基于微波多层板的小型化多通道接收前端设计

白 锐，高长征

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

1 引 言

随着相控阵雷达技术的发展，小型化多通道接收前端组件已经得到了越来越多的重视和应用[1]。而多层基板技术与微组装工艺的结合，可以显著减小产品的体积和重量，并提高产品性能,对于实现多通道前端组件的小型化和工程化应用，起到了重要的推动作用[2-3]。

多层基板如共烧陶瓷基板、硅基、金属基和多层电路印制板等，在微波产品中已经得到了广泛应用。但从成本、周期、工艺和工程化研制等方面考虑，多层印制板则更具有一定的优势[4-5]。

为进一步提高多通道接收前端组件的集成度，本文采用微波多层板结合MMIC、MEMS和LTCC滤波器等小型化器件的技术途径，通过对微组装工艺的优化改进和可靠性分析，使研制方案更具可行性和实用性。在电路上，增加可调衰减和电感电容等电抗元件，改善幅度和相位的一致性和可调性。在结构上，分析影响隔离度的原因，通过增加屏蔽盖板，进一步提高通道间的隔离度和屏蔽特性。按此方案实现的C频段四通道接收前端体积仅为120 mm×50 mm×12 mm，幅度和相位一致性分别小于±0.8 dB和±5°，通道间隔离度高于60 dBc。

2 电路设计

2.1 电路原理及主要技术指标

接收前端主要由4个接收通道和本振功分放大等部分组成，每个通道对信号先进行放大滤波，下变频到中频频率后，再经过放大、增益控制和滤波后输出，主要电路原理如图1所示。

图1 电路原理图Fig.1 Schematic diagram of circuit

接收前端的主要技术指标要求如下：

(1)增益：≥40 dB(5.3～5.9 GHz);

(2)噪声系数：≤3.5 dB；

(3)镜像抑制度：≥50 dBc；

(4)通道隔离度：≥50 dBc；

(5)幅度一致性：≤±1 dB；

(6)相位一致性：≤±5°；

(7)中频带外抑制：≥30 dBc；

(8)杂散抑制度：≥50 dBc。

2.2 设计方案

按照小型化和工程化的设计目标，接收前端采用微波多层板作为电路载体，利用微组装工艺实现电路装配和调试，应用轻质铝材料作为接收前端的封装管壳。

射频滤波器采用硅腔MEMS滤波器[6]，其体积仅为6.0 mm×6.0 mm×0.8 mm，比传统腔体滤波器的体积缩小几十倍。插入损耗小于2 dB，1 dB带宽大于1 GHz，带外抑制大于50 dBc@4 GHz&6.5 GHz，对于镜像频率的抑制可大于60 dBc。中频滤波器采用LTCC滤波器，体积为4.8 mm×4.8 mm×1.0 mm，带外抑制大于35 dBc。

其余元器件皆采用MMIC裸芯片，包括放大器、功分器和低通滤波器等。MMIC体积小，一致性高，便于集成。

2.3 微波多层板设计

作为电路载体，首先应选择硬质、热膨胀系数小和铜箔附着能力强的板材，其强度好，不易形变，可靠性高;其次，选择高频板，介电常数低，损耗小。另外，还要考虑制作多层板的工艺和难度。

本文多层板设计采取4层混压板结构，如图2所示。顶层采用Rogers的RO4350B，介电常数约为3.48。第2～4层采用FR-4系列的S1000-2B半固化片，介电常数约为4.8。合理地设计每层介质厚度，防止翘曲，成品厚度约为1.2 mm。

图2 多层板模型示意图Fig.2 Model diagram of the multilayer board

电路布局时，要考虑共地处理，电磁屏蔽和层间隔离，防止串扰。微波信号在顶层传输，低频信号、电源和控制信号等在中间层通过。多层板的通孔和盲孔都采用盘中孔工艺,即在孔金属化(镀铜)完成后，在孔内灌注环氧树脂，固化磨平后，再次金属化表面镀铜，蚀刻图形后再沉镍金。采用盘中孔工艺后不仅可以增加信号地的有效面积，还可以防止导电胶或焊料从通孔中溢至顶层表面，污染盘和带线。图3为微波多层板的实物图。

图3 多层板实物图Fig.3 Photo of the multilayer board

2.4 幅相一致性设计

在中频电路端，采用MMIC可调衰减器进行增益调整,其在1.05 mm×0.62 mm的面积上，设计有0.5/0/1 dB可选衰减量，通过金丝键合进行选择,调试方式简单、便捷。

相位一致性设计可从电长度、抗性元件等因素考虑[7]。在射频和本振电路端，如图4所示，采用并联或串联电容、串联电感等形式，对相位进行调节。电容采用Metal-isolator semiconductor(MIS)电容，其面积小，Q值高，在同一衬底上可实现4～6种电容值。也可利用陶瓷基板小电容，其工艺兼容，便于调节，装配简易[8]。电感可以利用一段或几段金丝的长短来代替，当需要感量较大时，可采用绕线电感实现。

图4 电容和电感组装图Fig.4 Assembly diagram of capacitor and inductor

采用MIS电容，在0.43 mm×0.43 mm的面积上有0.1～0.8 pF 4种电容值。在不影响插损的情况下，在工作频段，可以使相位超前或滞后5°～10°；采用直径0.2 mm、内径0.8 mm、匝数1圈的绕线电感，电感值约1～2 nH，在本振电路端可以使相位滞后20°～30°，对于提高多通道相位一致性的调试性，起到了很好的改善作用。

2.5 结构设计

为提高通道间的隔离度，在管壳内部采用一个金属材质的内屏蔽腔进行隔离。在芯片和带线位置，内屏蔽腔挖空，防止短路，而其他部位与顶层基板大面积接触，实现对各通道的信号隔离。内屏蔽腔采用螺钉固定在管壳底部。

内屏蔽腔嵌入管壳内部后，与管壳四周还是存在一定缝隙。尤其在射频输入端，信号通过缝隙和管壳内部空间，串扰到其他通道。经测试，相邻通道间的隔离度只有47 dBc。为改善隔离，在内屏蔽腔上方，再加载一个内盖板，采用螺钉分别固定在内屏蔽腔和管壳上，装配图如图5所示。这种方式增加了内屏蔽腔与管壳的共地面积，隔断信号通过空间和缝隙的串扰。经测试，相邻通道隔离度不小于60 dBc，其他通道间隔离度最高可达到80 dBc。

图5 装配图Fig.5 Assembly diagram

同时，射频接插件采用钎焊工艺固定，外盖板采用激光封焊工艺密封，使产品具有气密性，保护内部元器件，增强环境适应性。

3 微组装设计

3.1 MMIC芯片微组装

为了减小电路布局面积和提高微组装效率，一是利用多层板直接作为芯片载体，使用导电胶粘贴固定；二是芯片间互联，采用键合丝直接连接[9]，如图4所示。在推荐的芯片输入输出连接方式中，一般都采用两根金丝(25 μm)或一根金带(75 μm)键合到50 Ω欧微带线上进行过渡。为使电路布局更加紧凑，芯片间互联，直接采用一根键合丝(25 μm)连接。经过仿真软件进行仿真和实际测试，在工作频率12 GHz以下时，芯片的微波特性在分别采用一根金丝和两根金丝时差别很小。

3.2 MEMS滤波器的应用

在微波多层板上集成MEMS滤波器，首先，应考虑到滤波器的自身面积；其次，硅材料的热膨胀系数为2.5 ×10-6/℃，与基板存在一定差距；而且，滤波器和基板的结构都较为复杂。在温度等环境条件变化时，在滤波器与基板粘接界面会产生一定的应力，容易造成疲劳开裂。

为保证MEMS滤波器应用的可靠性，采用有限元分析法对MEMS滤波器受力情况进行分析。在基板厚度为1.2 mm、基板和管壳底部面积皆为100 mm×50 mm时，对滤波器的尺寸和管壳底部厚度变化进行应力分析,结果如图6所示。同时，考虑到基板上金属化过孔边缘应力集中和MEMS器件自身的结构特点，表1中的应力值按仿真结果的3倍得出[10-11]。

图6 MEMS滤波器最大主应力Fig.6 Maximum principal stress of MEMS filter

滤波器尺寸/mm管壳底部厚度/mm应力值/MPa20×104.511715×84.59810×104.59310×54.5886×64.57910×103.09810×102.0105

由表1可以看出，衬底厚度越厚，滤波器尺寸越小，其承受应力越小，可靠性越高。而作为硅片受力与断裂可能性之间的关系，当应力小于140 MPa时，断裂概率不超过0.001[12]。同时，采用低应力导电胶粘贴，也是缓解应力提高可靠性的有效方法。

3.3 LTCC滤波器的应用

在微波多层板上，为了使LTCC滤波器接地良好，插损小，并且便于装配，一般采取共晶焊接方式进行安装。但由于LTCC滤波器体积较大，热膨胀系数(6.5 ppm/℃)与基板(35 ppm/℃)存在一定差距，采用焊接方式会在滤波器与基板之间引入更大的应力失配。

为解决此问题，在基板与LTCC滤波器之间采用过渡层来释放应力[13],过渡层采用F4基板，体积为6.3 mm×5.2 mm×0.3 mm,先焊接好过渡板和滤波器，再一并焊接到多层基板上。这种方法对提高焊接的可靠性具有明显的改善作用。

4 测试结果及分析

按以上方案设计的C频段四通道前端组件的实物图如图7所示。采用矢量网络分析仪、噪声系数分析仪等设备对多套前端组件进行测试，全温环境下其测试结果如表2所示。

图7 接收前端实物图Fig.7 Photo of the developed receiver front-end

指标名称测试值通道增益/dB41～43通道噪声系数/dB≤3.2镜像抑制度/dBc≥60通道隔离度/dBc≥60幅度一致性/dB≤±0.8相位一致性/(°)≤±5中频带外抑制/dBc≥35杂散抑制度/dBc≥60

由于在电路中加载了温补衰减器，可使增益值在高低温环境中保持在41～43 dB之间,增益平坦度不大于±0.2 dB。在研制过程中，相位一致性的指标是主要调试项目。因为工艺原因，滤波器之间很难保证较好的相位一致性，加之每个通道中采用了两种滤波器，通道间相位差，最大会出现50°的偏差。但通过上述的增加抗性可调元件的调试方法，使调试工作更加便捷，相位一致性不大于 ±5°。

5 结束语

本文介绍了一种采用微波多层板设计的小型化多通道接收前端组件，给出了详细的设计方法和微组装工艺的优化措施。产品具有集成度高、设计难度小、调试简单、工艺可靠等优点。测试结果表明，该设计适应多通道接收前端的工程化研制,对今后其他小型化多功能组件的设计和应用具有一定的参考价值。

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