferro-A6M陶瓷基片材料燒結(jié)構(gòu)成，共包含四個(gè)功能層，由前至后依次為多層貼片天線層、本振功分網(wǎng)絡(luò)層、射頻放大與變頻層(限幅、低噪放、混頻)、電源與中頻信號(hào)合成層。

2 多層貼片天線

天線單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其采用雙層貼片形式[8]，由金屬化過孔強(qiáng)制對(duì)下層主貼片饋電，并通過內(nèi)部空間將能量耦合至頂層的寄生輻射貼片，整個(gè)天線單元輻射結(jié)構(gòu)由共計(jì)10層LTCC基板層疊而成，剖面高度僅為1mm。

主貼片與寄生輻射貼片四周由多層方形金屬環(huán)及金屬化過孔陣列形成內(nèi)外隔離墻,阻斷沿介質(zhì)內(nèi)部及表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，提高相鄰?fù)ǖ篱g的隔離度?？紤]到抗氧化及多層結(jié)構(gòu)間的焊接溫度要求，內(nèi)外層的金屬圖形及過孔連接均選用金(Au)材料。

圖5、6分別給出了天線單元的仿真駐波曲線及輻射方向圖。從圖5中可以看出，天線單元的駐波在工作頻帶內(nèi)小于1.45；而圖6中，天線單元的主極化增益約為6.2dB，交叉極化分量在-20dB以下，E面及H面的波束寬度分別為75°與82°，具有優(yōu)良的輻射性能。

3 射頻電路

射頻電路部分布置在整個(gè)前端的背面(相對(duì)于天線輻射陣面)，在50mm×50mm面積的陶瓷基片上制作出16個(gè)14mm×5mm×1mm的矩形表面空腔，將限幅器、兩級(jí)低噪放、混頻器芯片置于空腔內(nèi)的芯片槽內(nèi)，由天線輸入的射頻信號(hào)(過孔及微帶)及由本振網(wǎng)絡(luò)饋入的本振信號(hào)(過孔及微帶)在這里完成混頻后將中頻信號(hào)送入下一功能層。

圖7給出了射頻放大與變頻層的位置分布與芯片排列圖。由圖可知，本層是各個(gè)不同頻率信號(hào)的匯集區(qū)。表面腔體下方的地板上排列著連接天線、本振、中頻及電源網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)。本文在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)芯片、腔體間相對(duì)位置及傳輸線參數(shù)的全波仿真優(yōu)化，有效解決了小空間內(nèi)集成有源電路的互耦、干擾、電源調(diào)制等一系列問題。

4 本振網(wǎng)絡(luò)

本振網(wǎng)絡(luò)的主體為1∶16的內(nèi)埋式帶狀線威爾金森功分器(如圖8所示)。

考慮到內(nèi)層帶狀線的寬度與工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的限制(主要是線寬)，所采用的單個(gè)威爾金森功分器選擇主饋線25Ω、阻抗變換段35Ω、隔離電阻50Ω的配置。這樣的設(shè)計(jì)可避免因帶狀線寬度過細(xì)對(duì)工藝和容差帶來的額外壓力。

圖9給出了1分16本振功分網(wǎng)絡(luò)的回波損耗曲線。從圖中可以看出，在11.6GHz～13.9GHz的頻段范圍內(nèi)，本振網(wǎng)絡(luò)的回波損耗均小于-15dB。

如圖10中本振功分網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)曲線可知，在11.5GHz～14.5GHz的頻段范圍內(nèi)，各端口傳輸系數(shù)均處于-12～-12.5dB的變化區(qū)間內(nèi)，并且在實(shí)際工作頻帶內(nèi)，輸出端口的插入損耗均小于0.3dB。

5 中頻合成輸出鏈路

每個(gè)接收通道的中頻信號(hào)是由鏡像抑制混頻器輸出的兩路正交IQ信號(hào)構(gòu)成，這兩路信號(hào)的合成在中頻需要借助90°度電橋，電橋布置在前端底部，位于射頻放大與變頻層下方的陶瓷蓋板上。但由于中頻電路尺寸較大，要完成16路接收電橋，采用分布式的微帶延遲線方法，繞線過于復(fù)雜，且由于面積有限，無法形成有效隔離，最終會(huì)造成各通道中頻干擾嚴(yán)重。因此本文采用了通過線圈纏繞實(shí)現(xiàn)移相的中頻合成芯片，單個(gè)芯片封裝后尺寸為10mm×8mm×5mm，能夠滿足結(jié)構(gòu)要求。

圖11中詳細(xì)給出了中頻網(wǎng)絡(luò)的走線，由混頻器輸出的兩路正交信號(hào)，通過BGA焊球輸入陶瓷蓋板上的電橋芯片內(nèi)，電橋?qū)陕氛恍盘?hào)合成后輸出至立式排線插座。圖12則給出了16個(gè)位于蓋板上的電橋芯片(白色部分)的具體位置。

每路中頻信號(hào)從混頻器輸出后，需要經(jīng)過三段帶狀線及兩段準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)組成的傳輸通道，圖13給出了通道的S參數(shù)仿真結(jié)果。由圖可知，中頻傳輸結(jié)構(gòu)的回波損耗小于-29.35dB，而其傳輸損耗幾乎可以忽略不計(jì)。

6 直流控制信號(hào)鏈路

整個(gè)射頻前端內(nèi)的直流控制信號(hào)的布局如圖14所示(深色部分)。

直流供電的輸入與中頻輸出共用位于前端中線的立式排線插座，單個(gè)插座的可用針腳數(shù)可達(dá)60個(gè)，完全能夠滿足同時(shí)傳輸中頻與直流信號(hào)的條件。

直流信號(hào)為5V的控制電壓，總輸入電流為2.08A(兩級(jí)低噪放控制電流分別為70mA、60mA)。為防止流過單個(gè)管腳和金屬化過孔的輸入電流過大，設(shè)計(jì)中采用了5個(gè)管腳及5個(gè)過孔進(jìn)行分流。

直流信號(hào)由排線插座饋入后，由不同的管腳引出帶狀線控制信號(hào)，再通過金屬化過孔的準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)，由蓋板與下層的連接處導(dǎo)入芯片下方，經(jīng)帶狀線傳輸后饋送至低噪放芯片旁的電源鍵合區(qū)，再由金絲跳接至兩個(gè)100pF的旁路電容(主要作用為濾除高頻毛刺)。電容與相應(yīng)低噪放芯片間同樣通過金絲鍵合。這一連接方式如圖15所示。

7 內(nèi)層接地面設(shè)計(jì)

前端內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)均采用帶狀線形式，內(nèi)埋在多層LTCC基板中，上下均需要地板覆蓋。在LTCC多層結(jié)構(gòu)燒結(jié)過程中，金屬與陶瓷材料存在收縮與應(yīng)力作用，大面積的實(shí)心金屬地存在較大的實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)(容易造成曲翹、開裂)。

針對(duì)這一問題，本文采用了圖16(b)所示的網(wǎng)狀地結(jié)構(gòu)替代圖16(a)的大面積實(shí)地。由仿真結(jié)果(圖17、18)可知，與大面積實(shí)地相比，網(wǎng)格地的回波損耗與傳輸系數(shù)曲線只發(fā)生了細(xì)微的變化，能夠滿足實(shí)際的信號(hào)傳輸與屏蔽要求。

網(wǎng)狀地結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于網(wǎng)格大小的選取，不同大小的網(wǎng)格會(huì)在不同的頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，嚴(yán)重的情況下會(huì)影響到傳輸線及網(wǎng)絡(luò)的電氣性能，優(yōu)化的目的是將產(chǎn)生的諧振點(diǎn)盡可能地移出工作頻帶外，同時(shí)兼顧工藝實(shí)現(xiàn)中線寬和間距的要求。

8 接口設(shè)計(jì)

8.1 射頻接口

考慮到接收通道本振信號(hào)的輸入，以及外接測(cè)試的需要，必須選擇在電氣與結(jié)構(gòu)上均能夠適合輕薄的多層瓦片結(jié)構(gòu)的高頻連接器。因此，采用了能夠?qū)崿F(xiàn)微帶/同軸轉(zhuǎn)換的SMP表面貼裝連接器(如圖19所示)，在完成射頻信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，兼顧安裝焊接的可實(shí)現(xiàn)性。這種連接器的接口為微帶轉(zhuǎn)探針，安裝時(shí)不會(huì)對(duì)脆弱的陶瓷基板產(chǎn)生額外的壓力，同時(shí)也避免了直接用探針背饋方式容易出現(xiàn)的通孔公差難以控制，及焊點(diǎn)焊接中出現(xiàn)的焊區(qū)阻抗無法匹配等問題。

8.2 中頻/直流信號(hào)接口

中頻/直流信號(hào)的接口選用0.5mm間距的立式排線插座(如圖20所示)，與其相連的阻抗控制排線最高可傳輸400MHz的中頻信號(hào)。此外，與SMP類似，它同樣采用表面貼裝，非常適合用作為低剖面高集成度前端的輸出端口。

9 結(jié)束語

本文基于低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)設(shè)計(jì)了高度集成的Ku頻段瓦片式有源天線接收前端，能夠完成天線接收、射頻放大、鏡像抑制混頻、中頻輸出等一系列功能。通過對(duì)瓦片式前端中不同功能電路的仿真優(yōu)化，驗(yàn)證了整體設(shè)計(jì)的有效性。

整個(gè)前端結(jié)構(gòu)的尺寸僅為50mm×50mm×4mm，且總重量小于30g，非常適合應(yīng)用于機(jī)載、星載、彈載等體積質(zhì)量嚴(yán)重受限的平臺(tái)。其低剖面、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的突出特點(diǎn)代表了未來傳感器或通信系統(tǒng)硬件前端的發(fā)展趨勢(shì)。