余承偉，馮 磊

Ku頻段LTCC上變頻模塊設(shè)計(jì)

余承偉，馮 磊

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)小型化需求，介紹了一種基于LTCC技術(shù)的Ku頻段上變頻模塊設(shè)計(jì)。采用薄膜微組裝工藝，設(shè)計(jì)了小型化高性能多工器，利用低溫共燒陶瓷 （LTCC）技術(shù)，通過對(duì)LTCC微波信號(hào)過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，以及帶傳輸零點(diǎn)的高抑制度X和Ku頻段LTCC濾波器的設(shè)計(jì)，使小型化的同時(shí)模塊的電性能指標(biāo)得到保證。最終實(shí)現(xiàn)的Ku頻段LTCC上變頻模塊的體積為39.2 mm×33.1 mm×13 mm，約為原來的1/8，LTCC技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化。

LTCC；小型化；薄膜；上變頻器；濾波器

引用格式：余承偉，馮 磊.Ku頻段LTCC上變頻模塊設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2016，46（5）：60-64.

0 引言

近年來電子裝備微型化，輕量化，高可靠性要求越來越強(qiáng)烈，小型化已經(jīng)成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要體現(xiàn)。Ku頻段上變頻模塊實(shí)現(xiàn)將C頻段（2.5～3 GHz）上變頻至Ku頻段（14～14.5 GHz），并提供一定的增益和增益控制功能，是Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。但目前Ku頻段上變頻模塊體積仍然偏大，成為制約衛(wèi)星通信系統(tǒng)體積進(jìn)一步縮小的一個(gè)重要因素。低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)［1-2］以多層布線三維立體結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)，在提高微波電路組裝和互連密度實(shí)現(xiàn)小型化方面具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。本文利用LTCC技術(shù)，通過對(duì)濾波器進(jìn)行多層設(shè)計(jì)以及引入傳輸零點(diǎn)、對(duì)高頻過渡采用改進(jìn)的“馬蹄型”結(jié)構(gòu)形式等優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，最終實(shí)現(xiàn)了高性能小型的Ku頻段上變頻模塊。

1 電路構(gòu)成

Ku頻段LTCC上變頻模塊的電路構(gòu)成如圖1所示。

圖1　Ku頻段LTCC上變頻模塊電路構(gòu)成

為了縮小整體體積，將多工器與變頻模塊集成一體化設(shè)計(jì)，輸入端為C頻段和10 M參考信號(hào)合路輸入，經(jīng)過一個(gè)小型的薄膜多工器分離出C頻段信號(hào)和10 M參考信號(hào)，10 M參考信號(hào)經(jīng)過一個(gè)7階低通濾波器濾波后供給鎖相源。鎖相源輸出本振信號(hào)經(jīng)過2個(gè)帶通濾波器對(duì)本振諧波進(jìn)行抑制，和一個(gè)放大器將本振放大到混頻器所需要的功率，供給混頻器；C頻段信號(hào)經(jīng)過模擬控制和數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變頻模塊進(jìn)行增益調(diào)整，然后經(jīng)放大輸入給混頻實(shí)現(xiàn)上變頻，混頻器輸出的Ku頻段信號(hào)經(jīng)過2次帶通濾波后放大，既保證了對(duì)混頻后的本振泄露有足夠的抑制，又使輸出信號(hào)有足夠的增益和功率。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 C頻段電路設(shè)計(jì)

C頻段電路主要包括薄膜多工器、模擬衰減器、數(shù)控衰減器和一個(gè)放大器。為了實(shí)現(xiàn)更小的體積，薄膜多工器采用芯片式感容替代傳統(tǒng)表貼式感容設(shè)計(jì)，通過金絲鍵合和導(dǎo)電膠粘結(jié)等微組裝工藝實(shí)現(xiàn)，其中芯片電感首次以石英基片為襯底，利用石英較低的介質(zhì)損耗和良好的一致性，設(shè)計(jì)出的螺旋電感體積小且方便薄膜電路集成，由于傳輸線縮短，寄生參數(shù)減小，薄膜多工器較傳統(tǒng)多工器在小型化和性能上均有提升，如表1所示。

表1　傳統(tǒng)多工器與小型化多工器性能對(duì)比

模擬衰減控制選用HMC973LP3E，該款衰減器采用0～+5 V單電壓控制即可實(shí)現(xiàn)0～26 dB的衰減范圍，主要對(duì)變頻模塊在不同溫度環(huán)境下的增益變化進(jìn)行補(bǔ)償。Hittite公司的 6位數(shù)控衰減器HMC425能夠?qū)崿F(xiàn)0.5 dB步進(jìn)、最大31.5 dB的衰減，滿足對(duì)變頻模塊及整機(jī)的增益在-55～85℃溫度范圍下進(jìn)行高精度寬幅度的控制，且為裸片形式，易于在LTCC基板上集成，2款衰減器均通過ARM芯片實(shí)現(xiàn)CAN總線控制。

C頻段放大器選用NC1074C-0835低噪聲放大芯片，該芯片在0.8～3.5 GHz可提供27 dB增益，且靜態(tài)電流僅為55 mA，減輕了模塊的功耗壓力。

2.2 本振電路設(shè)計(jì)

本振電路主要由鎖相源PLS11500、2個(gè)中心頻率11.5 GHz的LTCC帶通濾波器及一個(gè)放大器組成，為了提高集成度，設(shè)計(jì)中本振電路與混頻電路分在基板兩面布局，因此需要完成11.5 GHz信號(hào)在兩面間過渡，具體通過微帶-帶狀-微帶線過渡形式實(shí)現(xiàn)。PLS11500為最新款的HTCC小型化鎖相源，內(nèi)部集成VCO芯片、鑒相器芯片和環(huán)路濾波器等，采用HTCC工藝，將電路版圖與管殼一體化，輸出11.5 GHz相位噪聲可達(dá)：≤-68 dBc/Hz@100 Hz；≤-80 dBc/Hz@1kHz；≤-87dBc/Hz@10 kHz；≤-97 dBc/Hz@100 kHz。

2.2.1 微帶帶狀線過渡

在傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，受限于介質(zhì)或工藝的不足，往往無法實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)在不同層間過渡，而LTCC技術(shù)就能很好地解決這一問題，本振電路中，為了實(shí)現(xiàn)本振11.5 GHz信號(hào)在不同層間的傳輸，首先需要解決微帶-帶狀線間低損耗的轉(zhuǎn)換。通常情況，可以用金屬通孔模擬同軸結(jié)構(gòu)的方法來完成層間傳輸，為了補(bǔ)償頻率較高時(shí)通孔帶來的電感效應(yīng)，需要在過渡處引入較大的金屬托盤進(jìn)行容性補(bǔ)償，如圖2（a）所示。為了增強(qiáng)屏蔽，改善過渡效果，本文對(duì)同軸型進(jìn)行改進(jìn)，采用“馬蹄型”過渡結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)同軸型，通過延伸微帶地與帶狀線地上的屏蔽孔，加強(qiáng)屏蔽減少過渡結(jié)構(gòu)與外部金屬層間的互擾，如圖2（b）所示。2種過渡結(jié)構(gòu)過渡特性的仿真對(duì)比如圖3所示，從結(jié)果來看，“馬蹄型”結(jié)構(gòu)的回波損耗要稍優(yōu)于傳統(tǒng)同軸型，性能更優(yōu)，滿足過渡要求，回波損耗起伏較大主要是由于器件焊盤過大而微帶線過寬導(dǎo)致阻抗不匹配。

圖2　微帶帶狀線過渡結(jié)構(gòu)

圖3　2種過渡結(jié)構(gòu)仿真對(duì)比

2.2.2 LTCC濾波器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)變頻模塊體積之所以很難做小，一方面是因?yàn)闆]能采用體積更小或者功能更強(qiáng)的有源芯片，另一個(gè)重要方面就是傳統(tǒng)微帶或集總型的濾波器體積無法縮小，本設(shè)計(jì)中采用全新工藝的LTCC濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)微帶濾波器，大大縮小了濾波器的體積。

為了實(shí)現(xiàn)高抑制度的帶通濾波，除了要求濾波器具有良好的矩形系數(shù)［3］外，在抑制頻率抑制點(diǎn)引入傳輸零點(diǎn)也是非常有效的手段。

對(duì)于理論上的傳輸零點(diǎn)［4-5］是指?jìng)鬏敽瘮?shù)等于零的頻率點(diǎn)，此時(shí)能量完全不能通過網(wǎng)絡(luò)而起到隔離作用，通常有2種方式能阻隔能量的傳輸：全反射和能量短路到其他支路（一般為地）。

一般情況下，隨著頻率的升高，集總元件的Q值不斷地降低，微波損耗逐漸增大，再加上頻率較高時(shí)集總LC不可避免地寄生耦合效應(yīng)［6］，集總參數(shù)元件已經(jīng)不適用高頻濾波器的設(shè)計(jì)。對(duì)于分布參數(shù)結(jié)構(gòu)，帶狀線和短接線是構(gòu)成濾波器諧振體2種比較常用的形式，在高頻段，這類結(jié)構(gòu)與低頻段的集總結(jié)構(gòu)相比更為緊湊，體積更小，且更易加工。為實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)，可以將電感或者電容與分布參數(shù)的諧振體連接起來，如圖4所示，Zc為諧振體的特性阻抗，θ為電長度，Cp、Lp分別為為實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)而引入的串聯(lián)電容和串聯(lián)電感。

圖4 分布型濾波器傳輸零點(diǎn)的引入

圖4（a）所示的阻抗為：

要實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)則阻抗必須為零，則

式中，θp為諧振體在傳輸零點(diǎn)頻率處的電長度。同樣，圖4（b）所示的阻抗為：

要形成傳輸零點(diǎn)則阻抗必須為零，于是，

因此，對(duì)于分布參數(shù)的微波諧振體［7］，無論是引入串聯(lián)電容還是串聯(lián)電感都會(huì)在諧振頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。本振電路以及Ku頻段電路中的LTCC濾波器正是采用如圖5所示引入串聯(lián)電容的方式實(shí)現(xiàn)高抑制度的LTCC帶狀線諧振體濾波器。

圖5　帶狀線諧振體濾波器結(jié)構(gòu)

對(duì)于微波頻段，一般把帶狀線作為無耗線來處理，當(dāng)一段帶狀線處于磁導(dǎo)率為μ0，介電常數(shù)為ε的均勻介質(zhì)中時(shí)，其單位長度上的分布電容［8］C1和分布電感L1分別為：

式中，w為帶狀線的導(dǎo)帶線寬；b為兩接地板間的距離。LTCC帶狀線諧振體濾波器實(shí)質(zhì)就是埋置在介質(zhì)內(nèi)部的帶狀線構(gòu)成諧振單元，再加上不同介質(zhì)層上的金屬導(dǎo)帶之間形成的耦合電容而得到，通過設(shè)計(jì)不同長度和寬度的帶狀線，以及選擇合適的介質(zhì)，得到不同的分布電容和分布電感，根據(jù)諧振頻率［9-10］ω=1/ LC，就能實(shí)現(xiàn)在某一中心頻率諧振，同時(shí)滿足帶內(nèi)損耗、帶寬和阻帶等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的帶通濾波器。

LTCC帶狀線諧振體濾波器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何規(guī)劃濾波器的層數(shù)和不同層金屬導(dǎo)帶的樣式，以及利用LTCC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將濾波器的體積盡可能做到更小。一般情況下，分布型濾波器是由1/4或者1/2波長諧振體［11］構(gòu)成，單根微帶或者帶狀線很難把體積縮小，本文利用LTCC多層設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，采用疊層的形式通過寬邊耦合，電流可等效為自上而下通過2層帶狀線，從而實(shí)現(xiàn)在不增加平面尺寸的情況下加長電長度［12］，有效地減小了濾波器體積。

本振電路中的11.5 GHz帶通濾波器采用四階LTCC帶狀線諧振體濾波器，選用的介質(zhì)材料為介電常數(shù)為5.9的Ferro A6M，單層厚度為0.094 mm，損耗角正切為0.002，共分11層設(shè)計(jì)，內(nèi)部金屬層采用銀材料，運(yùn)用三維仿真軟件Ansys HFSS建立的模型和仿真結(jié)果分別如圖6所示，整體尺寸為3.1 mm×2 mm×1.1 mm。

圖6　11.5 GHz LTCC帶通濾波器三維模型及仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果來看，11.5 GHz處仿真損耗小于1 dB，由于串聯(lián)電容的引入以及各級(jí)諧振體之間的電磁耦合效應(yīng)，LTCC濾波器的上下邊帶均出現(xiàn)了傳輸零點(diǎn)，對(duì)8.5 GHz和17 GHz的抑制度均在50 dB以上，二級(jí)LTCC濾波器保證對(duì)本振輸出雜波有足夠的抑制。加工出來的濾波器實(shí)物與原來采用的微帶濾波器對(duì)比圖如圖7所示，濾波器體積小于原來的1/10。

圖7　11.5 GHz微帶濾波器與LTCC濾波器實(shí)物對(duì)比

2.2.3 本振放大器

本振電路的本振放大器選用 Hittite公司的MMIC芯片HMC441，該芯片在8～12.5 GHz提供16.5 dB增益，輸出1 dB壓縮點(diǎn)大于16 dBm，可為混頻器提供足夠的本振驅(qū)動(dòng)電平。

2.3 Ku頻段電路設(shè)計(jì)

Ku頻段電路包括混頻器、2級(jí)放大器和2個(gè)14 GHz帶通濾波器，混頻器采用HMC553，HMC553 為Hittite公司的無源雙平衡MMIC混頻器，當(dāng)本振功率為+13 dBm時(shí)，變頻損耗約為8 dB。為了盡量減少器件型號(hào)，放大器仍采用HMC441，保證給后級(jí)的功率放大器提供所需的驅(qū)動(dòng)電平。

為了減小體積，14 GHz帶通濾波器仍采用上節(jié)的LTCC帶狀線諧振體濾波器形式，介質(zhì)材料還是采用Ferro A6M，因?yàn)橹行念l率的升高，需要對(duì)帶狀線型諧振體的尺寸和傳輸零點(diǎn)重新設(shè)計(jì)，最終HFSS三維模型和仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　14 GHz LTCC濾波器三維模型及仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看，采用LTCC帶狀線諧振體形式的14 GHz帶通濾波器對(duì)11.5 GHz本振信號(hào)有高達(dá)70 dB的抑制，在14～14.5 GHz帶寬內(nèi)損耗為1 dB左右，平坦度小于1 dB，很好地滿足了性能要求。這里采用2級(jí)濾波，主要為了防止加工誤差造成濾波器零點(diǎn)偏移而導(dǎo)致濾波器抑制度降低，確保雜散指標(biāo)。

3 模塊設(shè)計(jì)及測(cè)試

Ku頻段LTCC上變頻模塊選用的介質(zhì)材料為Ferro A6M，共分11層設(shè)計(jì)，LTCC變頻模塊截面圖如圖9所示，微帶線占3層，為了提高集成度，器件分在上下兩表面布局，層間又分直流信號(hào)和控制信號(hào)走線，為了保證MMIC器件焊盤和表層微帶線在一個(gè)平面上，并且芯片地盡量與微帶地一致，避免地電流造成不穩(wěn)定，這里采用介質(zhì)基板上挖腔的處理方法。

圖9　LTCC變頻模塊截面圖

另外，為了保證基板平整，同時(shí)增強(qiáng)接地散熱效果，相鄰層間的鋪地設(shè)計(jì)采用交錯(cuò)網(wǎng)格形式，如圖10所示，這樣防止金屬分布不均導(dǎo)致基板翹曲的同時(shí)，也增強(qiáng)了信號(hào)屏蔽效果［13］。

圖10　網(wǎng)格鋪地

Ku頻段LTCC上變頻模塊基板加工完成后，進(jìn)行器件裝配，所有器件均采用導(dǎo)電膠粘結(jié)的方式安裝，MMIC器件與微帶間用金絲鍵合連接，最后將裝配完成的基板焊接在盒體上，裝配完成的模塊的尺寸為：39.2 mm×33.1 mm×13 mm，體積約為采用傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)相同功能模塊的1/8。裝配完成后模塊測(cè)試結(jié)果如下：

增益調(diào)整：數(shù)控衰減31.5 dB，0.5 dB步進(jìn)；

模擬衰減電壓逐毫伏可控，衰減幅度大于25 dB

測(cè)試結(jié)果表明，Ku頻段LTCC上變頻模塊不僅體積得到大大減小，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文在設(shè)計(jì)Ku頻段LTCC上變頻模塊過程中，一方面采用較小的裸芯片器件設(shè)計(jì)，減小寄生參數(shù)的同時(shí)大大提高集成度，另一方面采用LTCC多層設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高抑制度超小型的LTCC帶通濾波器，解決濾波器體積過大的問題，通過優(yōu)化過渡設(shè)計(jì)和屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決高頻信號(hào)在層間傳輸以及小型化所帶來的電磁屏蔽的難題，最終使模塊的小型化和高性能均得到保證。

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Design of a Ku-band Up-converter Based on LTCC Technology

YU Cheng-wei，F(xiàn)ENG Lei
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In this paper，the design of a Ku-band up-converter based on LTCC technology is presented.By using thin-film micropackaging technology，the multiplexer as one of the sub-circuits becomes smaller and performs well.The microwave signal transition structure in the module is simulated and analyzed，meanwhile，to achieve high rejection，the X and Ku band filters used in the module are designed with transmission-zeros on the stop band.Finally，not only do the test results of the up-converter meet all the design target well，but also the size is reduced to 39.2 mm×33.1 mm×13 mm，as big as 1/8 of the original，which means LTCC technology meets the requirements on miniaturization well.

low-temperature cofired ceramic（LTCC）；miniaturization；thin-film；up-converter；filter

TN73

A

1003-3106（2016）05-0060-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.16

2016-01-28

余承偉 男，（1984—），碩士，工程師。主要研究方向：微波射頻技術(shù)。

馮 磊 男，（1987—），助理工程師。主要研究方向：微波射頻技術(shù)。