唐 亮，陳利杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

隨著相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展，射頻與微波收發(fā)模塊經(jīng)歷了從分立多通道模塊到多通道模擬陣列模塊以及現(xiàn)在多通道數(shù)字陣列模塊的發(fā)展歷程。未來(lái)高性能相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展也對(duì)數(shù)字陣列模塊提出了更高的要求，而系統(tǒng)級(jí)封裝集成技術(shù)的發(fā)展使其實(shí)現(xiàn)成為可能[1,2]。半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了微波系統(tǒng)集成技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的快速發(fā)展。在物理尺寸方面，具備獨(dú)立能力的微波芯片體積向納米量級(jí)發(fā)展；在功能方面，實(shí)現(xiàn)在有限條件下芯片和系統(tǒng)能力的最大化。單元數(shù)字化收發(fā)SIP是應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，集模擬、數(shù)字以及高速傳輸?shù)亩喙δ苄酒绕骷?將接收支路和發(fā)射支路有機(jī)結(jié)合起來(lái)的核心模組[3]。

本文介紹了一種S頻段單元數(shù)字化收發(fā)SIP模塊的研制，SIP使用器件包括CMOS、GaAs、GaN以及MEMS等。通過(guò)單元數(shù)字化架構(gòu)設(shè)計(jì)、AlN基板一體化設(shè)計(jì)、腔體架構(gòu)和器件布局，實(shí)現(xiàn)了SIP的小型化并達(dá)到了優(yōu)異的指標(biāo)。

1 SIP設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

單元數(shù)字化收發(fā)SIP功能包括低噪聲放大、功率放大、上下變頻、高速采集、波形產(chǎn)生以及調(diào)制電源等，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。收發(fā)之間采用環(huán)行器，在接收支路采用平衡式低噪放，天線(xiàn)端的反射信號(hào)被平衡式低噪放中電橋的負(fù)載吸收，從而保證了收發(fā)狀態(tài)良好的駐波匹配[4]。

圖1 數(shù)字化收發(fā)單元實(shí)現(xiàn)框圖

單元數(shù)字化收發(fā)SIP集成度高，電磁兼容性復(fù)雜，采用了新材料和新工藝，這些應(yīng)用都提高了數(shù)字收發(fā)單元設(shè)計(jì)、制造及工藝裝配的難度。SIP通過(guò)MCM高密度微組裝工藝，集成低噪聲放大、GaN功率放大、變頻以及調(diào)制電源等芯片，實(shí)現(xiàn)模擬射頻前端的功能，同時(shí)搭載了高速ADC、DDS及電源等元件，實(shí)現(xiàn)了單通道數(shù)字高速采集和波形產(chǎn)生等功能[5]。

1.2 接收支路設(shè)計(jì)

SIP接收支路主要完成信號(hào)的低噪聲放大，并對(duì)射頻工作頻帶外信號(hào)進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)頻譜搬移后，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成信號(hào)采集，送FPGA進(jìn)行處理。對(duì)接收支路具體增益分配如圖2所示，可計(jì)算出接收模擬前端的噪聲系數(shù)NF=2.06 dB

圖2 接收支路指標(biāo)分配

綜合考慮ADC對(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)的影響，將ADC看成是一個(gè)附加噪聲源，通過(guò)計(jì)算出接收模擬前端與ADC的組合噪聲系數(shù)，根據(jù)組合噪聲系數(shù)的變化來(lái)衡量ADC量化噪聲對(duì)靈敏度的影響[6]。由經(jīng)典的噪聲系數(shù)定義，可推導(dǎo)出系統(tǒng)組合噪聲系數(shù)為：

式中，M為接收機(jī)的輸出噪聲功率與ADC的量化噪聲功率的比值，NF為接收機(jī)自身的噪聲系數(shù)。由式（1）可知，M值越大，ADC的量化噪聲對(duì)接收機(jī)與ADC組合后的總噪聲系數(shù)的影響就越小。SIP集成14位ADC，其典型滿(mǎn)刻度輸入信號(hào)電平VFS是2VP-P（600 Ω阻抗），SNR為69 dB，求得M為67.4。

1.3 發(fā)射通道設(shè)計(jì)

DDS產(chǎn)生中頻激勵(lì)信號(hào)，輸出功率為-10 dBm，末級(jí)發(fā)射功率要求＞50 W（47 dBm），所以發(fā)射支路的增益要求大于激勵(lì)57 dB。發(fā)射支路的增益分配如圖3所示。

圖3 發(fā)射支路的增益分配

30%占空比下，單個(gè)數(shù)字收發(fā)SIP電源和功耗統(tǒng)計(jì)如表1所示。設(shè)計(jì)總輸出功率為50 W，按30%占空比狀態(tài)下平均功率36.946 W折算總輸入功率為123.153 W，計(jì)算數(shù)字收發(fā)單元的效率等于組件總平均輸出功率和組件總平均輸入功率之比為40.6%。

表1 30%占空比下數(shù)字收發(fā)SIP電源和功耗統(tǒng)計(jì)

1.4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

單元數(shù)字化收發(fā)SIP涉及到微波小信號(hào)、大功率發(fā)射、高速采集和波形產(chǎn)生以及調(diào)制電源等多種形式，而且電路集成度高，電磁兼容性復(fù)雜。因此從腔體效應(yīng)、電源完整性以及收發(fā)隔離等幾個(gè)方面進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)[7]。

腔體效應(yīng)是數(shù)字化收發(fā)SIP EMC設(shè)計(jì)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，腔體的諧振頻率和高Q值會(huì)導(dǎo)致組件工作不穩(wěn)定，而且腔體內(nèi)部具體的場(chǎng)分布特征也可能導(dǎo)致組件整體上的失敗或成品率的低下等。設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)是腔體的諧振頻率在工作頻帶之外[8]。另外，在熱耗嚴(yán)重的地方（如末級(jí)功率芯片）不能有高強(qiáng)度的場(chǎng)分布，避免出現(xiàn)自激振蕩，同時(shí)增強(qiáng)末級(jí)功率放大器的抗失配比對(duì)發(fā)射支路的穩(wěn)定性也有很大的實(shí)際意義。

電源的完整性設(shè)計(jì)對(duì)組件的正常、穩(wěn)定工作至關(guān)重要。造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面，一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下瞬態(tài)的交變電流過(guò)大，二是電流回路上存在電感。通過(guò)改變組件內(nèi)部的接地方式，尤其是多層基板內(nèi)部的接地方式，可以在多層布線(xiàn)結(jié)構(gòu)要求和地平面阻抗之間找到平衡點(diǎn)，對(duì)各種電源之間進(jìn)行地的隔離等來(lái)改善電源之間的干擾等[9]。此外，保證組件發(fā)射支路和接收支路之間無(wú)干擾，采用收發(fā)電源分時(shí)工作，確保收發(fā)之間完全隔離。

1.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單元數(shù)字化收發(fā)SIP由殼體、蓋板、SMP連接器、差分連接器、微帶板以及各種元器件組成。殼體采用50%硅鋁材料氣密封裝，殼體底部材料采用高熱導(dǎo)率的鋁硅，熱流密度較大的末級(jí)功率放大器芯片底部燒結(jié)熱導(dǎo)率更高的金剛石銅，以提高散熱效率。數(shù)字化收發(fā)單元的對(duì)外接口（SMP連接器、差分連接器）排布在殼體底部，與多通道一體化數(shù)字收發(fā)電路垂直盲配連接，以方便維修更換[10]。單元數(shù)字化收發(fā)SIP結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。由于采用易于加工的硅鋁合金，殼體整體加工成形，襯底與殼體表面改性后釬焊，蓋板與殼體激光封焊。該工藝方案的特點(diǎn)是鋁硅材料密度小，熱物性能與碳硅鋁相近，與碳硅鋁相比材料具有可加工性，盒體可以整體加工，重量更低。此外，采用激光焊的工藝方法同平行封焊工藝方法相比，焊縫質(zhì)量更加可靠。

圖4 單元數(shù)字化收發(fā)SIP結(jié)構(gòu)示意圖

2 指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，研制S波段單元數(shù)字化收發(fā)SIP。圖5為數(shù)字收發(fā)SIP的實(shí)物照片，對(duì)SIP的電信指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線(xiàn)如圖6所示，數(shù)字收發(fā)單元研制技術(shù)指標(biāo)要求和實(shí)際測(cè)試結(jié)果具體如表2所示。SIP在工作頻帶內(nèi)100 MHz信號(hào)帶寬工作時(shí)，輸出功率≥40 W、噪聲系數(shù)≤2.46 dB、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍≥60 dB、效率≥40.6%。同時(shí)基于單元數(shù)字化收發(fā)SIP完成了數(shù)字陣列體制瓦片式天線(xiàn)陣面的樣機(jī)研制，可滿(mǎn)足多功能雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

圖5 單元數(shù)字化收發(fā)SIP實(shí)物圖

圖6 測(cè)試結(jié)果

表2 數(shù)字收發(fā)單元研制技術(shù)指標(biāo)要求及測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

采用單元數(shù)字化方案和基于AlN陶瓷基板一體化集成設(shè)計(jì)，本文成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)滿(mǎn)足典型雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)需求的S波段單元數(shù)字化收發(fā)SIP。經(jīng)測(cè)試，該SIP在大信號(hào)帶寬工作模式下實(shí)現(xiàn)了較好的電氣性能，輸出功率、效率以及傳輸速率等關(guān)鍵指標(biāo)均有提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了射頻和數(shù)模信號(hào)的混合集成和組件小型化?？蓮V泛應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)和測(cè)控通信等數(shù)字陣列體制的電子系統(tǒng)中。此外，在該SIP的研究過(guò)程中，對(duì)單元數(shù)字化、小型化LTCC濾波器、MEMS濾波器、基于AlN的高密度集成、寬帶信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸以及電磁兼容技術(shù)均做出了有益的嘗試，積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并取得了良好效果，對(duì)后續(xù)數(shù)字收發(fā)組件設(shè)計(jì)也具有重要的借鑒意義。