戈江娜

(中國電子科技集團第13研究所，石家莊 050001)

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基于LTCC基板的Ku波段寬帶八通道T/R組件設(shè)計與實現(xiàn)

戈江娜

(中國電子科技集團第13研究所，石家莊 050001)

摘要：介紹了一種Ku波段寬帶八通道T/R組件設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。針對組件工作頻率高、工作頻帶寬、通道數(shù)多、功能復(fù)雜、裸芯片多、高度有限等難點，組件采用低溫共燒陶瓷(LTCC)設(shè)計、多芯片組件(MCM)設(shè)計、模塊化設(shè)計等先進技術(shù)，成功研制出了低噪聲、輕質(zhì)量、功能齊全的的小型化八通道T/R組件，組件單通道輸出功率為34 dBm，接收噪聲系數(shù)為3.5 dB,數(shù)控移相和數(shù)控衰減均為6位，組件高度為6.6 mm，整體重量僅為87.2 g，平均每通道10.9 g；并且組件已經(jīng)實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：Ku波段寬帶；八通道T/R組件；低溫共燒陶瓷；多芯片組件；模塊化

0引言

T/R組件是先進的有源相控雷達陣的關(guān)鍵部件[1]，長期以來很多國家都從事相控雷達陣的研究，并且不斷加大投入力度。近幾年，隨著微波電路芯片集成化的發(fā)展和微組裝工藝技術(shù)的提高，T/R組件在成本降低的同時，體積和重量也在不斷減小，并且實現(xiàn)了多通道T/R組件的一體化設(shè)計。

本文設(shè)計了一種Ku波段八通道T/R組件，采用低溫共燒陶瓷(LTCC)基板多層高密度布線技術(shù)[2]和多芯片組件(MCM)技術(shù)將8個單獨的T/R組件、一分八功分網(wǎng)絡(luò)及電源控制電路集成在一個盒體內(nèi)部。八通道組一體化設(shè)計實現(xiàn)了部分器件共用，降低了組件成本，組件結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時對外接口線的數(shù)量相對于單通道T/R組件來講，可以減少2/3，更方便相控雷達陣的搭建。但同一盒體內(nèi)部，多路微波信號、數(shù)字信號、模擬信號的交叉?zhèn)鬏?，容易產(chǎn)生各種干擾，影響組件的正常工作和微波性能，如何避免這些干擾成為組件設(shè)計的關(guān)鍵。

1T/R組件電路設(shè)計

1.1工作原理

Ku波段八通道T/R組件由一分八功分器、8個T/R通道、邏輯控制電路和電源處理電路組成。各個通道分別單獨控制，可以一個通道工作，也可以任意幾個通道同時工作。每個通道由發(fā)射和接收共用的6位數(shù)控移相器和6位數(shù)控衰減器、推動級放大器、高功率放大器、雙結(jié)環(huán)行器、限幅器、低噪聲放大器、脈沖調(diào)制器、波控碼串并轉(zhuǎn)換器、輸出驅(qū)動電路等組成。發(fā)射期間完成發(fā)射信號的高功率放大，接收期間完成接收信號的低噪聲放大，在T/R信號控制下完成收發(fā)轉(zhuǎn)換。1∶8功分器在發(fā)射期間將饋電網(wǎng)絡(luò)輸入的微波信號功分成8路，分別送入8路T/R組件；接收期間將8路T/R組件輸出的接收信號合成為1路送入饋電網(wǎng)絡(luò)。

波控碼串并轉(zhuǎn)換器將波束控制單元輸入的串行控制碼轉(zhuǎn)換成并行碼存入寄存器，由驅(qū)動電路驅(qū)動后輸出控制T/R組件的發(fā)射數(shù)控移相器、接收數(shù)控移相器、發(fā)射數(shù)控衰減器、接收數(shù)控衰減器、收發(fā)開關(guān)狀態(tài)；有發(fā)射和接收2套控制碼，在T/R信號控制下完成。

圖1　組件原理框圖

電源處理電路將DC/DC電源輸入的二次電源進行穩(wěn)壓濾波，脈沖調(diào)制器在T/R信號控制下完成發(fā)射通道和接收通道電源的脈沖調(diào)制。從圖1中可以看出，微波鏈路僅用5只芯片，其中芯片1為功能集成芯片，包含的功能有6位數(shù)控移相，步進5.625 0；6位數(shù)控衰減，步進0.5 dB；收發(fā)轉(zhuǎn)換的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)、波控碼串并轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路，時鐘工作頻率可以達到10 MHz。功能集成芯片組成框圖如圖2所示。

圖2　功能集成芯片組成框圖

功能集成芯片的研制成功簡化了T/R組件的設(shè)計，使得T/R組件5芯片實現(xiàn)成為可能。

1.2LTCC基板設(shè)計

1.2.1LTCC基板構(gòu)造

LTCC基版技術(shù)采用微波傳輸線、邏輯控制線和電源線的混合信號設(shè)計，通過仿真和合理布局，將它們組合在同一個LTCC三維微波傳輸結(jié)構(gòu)中，采用帶狀線和中間接地屏蔽層，改善微波T/R組件中各個通道之間、發(fā)射支路和接收支路的隔離度，并且可以將分離的電阻、電容和電感等無源器件埋置在基版內(nèi)部。因此基于LTCC基版技術(shù)研制的微波電路具有高集成度、多種電路功能、高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢。圖3為多層LTCC基版的基本構(gòu)造圖。

圖3　LTCC基版基本構(gòu)造圖

1.2.2LTCC基版微波電路設(shè)計

從圖2可以看出，LTCC電路中的微波傳輸線由微帶線和帶狀線組成，微帶線和帶狀線之間才有疊層信號通孔實現(xiàn)垂直微波互連。

微帶線位于多層板的表層，靠中間地層與大地相連，接地質(zhì)量的好壞直接影響到微波性能，因此中間接地層與大地的連接方法和接地質(zhì)量對微帶線和帶狀線的插入損耗和端口駐波影響很大。采用直徑為0.2 mm，間距S為1 mm的接地通孔來實現(xiàn)中間地層與大地之間的連接，通孔內(nèi)填充的是銀漿料；為減小工藝加工誤差對微帶線寬度的影響，微帶層厚度H1為0.3 mm(3層生坯片的厚度)，相應(yīng)的50 Ω微帶線寬度W1為0.48 mm；中間地層到大地的厚度H2為0.8 mm，相應(yīng)的50 Ω帶狀線寬度W2為0.27 mm。圖4為三維電磁場仿真軟件HFSS下的微帶傳輸模型，LTCC基版材料為Ferror-A6，相對介電常數(shù)為5.9，損耗角正切為0.002。圖5為仿真結(jié)果，從中可以看出，在Ku波段4 GHz帶寬內(nèi)，回波損耗大于30 dB，滿足設(shè)計使用要求。

圖4　LTCC微帶傳輸模型

圖5　LTCC微帶傳輸仿真結(jié)果

帶狀線的上下底面均為地面，為消除寄生平板波導(dǎo)效應(yīng)，一般在帶狀線兩側(cè)各放置接地通孔來實現(xiàn)中間地層與大地的可靠連接，微帶線與帶狀線之間通過信號通孔進行連接。

信號通孔可近似為電感，因此微帶線與帶狀線互連的等效電路如圖6所示。

圖6　微帶線與帶狀線互聯(lián)等效電路

其中Le的電感近似值為[4]：

(1)

式中:Δl為信號通孔的長度;ν為自由空間的波速;γ=0.577 2為,歐拉常數(shù);w為微帶線寬度;εr為微帶線等效介電常數(shù)。

微帶線過渡端的特性阻抗為：

(2)

而微帶線過渡外的特性阻抗為：

(3)

為了使微波信號優(yōu)良傳輸，需要在微帶的過渡端引入一段環(huán)狀導(dǎo)體線，增大電容值，起到阻抗匹配的作用。這樣微帶線過渡端的阻抗為：

(4)

補償電容應(yīng)為：

(5)

通過以上理論分析，得到了Le和補償電容的近似值，構(gòu)造合理的補償電路形式，在三維電磁場仿真軟件HFSS下建立仿真模型并加以優(yōu)化，從而得到滿足工程需要的結(jié)果。圖7為三維LTCC基版上的微帶線與帶狀線過渡的建模模型[4]，包括信號通孔的尺寸、接地通孔的尺寸和間距、微波過渡段補償電容尺寸等。從圖8所示的仿真結(jié)果來看，在Ku波段4GHz帶寬內(nèi)，回波損耗大于25dB，可以滿足設(shè)計使用要求。仿真優(yōu)化結(jié)果:信號通孔內(nèi)徑為0.3mm，外徑為0.6mm，接地通孔尺寸直徑為0.2mm，接地通孔間距為1mm。

圖7　微帶線與帶狀線轉(zhuǎn)換模型

圖8　微帶線與帶狀線轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果

1.2.3LTCC基版設(shè)計結(jié)果

本組件中的LTCC基板采用Ferro A6陶瓷材料，介電常數(shù)為5.9±0.2，總層數(shù)為11層，厚度為1.1 mm，Toplayer層用于布置微波帶線和元器件，包括1 000 μF的儲能電容、控制芯片和微波芯片等；Mid1～Mid2層設(shè)計為空白瓷片，目的是提供介質(zhì)厚度；Mid3設(shè)計為地(GND)；Mid4～Mid6層主要用于布置各種數(shù)據(jù)控制線；Mid7層設(shè)計為帶狀線；Mid8～Mid10層設(shè)計為電源電壓的布線，對于給發(fā)射通道供電的+8.5 V電壓，還要采用多層復(fù)用的方式，以盡可能地減少傳輸線上產(chǎn)生的壓降，提高+8.5 V的使用效率。

圖9為制作好的兩通道的LTCC基板，LTCC基板表面放置的控制線、微波傳輸線、電阻等；考慮到功率芯片需要散熱良好，在LTCC基版上挖了0.3 mm厚的載體槽，用于燒結(jié)功率芯片載體；為了使基版具有可焊性，LTCC基板上表面的需要焊接的區(qū)域和底面均做上了金鉑鈀。

圖9　兩通道LTCC基板

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計

LTCC基板的熱膨脹系數(shù)CTE為7×10-6/K，如果采用傳統(tǒng)的硬鋁合金LY12(熱膨脹系數(shù)(CTE)為：23.6×10-6/K)，為實現(xiàn)良好的熱匹配，LTCC基板和硬鋁合金盒體之間還要加一層可伐材料的絲網(wǎng)進行熱過渡。且由于盒體高度僅為6.6 mm，盒底設(shè)計僅為1.1 mm，很容易變形。因此選用了新型材料Si-Al合金作為盒體加工材料，并在盒體內(nèi)部適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置加強筋。Si-Al系列合金具有能與Si、GaAs等芯片匹配的低熱膨脹系數(shù)(約4～15×10-6/K)，高導(dǎo)熱率(≥100 W/mk)，低密度(≤3 g/cm3)等特點，同時還可以加工成各種復(fù)雜形狀來滿足復(fù)雜封裝的要求，目前在英、美等先進國家已經(jīng)實現(xiàn)商品化。

根據(jù)Si在合金中含量的不同所呈現(xiàn)出的不同特性，結(jié)合T/R組件的實際設(shè)計和應(yīng)用，選用了牌號為CE11(50%Si-50%Al)的合金，其熱膨脹系數(shù)為11×10-6/K，這樣LTCC基板就可以直接燒結(jié)在盒體上，無需過渡載體，大大簡化了裝配工藝。

在Ku波段，微波信號對腔體已經(jīng)非常敏感，尤其是4 GHz的寬帶性能。本組件通道與通道間的間距僅為8.6 mm，采用傳統(tǒng)的加隔墻再加固定螺釘?shù)姆绞揭呀?jīng)不能實現(xiàn)，為此在腔體設(shè)計上采用了新穎的科學(xué)設(shè)計。

在組件中，每4路設(shè)計為一個大腔體，中間加適當(dāng)厚度的隔墻；前面已經(jīng)提到，LTCC基板是將每2個通道設(shè)計成一塊，從而實現(xiàn)兩兩通道的模塊化設(shè)計。每塊LTCC單獨裝配時，把LTCC基板作為基底，上面焊接上0.6 mm的可伐框， 從而使每個通道都有自己獨立的腔體(如圖10所示)。

圖10　加可伐框的LTCC基版

組件具體腔體設(shè)計如圖11所示。

圖11　組件腔體設(shè)計圖

1.4工藝路線設(shè)計-模塊化設(shè)計技術(shù)

本組件由8個通道組成，盒體長度為86 mm，寬度為69.9 mm，除掉盒壁和環(huán)行器，需要LTCC基板的尺寸為66 mm×62 mm，如此大面積的LTCC基板，一是底面平整度不好保證，二是整體燒結(jié)空洞率會很高；且上面有138只芯片(不包括芯片電容)，粘結(jié)、鍵合工藝不僅不方便操作，而且會在一定程度上降低工作效率。為了解決這一裝配難題，把LTCC分成了5個部分，公共單元為1塊LTCC，每2個通道為1塊LTCC。工藝路線為公共單元的LTCC基板先入盒體；8個通道的4塊LTCC基板在完成粘結(jié)、鍵合等完整的工藝操作后，再入盒體。如此設(shè)計，使得1個組件可以分成5個部分單獨操作，彼此互不影響，并且降低了工藝操作難度，縮短了整體裝配的串行時間，提高了工作效率。整個批產(chǎn)的裝配過程也證明，多通道的模塊化設(shè)計工藝裝配周期要比一體化設(shè)計工藝周期縮短1/4的時間，并且裝配一次成品率明顯提高。

根據(jù)多年研制T/R組件的經(jīng)驗，工藝設(shè)計上[5]把AuSn共晶焊料釬焊、鉛錫焊料燒結(jié)、環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠膠接3種工藝固定方式有機地結(jié)合起來，形成了一套科學(xué)合理的工藝裝配流程。

由于組件內(nèi)部含有眾多芯片，因此對組件的密封性提出了嚴(yán)格要求。在工藝設(shè)計上，我們把微波連接器和低頻連接器采用燒焊工藝一次性燒焊在盒體上，盒體采用激光封焊技術(shù)，從而解決了組件的密封問題。

2研制與生產(chǎn)結(jié)果

通過采取以上先進技術(shù)，成功研制出了Ku波段寬帶八通道T/R組件。組件工作在Ku波段高端，帶寬4 GHz，發(fā)射功率≥34 dBm，6位數(shù)控移相，6位數(shù)控衰減，移相精度(RMS)≤3.5°, 移相寄生調(diào)幅≤1.0 dB，衰減精度≤±(0.3 dB+4%×AiAi為衰減標(biāo)稱值)；衰減寄生調(diào)相控制在10o以內(nèi)，接收增益平坦度在1.2 dB以內(nèi)，噪聲系數(shù)在3.2～

3.5 dB(天線端口使用的是雙結(jié)環(huán)行器)之間，體積為86 mm×69.9 mm×6.6 mm，總重量為87.2 g,很好地滿足了相控陣?yán)走_系統(tǒng)對T/R組件小型化、輕量化的要求。實物見圖12。

圖12　互為鏡像結(jié)構(gòu)的兩只組件

3結(jié)束語

本組件通過采用LTCC技術(shù)，實現(xiàn)微波傳輸線、邏輯控制線、電源線和厚膜電阻的高度集成通過模塊化設(shè)計，在實現(xiàn)8通道裝配的同時，既提高了工藝裝配效率，又提高了裝配的一次成品率；通過合理的工藝設(shè)計和腔體設(shè)計，實現(xiàn)了151只裸芯片的裝配問題和盒體的密封性問題，并實現(xiàn)了優(yōu)越的微波性能；通過采用新型盒體材料，成功解決了裝配過程中的熱匹配問題，大大簡化了工藝裝配難度；通過采用T/R組件自動化測試系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了單個組件上百萬的數(shù)據(jù)采集、分析和報表，提高了工作效率。

參考文獻

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Design and Implement of Ku-band Wideband 8-channel T/R Module Based on LTCC Substrate

GE Jiang-na

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050001，China)

Abstract:This paper introduces the design idea and implement method of a kind of Ku-band wideband 8-channel T/R module.In view of some difficulties such as higher working frequency,broader bandwidth,more channels,complex function,more bare chips,limited height and so on,such advanced technologies as low temperature cofired ceramic (LTCC),multi-chip module (MCM) and modular design are adopted in the module,the miniaturized 8-channel T/R module with low noise,light weight and complete functions is developed successfully.For the module,the output power of the single channel is 34 dBm,and the recepted noise coefficient is 3.5 dB,the digital controlled attenuator and digital controlled phase shifter is 6 bit,the module height is 6.6 mm,the total weight is only 87.2 g,and the average weight of each channel is only 10.9 g.The module has been in the stage of mass production.

Key words:Ku-band wideband;8-channel T/R module;low temperature cofired ceramic;multi-chip module;modularization

收稿日期:2016-01-03

中圖分類號：TN713

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0074-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.019