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

日益復雜的戰(zhàn)場環(huán)境和各類載體平臺苛刻的安裝條件對射頻系統(tǒng)的多功能、集成一體化設(shè)計技術(shù)提出了緊迫的要求[1-2]，尤其是在武器平臺傳感器功能多元化、輕量化、模塊化的發(fā)展趨勢下，研究體積小、重量輕、集成度高的標準化集成式前端勢在必行。

同時，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)的先進性與集成度最高，該類系統(tǒng)在天線單元橫向尺寸嚴格受限(通常為工作頻率高端半波長)的情況下，將各種復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，形成標準化、低剖面、可擴展的集成前端。其對于機載、彈載、星載等資源與空間十分緊張的平臺，具有巨大的吸引力。但同時，由于設(shè)計與實現(xiàn)難度大，應用領(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)部詳細的實現(xiàn)細節(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、中頻合成網(wǎng)絡、電源控制網(wǎng)絡等部分。其中，射頻、本振、控制及中頻網(wǎng)絡對應的傳輸線均采用內(nèi)埋于LTCC基板內(nèi)的封閉式帶狀線方式實現(xiàn)，同一層內(nèi)不同種類的信號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)成的準同軸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信號互聯(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，共包含四個功能層，由前至后依次為多層貼片天線層、本振功分網(wǎng)絡層、射頻放大與變頻層(限幅、低噪放、混頻)、電源與中頻信號合成層。

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]，由金屬化過孔強制對下層主貼片饋電，并通過內(nèi)部空間將能量耦合至頂層的寄生輻射貼片，整個天線單元輻射結(jié)構(gòu)由共計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?，提高相鄰通道間的隔離度?？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前端的背面(相對于天線輻射陣面)，在50mm×50mm面積的陶瓷基片上制作出16個14mm×5mm×1mm的矩形表面空腔，將限幅器、兩級低噪放、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(過孔及微帶)及由本振網(wǎng)絡饋入的本振信號(過孔及微帶)在這里完成混頻后將中頻信號送入下一功能層。

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，本層是各個不同頻率信號的匯集區(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)絡的準同軸結(jié)構(gòu)。本文在設(shè)計過程中，通過對芯片、腔體間相對位置及傳輸線參數(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

本振網(wǎng)絡的主體為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準要求的限制(主要是線寬)，所采用的單個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)計可避免因帶狀線寬度過細對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)絡的回波損耗均小于-15dB。

如圖10中本振功分網(wǎng)絡的傳輸系數(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

每個接收通道的中頻信號是由鏡像抑制混頻器輸出的兩路正交IQ信號構(gòu)成，這兩路信號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，繞線過于復雜，且由于面積有限，無法形成有效隔離，最終會造成各通道中頻干擾嚴重。因此本文采用了通過線圈纏繞實現(xiàn)移相的中頻合成芯片，單個芯片封裝后尺寸為10mm×8mm×5mm，能夠滿足結(jié)構(gòu)要求。

圖11中詳細給出了中頻網(wǎng)絡的走線，由混頻器輸出的兩路正交信號，通過BGA焊球輸入陶瓷蓋板上的電橋芯片內(nèi)，電橋?qū)陕氛恍盘柡铣珊筝敵鲋亮⑹脚啪€插座。圖12則給出了16個位于蓋板上的電橋芯片(白色部分)的具體位置。

每路中頻信號從混頻器輸出后，需要經(jīng)過三段帶狀線及兩段準同軸結(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。

6 直流控制信號鏈路

整個射頻前端內(nèi)的直流控制信號的布局如圖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，單個插座的可用針腳數(shù)可達60個，完全能夠滿足同時傳輸中頻與直流信號的條件。

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

直流信號由排線插座饋入后，由不同的管腳引出帶狀線控制信號，再通過金屬化過孔的準同軸結(jié)構(gòu)，由蓋板與下層的連接處導入芯片下方，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100pF的旁路電容(主要作用為濾除高頻毛刺)。電容與相應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

前端內(nèi)部的網(wǎng)絡均采用帶狀線形式，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力作用，大面積的實心金屬地存在較大的實現(xiàn)風險(容易造成曲翹、開裂)。

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

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

8 接口設(shè)計

8.1 射頻接口

考慮到接收通道本振信號的輸入，以及外接測試的需要，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)，在完成射頻信號傳輸?shù)耐瑫r，兼顧安裝焊接的可實現(xiàn)性。這種連接器的接口為微帶轉(zhuǎn)探針，安裝時不會對脆弱的陶瓷基板產(chǎn)生額外的壓力，同時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/直流信號接口

中頻/直流信號的接口選用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。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。通過對瓦片式前端中不同功能電路的仿真優(yōu)化，驗證了整體設(shè)計的有效性。

整個前端結(jié)構(gòu)的尺寸僅為50mm×50mm×4mm，且總重量小于30g，非常適合應用于機載、星載、彈載等體積質(zhì)量嚴重受限的平臺。其低剖面、標準化、模塊化的突出特點代表了未來傳感器或通信系統(tǒng)硬件前端的發(fā)展趨勢。