王　勇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種寬帶幅相一致變頻組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王勇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：介紹了一種寬帶幅相一致變頻組件的設(shè)計(jì)思路并給出測(cè)試結(jié)果。該組件在6～18 GHz工作頻帶內(nèi)，幅度一致性≤±2.5 dB，相位一致性≤±25°，噪聲系數(shù)≤7 dB。該變頻組件采用了微波多芯片組件(MMCM)工藝，具有小型化、模塊化、通用化的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：寬帶；幅相一致；微波多芯片組件

0引言

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)寬帶微波前端變頻系統(tǒng)的指標(biāo)要求越來(lái)越高，體積小、重量輕及可靠性高已成為對(duì)微波前端變頻系統(tǒng)的通用要求。

在目前的船用雷達(dá)偵察設(shè)備中，已開始采用相位干涉儀測(cè)向法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多波束比幅測(cè)向法。在相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)中利用天線及微波前端變頻系統(tǒng)所接收的雷達(dá)信號(hào)之間的相位差來(lái)進(jìn)行測(cè)向，相位差的準(zhǔn)確與否對(duì)整個(gè)測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向精度影響顯著。因此，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)向單元中天線及微波前端變頻系統(tǒng)的相位一致成了相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

本文借助單片微波集成電路(MMIC)及微波多芯片組件(MMCM)集成技術(shù)等新器件和新工藝，實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的6～18 GHz幅相一致變頻組件。

1組件概述

6～18 GHz幅相一致變頻組件由頻率預(yù)選電路、變頻電路和中頻放大電路三部分組成(見圖1)，具體包含限幅器、開關(guān)、放大器、濾波器及混頻器等多種類型的集成電路芯片。

2組件的設(shè)計(jì)考慮

2.1組件的小型化及電磁兼容性設(shè)計(jì)考慮

6～18 GHz幅相一致變頻組件的小型化設(shè)計(jì)是本組件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的主要難點(diǎn)之一。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，組件充分利用了MMCM微組裝工藝帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，盡可能多地使用未封裝的MMIC芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的傳輸和處理。組件采用環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接法將MMIC芯片與組件盒體可靠地粘接。同時(shí)采用金絲鍵合的方法實(shí)現(xiàn)MMIC芯片與MMIC芯片、片式電容和微帶線間的信號(hào)互連。在芯片焊盤尺寸允許的情況下，應(yīng)盡量同時(shí)鍵合2根或3根金絲，以提高微波性能和鍵合的可靠性[1]。

圖1　6～18 GHz幅相一致變頻組件組成框圖

組件的數(shù)字控制信號(hào)及電源信號(hào)復(fù)雜，所以組件內(nèi)容易出現(xiàn)由電源及數(shù)字控制信號(hào)線引入的低頻干擾信號(hào)。為了消除低頻干擾隱患，電源及數(shù)字控制信號(hào)線需合理布局，同時(shí)需在電源及數(shù)字信號(hào)控制線上加低頻和高頻旁路去耦電容。共用電源及數(shù)字控制信號(hào)的不同微波器件之間，其偏置電路需串接電磁兼容濾波器或者射頻扼流線圈，避免信號(hào)在不同微波器件之間串?dāng)_，引入低頻干擾信號(hào)[2]。

2.2組件的電性能指標(biāo)設(shè)計(jì)考慮

6～18 GHz幅相一致變頻組件的關(guān)鍵指標(biāo)為幅度一致性、相位一致性、噪聲系數(shù)和雜散指標(biāo)。

2.2.1組件的幅度和相位一致性指標(biāo)

組件的幅度和相位一致性指標(biāo)一方面取決于所選元器件的幅度和相位一致性指標(biāo)，另一方面取決于組件裝配過(guò)程的一致性。以高頻電路為例，MMIC芯片的幅度和相位一致性較好。下面將以相位一致性為例說(shuō)明MMIC芯片裝配過(guò)程，尤其是金絲鍵合一致性的重要性。

若傳輸頻率為18 GHz的信號(hào)，根據(jù)公式(1)可知其波長(zhǎng)為16.7 mm：

(1)

式中:λ為信號(hào)波長(zhǎng)(單位：mm)；c為光速(3×108m/s)；f為信號(hào)頻率(單位：Hz)。

圖2為高頻電路中金絲鍵合的示意圖。在裝配過(guò)程中，每處金絲鍵合點(diǎn)均會(huì)引入一定的鍵合誤差。以手動(dòng)鍵合機(jī)WB7476E為例，在鍵合跨距為0.2 mm的情況下，其鍵合金絲的跨度、拱高及精度數(shù)據(jù)記錄[3]見表1。

圖2　高頻電路中金絲鍵合的示意圖

金絲編號(hào)跨度拱高金絲編號(hào)跨度拱高金絲編號(hào)跨度拱高10.3440.073110.341-210.354-20.351-120.359-220.3630.06130.3320.095130.344-230.354-40.3560.078140.341-240.335-50.3590.036150.346-250.350-60.300-160.346-260.335-70.323-170.326-270.326-80.3570.040180.331-280.3380.03890.3490.089190.366-290.3450.051100.3480.054200.351-300.342-跨度精度試驗(yàn)中所需鍵合跨度約為0.335mm,實(shí)際鍵合跨度最大值為0.366mm,最小值為0.300mm,誤差最大值為0.066mm。拱高精度金絲鍵合的拱高不易控制,最大值為0.095mm,最小值為0.036mm,誤差最大值為0.059mm。

從表1可知，手動(dòng)金絲鍵合的跨度誤差大致分布在0.03～0.066 mm，每100處金絲鍵合累積的鍵合誤差可達(dá)3～6.6mm，即產(chǎn)生64.67°～142.28°相位誤差(18 GHz處)。為了改善和補(bǔ)償金絲鍵合過(guò)程中引入的相位誤差，在本組件的設(shè)計(jì)過(guò)程中做了如下工作：

(1) 在組件內(nèi)部所有金絲鍵合處標(biāo)記金絲鍵合點(diǎn)，盡量將金絲鍵合跨度誤差降低，如圖3所示。

圖3　金絲鍵合標(biāo)記點(diǎn)示意圖

(2) 在組件調(diào)試過(guò)程中，針對(duì)已產(chǎn)生的金絲鍵合跨度累積誤差，采用電長(zhǎng)度補(bǔ)償法，將相位誤差降低到合理范圍內(nèi)。電長(zhǎng)度補(bǔ)償采用貼裝U型傳輸線的方式，如圖4所示。

圖4　電長(zhǎng)度補(bǔ)償U(kuò)型線示意圖

2.2.2噪聲系數(shù)和雜散指標(biāo)

組件的噪聲系數(shù)指標(biāo)和雜散指標(biāo)需要進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。當(dāng)組件的總增益確定以后，需要對(duì)信號(hào)鏈路的增益進(jìn)行合理分配。增益分配首先要考慮組件的噪聲系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，變頻電路前的放大增益要高，以減少變頻電路和中頻放大電路的噪聲對(duì)組件噪聲系數(shù)的影響。但是，若變頻前增益過(guò)高，則會(huì)影響組件的雜散指標(biāo)。

根據(jù)公式(2)可計(jì)算組件的噪聲系數(shù)。若設(shè)計(jì)合理，組件的噪聲系數(shù)主要是由第1級(jí)放大器的噪聲系數(shù)及第1級(jí)放大器前的無(wú)源電路決定，即：

(2)

綜合考慮，組件在輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，盡量保證進(jìn)入變頻電路的最大功率小于-10 dBm，這樣可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的噪聲系數(shù)和較低的雜散信號(hào)功率。

3微波組件的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

6～18 GHz微波變頻組件實(shí)物外形如圖5所示。

圖5　6～18 GHz幅相一致變頻組件實(shí)物外形圖

經(jīng)測(cè)試，微波組件實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2　微波組件主要技術(shù)指標(biāo)列表

6～18 GHz幅相一致變頻組件具有小型化、模塊化和通用化的特點(diǎn)，適合小型化整機(jī)的安裝要求。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)偉,符鵬,洪偉.LTCC微波多芯片組件中鍵合互連的微波特性[J].微波學(xué)報(bào),2003,19(3):30-34.

[2]廖原,馮恩信.小型化高增益微波發(fā)射組件電磁兼容設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2011，40(2)：57-60.

[3]李孝軒.微波多芯片組件微組裝關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2009.

Design and Realization of A Wideband Amplitude-phase Consistent Frequency Conversion Subassembly

WANG Yong

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces the design thought of a wideband amplitude-phase consistent frequency conversion subassembly and gives the measurement result.For the subassembly,the amplitude consistency is less than ±2.5 dB,the phase consistency is less than ±25° and the noise coefficient is less than 7 dB in the frequency range of 6～18 GHz.Microwave multi-chip module (MMCM) technology is used in the subassembly,and the frequency conversion assembly has many advantages such as miniaturization,modularization and generalization.

Key words:wideband;amplitude-phase consistency;microwave multi-chip module

收稿日期:2010-0-0

中圖分類號(hào)：TN61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0071-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.018