基于MCM技术的X波段四通道T/R组件设计

季 帅 张慧锋 严少敏 潘栓龙

(西安导航技术研究所 西安 710068)

0 引言

有源相控阵雷达是现代雷达发展的一个重要方向，其应用前景广阔，已受到各国的广泛重视并得到大力发展。T/R 组件是有源相控阵雷达的最关键部分之一，其性能、成本直接决定着雷达系统的设计，在有源相控阵雷达中起着举足轻重的作用。小尺寸、高性能的T/R 组件研制在现代雷达系统中的作用愈发重要。低温共烧陶瓷(LTCC)技术是一种高集成度高密度多层电路封装技术，其3D 结构为传统微波介质板电路设计引入了全新的思路与实现方式［1-2］。

LTCC 技术是MCM 技术微波电路中的核心，该技术的工艺流程概述如下:利用低温烧结陶瓷粉形成高密度且厚度精确的生瓷带，采用激光打孔、精密导体浆料印刷等方式在生瓷带上形成所需要的电路，同时将无源元件深埋其中，内部设计有互连导体，经叠压后，在900℃下高温烧结，制成3D 电路网络的无源集成组件，形成的电路表面可以贴装各种裸芯片，也可制成内置无源元件的3D 电路基板，形成成无源/有源集成的功能模块【3】。

本文采用LTCC 基片、陶瓷基片等简单成熟工艺，利用高密度封装技术—多芯片组件(Multi-Chip Module，简称为MCM)技术和微带混合集成电路技术实现了对X 波段T/R 组件的封装设计。该封装具有集成度高、散热性好和可靠性高等特点，能够应用于X 波段二维有源相控阵T/R 子阵的工程研制。

1 设计原理

T/R 组件的构成一般可以分成射频电路、控制电路、电源三个部分，其电路原理图如图1所示。其中射频电路主要完成发射信号的高功率放大过程和回波信号的低噪声放大接收过程;控制电路主要功能有以下两种:一是为射频电路中的数控移相器、数控衰减器提供数字控制信号，二是为射频电路收发开关提供控制信号切换电路的发射、接收状态;电源为射频电路中的有源元器件和控制电路中的数控器件提供必要的直流电信号。

图1 组件电路原理图

本文所设计的T/R 组件考虑其生产批量性，采用四通道方式实现，其射频电路部分主要包括射频功能部分和功率分配部分。射频功能部分主要完成收发切换、功率放大、低噪声接收、移相衰减、定标耦合等功能;功率分配主要完成四路回波信号的功率合成和发射激励信号的四等分功率分配。

2 组件收发链路

本文所设计的四通道T/R 组件主要采用微带混合集成电路和多芯片组装(MCM)技术实现。MCM(多芯片组装)技术是指将多个无外部封装的芯片安装于高集成度高密度多层电路基板上，并将该电路基板封装于高密度封闭的管壳或腔体内，利用MCM 组装技术结合微带混合集成电路技术完成微波电路设计可以大幅减小系统的体积和复杂程度。

单通道组件的收发链路如图2所示，发射通道包含隔离器、GsAs 前级驱动放大器、GsAs 功率放大器;接收通道包含限幅器、GsAs 低噪声放大器;公共通道包含多功能芯片、环形器和定标耦合器。其中，隔离器的作用是防止回波信号泄露至发射通道，该泄露信号经发射通道放大后将由环形器耦合至接收通道阻塞接收机，影响系统的接收性能;多功能芯片的主要功能主要包括数控衰减、数控移相和功率放大;环形器主要完成收发开关的作用，用于切换组件收发状态;定标耦合器主要完成发射的定标耦合输出和接收时的定标耦合输入。

图2 收发链路示意图

2.1 发射链路计算

根据所选取的器件，末级功率放大器工作在饱和放大状态时，其饱和输出功率为41dBm，该放大器后端由环形器、定向耦合器和微波接插件引入功率损耗，由工程计算，衰减约1.4dB，故发射通道功率输出为39.6dBm，即9W。

2.2 接收链路计算

噪声系数是衡量接收机性能的一个很重要的指标，由公式(1)可以看出总噪声系数和接收链路前几级器件密切相关，即耦合器、环形器、限幅器。

由链路仿真软件计算可知接收通道噪声系数为3.11dB，增益为30.3dB，链路仿真软件计算过程如图3所示。

图3 接收链路计算示意图

3 无源电路设计

3.1 微波电路三维垂直互联结构

射频微波电路垂直互联结构，主要采用的是中心通孔结合周边接地孔实现互联，其中通孔传输微波信号，周边接地孔为微波地，其特性阻抗可根据同轴传输线的计算得出［7］:

其中d 为中心通孔直径，D 为周边接地孔分布圆环的直径。

通孔在电路中引入的是寄生电感，电感值可由式(3)求得，在通孔的表面加焊盘可以引入寄生电容，电容值可由式(4)求得，其中a 为传输线与接地孔焊盘的间距，b 为传输线的宽度;c 为垂直互联过孔的焊盘直径;d 为垂直互联过孔的孔径，h 为通孔的深度，通过调节这几个参数的值就可以使寄生电感与寄生电容相互抵消，从而实现上下层电路的匹配，信号实现互通【4-5】。

通过计算求得d，D 以及焊盘直径，用三维电磁场仿真软件HFSS 进行建模仿真，仿真模型如图4所示，通过对各参数进行优化，得到符合指标要求的电路参数。

图4 垂直互联仿真模型

仿真结果如图5所示:

图5 垂直互联结构的S 参数

从图5 中可以看出垂直互联结构的驻波在1.3以内，插损在0.1dB 以内，达到了匹配传输的要求。

3.2 功分LTCC 电路板的设计

功分器主要完成四个收发通道的功率分配和合成，在发射时用作发射激励信号的功率分配，接收时完成四路接收信号的功率合成。LTCC(低温共烧陶瓷)技术是一种高集成度高密度多层电路封装技术，其3D 结构为现代微波收发组件设计引入了全新的思路与实现方式。

利用LTCC 技术完成传统微带功分器的设计，一方面可以在LTCC 电路表层完成MMIC 裸芯片的组装;另一方面，将功分器设计在LTCC 多层电路基板中并通过通孔完成与表层芯片的互连，使得微波传输线变短，进而大幅度提高了组装密度，改善了收发组件的频率特性和传输效率;其三，由于采用通孔完成了多层电路板内部的微波传输，减小了组件的互连寄生参数，有利于提高收发组件系统的带宽和性能指标;其四，将该LTCC 功分器置于LTCC 基板底层，可实现微波电路的良好接地，保证微波信号的传输性能。

所设计的LTCC 功分器仿真结构图如图6所示，仿真结果如图7所示。功分器为一分四一级威尔金斯功分器，采用阶梯型阻抗匹配，利用输出端口间串联的隔离电阻可实现输出端口间的信号隔离。本文选用金为导体，板材厚度为0.635mm，介电常数为9.9，50Ω 阻抗线宽为0.6mm，70.7Ω 阻抗线为0.23mm，采用薄膜电阻作为100Ω 隔离电阻。

功分器的仿真结构和仿真结果如图6、图7所示:在X 波段8-11GHz，如图所示，四个输出端口公分比均为6.4dB，匹配度良好，所设计的LTCC 功分器最终电路版图如图8所示。

图7 LTCC 功分器仿真结果图

图8 LTCC 功分器布版图

3.3 定标耦合器的设计

定标耦合器主要完成发射的定标耦合输出和接收时的定标耦合输入，本文采用陶瓷片作为介质基片实现定标耦合器的设计以保证更高的耦合精度和一致性。仿真结构如图9所示:

选用介电常数为10.6 的陶瓷片作为定标耦合器的介质基板，金作为导体，板材厚度为0.508mm，50Ω 阻抗线宽为0.64mm，采用薄膜电阻作为50Ω接地电阻，仿真结果如图10所示，端口耦合度为22dB，隔离度为27dB。

图9 定标耦合器仿真结构图

图10 定标耦合器仿真结果

4 MCM 微组装电路设计

在MCM 微组装电路设计中，为保证组件系统的微波传输性能，需实现高密度多层微波基板以及射频芯片与微波组件外部封装腔体的有效烧结，以实现基板和芯片的良好接地和散热。烧结的方式主要有以下两种:其一是利用高性能导电胶直接进行粘接;其二是在高温下利用金鍺、金锡等导电良好的金属完成烧结。本收发组件中所涉及到的功率芯片属于中小功率微波放大器件范畴，对散热要求不高，故本文采用导电胶粘接的方式来实现收发组件系统的微组装。

在微组装电路设计过程中，芯片与芯片、芯片与微带线的互联多采用金丝线键合的方式实现，故金丝键合线的性能指标对微波信号的传输特性至关重要。微组装中所采用的金丝键合线的等效电路模型如图11所示【6】。

图11 金丝键合等效电路模型

对长度为l(mm)、直径为d(mm)的金丝键合线，其串联电感L(H)和串联电阻R(Ω)可由以公式表征:

当d/ds≤3.394 时:

当d/ds≥3.394 时:

其中:μ0为空气介质的磁导率;μr为金丝键合线介质的相对磁导率;ρ 和ds分别为金丝键合线介质材料的电阻率和趋肤深度。

在设计由放大器、混频器等微波器件构成的多芯片链路微波电路时，用于连接芯片输入、输出端口的金丝键合线，其特性阻抗需设计为50Ω，以保证与芯片输入、输出端口的阻抗匹配特性。一般情况下，金丝键合线拱高与跨距应满足以下设计要求:同跨距情况下，保证金丝键合线的拱高尽量低;同拱高情况下，金丝键合线的跨距尽量短;采用金丝完成芯片键合时，尽量采用2 ～3 根金丝完成芯片的键合，以保证电路组装的稳定度以及芯片对输入功率、电流的要求。

5 电磁兼容性设计

T/R 组件中，射频器件多，高低功率器件装在一起，空间耦合影响大，电磁兼容问题很严重，一是各功能模块电路之间的相互影响，如发射通道和接收通道之间、微波电路和波控电路之间，二是通道之间的相互耦合。

本文主要采用腔体隔离的方法来实现各功能电路及发射、接收通道间的电磁干扰隔离。进行组件的分腔设计时，要防止组件的腔体出现谐振。若将组件腔体视为矩形波导，则存在一定的谐振频率，当工作频率接近于谐振频率时，内部的微波器件器件将不能正常工作。腔体对应的截止频率fc应是工作频率f 的3 ～4 倍，而腔体的宽度可由公式:w=c/2fc得出，该腔体宽度将有效减小辐射信号对微波元器件的影响，而腔体的高度应是微带板厚度的10倍以上，同时小于其宽度W。根据该方式进行组件的分腔设计将有效提高组件内器件的工作效能，并提高各通道、功能电路的电磁隔离度。

为了改善通道之间的隔离度，拟采用如图12所示的方式，设计腔体时将其内隔墙抬高，以嵌入内盖板对应的隔板槽内，此时即使内盖板未能与腔体紧密接合，通过内凹槽的结构也能够显著改善通道间的隔离度。

图12 改善通道隔离的内嵌盖板结构

6 结束语

本文采用LTCC 基片、陶瓷基片等简单成熟工艺，利用高密度封装技术—多芯片组件(Multi-Chip Module，简称为MCM)技术实现了对X 波段T/R 组件的封装设计。该封装具有集成度高、散热性好和可靠性高等特点，能够应用于X 频段二维有源相控阵T/R 子阵的工程研制。

［1］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko Active RF Components［J］.RF circuit design Theory and Application，2002.

［2］J-M.Dieudonne，B.Adelseck，Advanced MMIC components for Ka-band communication systems，a survey，IEEE microwave systems conference，1995.

［3］Vafa-Sedghi，Abdolali-Abdipour，Ahbas-Mohammadi，A flat conversion gain sub-harmonically pumped image rejection mixer in MM-Wave band.Microwave and Millimeter Wave Technology，2004.ICMMT 4th International Conference on，2004，8:312-315.

［4］Cohn，S.B，Characteristic Impedance of Shielded Strip Transmission Line，IRE Trans.Microwave Theory Tech.，1954，2:52-55.

［5］Bahl，I.J.，and R.Garg，Designer's Guide to Stripline Circuits，［J］Microwaves，1978，17:69-90.

［6］Gunston，M.A.R.，Microwave Transmission-Line ImpedanceData［M］，VanNostrand-reinhold，London，1972.