劉昊東，吳洪江，余小輝，馬戰(zhàn)剛

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

微波組件是雷達和通信系統(tǒng)中的重要硬件支撐部分，承擔著信號的放大、混頻、調制和幅相控制功能。為了滿足性能更加強大的雷達和通信系統(tǒng)的需求，設備前端所使用的天線陣列規(guī)模越來越大，所需要的信號也越來越復雜，對于微波組件的技術指標來說，就需要在同樣甚至更小的體積下有著更多的通道數、更高的通道間一致性和隔離度、更好的電磁兼容和更低的功耗，同時還要保證組件在極端環(huán)境下的可靠性。因此，微波組件正在向著小型化、輕量化、高工作頻率、多功能、高可靠性和低成本等方向發(fā)展[1-2]。然而，目前傳統(tǒng)的微波多芯片模塊和組件已經漸漸無法滿足小體積、低功耗的需求。

本文介紹了一種以硅基三維集成器件為基礎的三維集成微波組件，采用盒體單層開腔，電源和信號集成至一整塊多層混壓PCB 板的形式[3-4]，將80%的射頻和中頻芯片、器件集成在硅基三維集成器件中，采用BGA安裝形式，晶圓級鍵合封裝，頂層還可以表貼阻容、電橋等無源器件；再將硅基模塊、中頻LC 濾波器、溫補衰減器、π 型衰減器和穩(wěn)壓電路、控制電路等所需要的器件表貼在PCB 板上形成完整的收發(fā)鏈路和控制電路，最終研制出的微波組件相對于其原型接收機增加了發(fā)射功能和一路多功能通道的情況下，整體體積降低至原接收機的一半，實際使用體積僅有原接收機的1/3；組件采用單層開腔、多層混壓PCB 板、通道功能硅基模塊化、整體裝配自動化的設計思路，使多功能組件在保證大批量生產的一致性的同時大幅降低所需要的裝配時間，提高組件大批量生產效率，降低人力成本和手工裝配所帶來的不穩(wěn)定性。

1 原理設計

收發(fā)組件的原理框圖如圖1 所示。收發(fā)組件主要分為發(fā)射部分、接收部分和電源及驅動電路部分[5-6]：

圖1 收發(fā)組件原理框圖

發(fā)射部分包括一路發(fā)射通道，對發(fā)射激勵信號進行調制和功率放大，可輸出28.5 dBm±1.5 dB 的脈沖發(fā)射信號。

接收部分輸入包括兩路差信號接收通道，一路低中頻和接收通道，一路高中頻和接收通道和一路輔助校準通道；輸出包括兩路差信號，一路低中頻和信號，一路高中頻和信號和一路輔助接收信號。其中，高低中頻的和信號接收通道共用一個輸入端口，輔助接收信號和高中頻和信號由切換開關控制共用一個輸出端口，主要功能為對從天線輸入的三路射頻信號進行變頻、濾波和放大，可為微弱信號提供30 dB 接收增益，且通過消隱開關和數控衰減器組合實現接收信號的增益、衰減和關斷的狀態(tài)切換，確保接收通道在接收大信號時仍能正常工作，且不會因發(fā)射通道的高功率信號泄漏損壞。

電源及驅動電路包括穩(wěn)壓電路和低電壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)電平轉換電路，為組件電路提供所需的穩(wěn)定工作電壓和控制信號。

2 組件電路及結構設計

2.1 硅基三維集成模塊設計

硅基三維集成模塊以硅晶圓為原材料，采用微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工藝制作多層基板，在基板上制作各種集成無源器件，并將GaAs、GaN、互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)等材料制成的芯片以燒結、粘接、鍵合、倒裝焊等微組裝工藝填埋在基板內部或表面而制成，在實現相同功能和指標的情況下可以大幅降低組件體積和信號傳輸損耗[7]。硅基三維集成模塊的剖面結構圖如圖2 所示。

圖2 硅基三維集成模塊剖面結構圖

由于硅基三維集成模塊在射頻下的優(yōu)異性能和高一致性，本次將收發(fā)鏈路中的大部分器件均集成進硅基三維集成模塊中，將溫補衰減器、LC 濾波器、隔離器等體積較大的器件采用獨立貼裝的方式進行裝配。本次硅基三維集成模塊采用5 層硅基板堆疊，第一層硅基下表面制作鎳金焊盤，用于BGA 植球；硅基采用干法刻蝕芯片掩埋腔體，采用微組裝工藝將單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)裝入芯片腔體中，并通過金絲鍵合實現互連；頂面貼裝元器件提高集成度。

2.2 單元電路設計

2.2.1 發(fā)射通道設計

發(fā)射通道要求發(fā)射輸出信號為調幅脈沖信號，具有100 kHz 和500 kHz 兩種重復頻率，輸入功率-1～4 dBm，輸出功率在環(huán)境溫度下全頻帶內要求28.5 dBm±1.5 dBm，預調制深度大于80 dBc，因此整體電路分為驅放硅基模塊和功放硅基模塊，驅放硅基模塊集成單刀單擲開關、衰減器、驅動放大器和電源調制芯片等，功放硅基模塊集成單刀單擲開關、功率放大器、可編程負壓穩(wěn)壓芯片、電源調制芯片、濾波電容、調壓電阻等；功放芯片選用一款寬帶GaAs 放大器，小信號增益28 dB，飽和輸出功率30 dBm，動態(tài)漏極電流小于0.6 A，飽和輸出以保證帶內平坦度和輸出功率要求。

輸出端貼裝隔離器以優(yōu)化端口駐波、增加端口反向隔離度。

2.2.2 接收通道設計

接收通道包括的主要器件包括硅基模塊、LC 濾波器、溫補衰減器等。硅基模塊按照通道功能分為和差通道硅基模塊、輔助/高中頻和通道硅基模塊和中頻放大硅基模塊。

和差通道硅基模塊首先包括由一對單刀雙擲開關、限幅器、低噪放、數控衰減器組成的消隱開關電路，實現導通(增益30 dB±2 dB)、衰減(衰減量25±3 dB)、關斷(通斷比51 dB±3 dB)三態(tài)控制；由于低中頻和通道需要輸出一路射頻信號給高中頻和通道進行混頻，消隱開關后接功分器芯片，差通道不需要功分輸出時，將另一路的輸出端口以50 Ω 負載接地即可；功分器后接由鏡像抑制混頻器和90°電橋組成的鏡像抑制混頻電路，可提供20 dB 的鏡像抑制；電橋輸出混頻后的中頻信號，后接一中頻放大器，提供中頻增益。90°電橋和中頻放大器外圍電路皆為表貼器件，集成在硅基模塊最頂層。

輔助/高中頻和通道硅基模塊與和差通道硅基模塊類似，在其基礎上去掉了消隱開關電路，輸入端只保留限幅器。

中頻放大硅基模塊集成中頻放大器和其外圍電路，位于接收鏈路的最后端，保證信號經過溫補衰減器和LC 濾波器后中頻輸出功率滿足要求。

2.2.3 電源及驅動電路設計

外部電源輸入組件后，通過線性穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓后再為有源器件提供電源，提高電源電路的抗干擾能力。

外部輸入的控制信號為LVDS 差分信號，組件內部使用晶體管-晶體管邏輯電平(Transistor-Transistor Logic，TTL)進行開關、衰減、功放調制等控制功能，因此需通過LVDS 接收電平轉換器件將六路LVDS 信號轉換為三路TTL 信號。為了避免信號通過控制電路產生串擾，和差通道分別采用獨立的開關驅動器以提高通道間隔離度。驅動電路原理框圖如圖3 所示。

圖3 驅動電路原理框圖

2.2.4 本振電路設計

本振信號通過帶狀線進行傳輸，通過威爾金森功分器形式，采用二功分器，進行兩次信號一分二，從而實現了本振的四路等分。為滿足混頻器的本振輸入功率要求，將本振信號先功分后再放大，輸入到和差三路接收通道及輔助和路通道，保證混頻器的本振功率需求。

本振輸入功率為8～12 dBm，經過兩級功分器后，加上微帶線的損耗，每路輸出功率約為0 dBm，放大器增益為25 dB，輸出1 dB 壓縮點14 dBm，放大器處于深飽和狀態(tài)，不利于本振鏈路的諧雜波抑制，故在放大器之前增加約10 dB 的衰減，同時可起到提高路間隔離的作用。此時，本振放大器可輸出功率14 dBm，可滿足混頻器的正常工作需求。

2.3 射頻傳輸結構設計

2.3.1 PCB 基板及走線設計

本次組件采用單板設計，雙層射頻基板與單層低頻基板混壓，走線共六層：前四層為兩層雙面射頻基板壓合，表層射頻微波信號采用共面波導形式進行傳輸，并在輸入端口增加λ/4 短路線用于中頻信號隔離，中層組成帶狀線結構進行本振信號傳輸，且做埋阻以提高威爾金森功分器隔離度；后兩層為低頻基板；六層布線采用信號-屏蔽地的交錯結構，信號層均可用于電源和低頻控制信號傳輸。多層板采用包邊處理，以增加電路板強度，且可以增強電路板接地效果[8]。板上電氣過孔均樹脂塞孔表面覆銅，保證焊盤平整度的同時，防止通孔溢錫污染焊盤，另設計有若干孔徑0.3 mm 的非金屬化透氣孔，在燒焊電路板時可以降低電路板空洞率。

2.3.2 波導-微帶過渡結構設計

接收部分的和差射頻輸入信號均采用壓縮波導進行傳輸，而組件內部使用射頻基板與微波基板混壓的多層PCB 板作為電路基板，采用共面波導形式進行射頻信號傳輸，以降低射頻信號在混壓板上的損耗。因此，射頻信號在進入組件時，需要實現兩種傳輸形式間的轉換。由于轉換結構位于接收通道最前端，因此其插入損耗和回波損耗對端口的匹配效果和通道的噪聲系數有極大的影響[9]。

常見的波導過渡形式主要有以下三種結構：(1)波導-脊波導過渡；(2)波導-鰭線過渡；(3)波導-微帶探針過渡[10]。然而以上三種結構由于加工精度要求較高，裝配較為困難，且在惡劣的使用環(huán)境下難以保證傳輸性能的穩(wěn)定，因此本次設計采用較為穩(wěn)定的波導-同軸-共面波導過渡形式。

設計中對過渡模型進行了仿真，建模如圖4 所示，最終仿真曲線如圖5 所示，可見在工作頻帶內，插入損耗小于0.15 dB，回波損耗小于-15 dB，滿足組件使用要求。

圖4 波導-同軸-共面波導過渡結構仿真模型

圖5 波導-同軸-共面波導過渡結構仿真結果

在實際生產時，需要考慮盒體的加工方式和絕緣子的安裝方式。本次設計采用從波導頂部向下打孔的方式加工出絕緣子的安裝孔，裝配時通過波導頂部的孔裝入絕緣子；另設計了波導堵蓋，采用合適的焊料燒焊在盒體上以保證波導結構完整。

2.3.3 垂直互連設計

由于硅基集成器件采用BGA 植球工藝進行裝配，為了降低微波信號在硅通孔-錫球-共面波導過渡結構和硅通孔-錫球-帶狀線過渡結構中傳輸時產生的損耗和串擾，需要對信號的垂直互連結構進行仿真設計。

圖6(a)為硅通孔-錫球-共面波導過渡結構設計，圖6(b)為硅通孔-錫球-帶狀線過渡結構設計。信號自硅基模塊底部焊盤輸出后，均通過直徑400 μm 的錫球與電路板焊盤進行連接，球心間距設為800 μm；硅基模塊和電路板內的傳輸線兩側均鋪設接地面，通過接地面與焊球間的電容效應拓寬頻帶；垂直通孔均采用類同軸結構，在信號通孔周圍以通孔中心為圓心等半徑放置接地孔作為屏蔽孔，不僅可以起到對電磁場的束縛和屏蔽作用，而且可以抑制由電磁場不連續(xù)性激發(fā)的寄生高次模[11-13]。同樣，在BGA 的信號球周圍等間距設置屏蔽球，可以實現物理支撐和信號屏蔽作用，降低外部信號串擾，提高通道間隔離度。圖7 和圖8 為兩種互連結構工作頻帶內仿真結果。

圖6 信號的垂直互連結構仿真模型

圖7 硅通孔-錫球-共面波導垂直互連結構仿真結果

圖8 硅通孔-錫球-帶狀線垂直互連結構仿真結果

2.4 結構設計

組件盒體采用防銹鋁材料，外表面導電氧化，內部局部鍍金；對外信號接口均為密封式接頭，除和差通道波導輸入端口為壓縮波導形式外，剩余射頻和中頻端口均為SMA 接頭，電源和控制信號采用J30J 插頭連接。為了保證通道間隔離度，在電路板表面緊固活動隔墻以實現腔體隔離。

3 實物裝配與測試

設計完成后，按照要求對結構件和電路板進行了加工，并根據組件內各種元器件的特點按照成熟溫度梯度的加工工藝設計了合適的工藝流程：

(1)將電路板燒焊在盒體上；

(2)將硅基模塊、穩(wěn)壓器、絕緣子、濾波器、隔離器、阻容等各種表面貼裝器件貼裝到電路板和盒體上；

(3)用低溫焊料貼裝硅基模塊上的90°電橋、阻容，并燒焊波導堵蓋；

(4)緊固裝配活動隔墻；

(5)將低頻插排的導線手工焊接至電路板；

(6)將隔離器的輸入輸出端口采用150 μm 金帶楔焊鍵合至電路板。

裝配完成后，對其進行了測試，各接收通道增益曲線如圖9(a)所示，發(fā)射通道輸出功率曲線如圖9(b)所示，其余主要指標結果如表1 所示。

表1 其余主要指標測試結果

圖9 組件實物測試曲線

由測試可知，在工作頻帶內，接收鏈路增益和發(fā)射輸出功率均滿足指標要求，發(fā)射通道關斷比≥90 dB，脈沖信號前后沿延遲時間為25 ns，和差接收通道噪聲系數≤5.6 dB，鏡頻抑制≥22 dB，通道間隔離度≥50 dB，驗證了組件設計的可行性。圖9(a)可見和2 通道增益相比其他三路增益稍低，這是由于和2 通路包含兩個硅基三維集成模塊，互連時增加了兩次射頻信號垂直傳輸和一段帶狀線導致的，可以通過調整硅基模塊內部固定衰減器或外部中頻π 型衰減器來調整增益。在設計時為了滿足外形要求，實際使用的體積僅占整體電路板的3/5，若按空間利用率最高進行設計，可以將體積降低至目前的1/2。

4 結論

本文基于硅基三維集成器件、PCB 混壓工藝、BGA堆疊和各種過渡結構仿真設計，設計并實現了一款Ku波段小型化三維集成收發(fā)組件，并給出了實測結果。組件通過各種三維集成小型化技術，在減小整體組件體積的同時，大幅降低了設計、生產和調試難度，提高了產品的可生產性和一致性。硅基三維集成器件的高精度光刻工藝使其實際應用頻率可以達到100 GHz，然而，對于Ka 波段或以上的頻率來說，多層混壓PCB 的過孔加工精度難以保證；同時，由于硅基工藝和BGA 工藝的散熱能力有限，難以應用于輸出功率較大的發(fā)射鏈路。因此，本次三維集成組件的設計思路更適用于輸出功率較低的微波組件，在應用于毫米波頻段時，需要盡量縮短在PCB 上的傳輸距離，重點關注垂直互連結構的設計。綜上所述，應用硅基器件的三維集成組件設計方法在T/R組件、毫米波通信和探測、寬帶收發(fā)組件等領域均具有一定優(yōu)勢，對于實際工程中多功能微波組件的小型化和批量化生產有一定的借鑒意義。