一种宽带幅相一致变频组件的设计与实现

王　勇

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种宽带幅相一致变频组件的设计与实现

王勇

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

摘要：介绍了一种宽带幅相一致变频组件的设计思路并给出测试结果。该组件在6～18 GHz工作频带内，幅度一致性≤±2.5 dB，相位一致性≤±25°，噪声系数≤7 dB。该变频组件采用了微波多芯片组件(MMCM)工艺，具有小型化、模块化、通用化的特点。

关键词：宽带；幅相一致；微波多芯片组件

0引言

随着电子战技术的不断进步，对宽带微波前端变频系统的指标要求越来越高，体积小、重量轻及可靠性高已成为对微波前端变频系统的通用要求。

在目前的船用雷达侦察设备中，已开始采用相位干涉仪测向法来代替传统的多波束比幅测向法。在相位干涉仪测向系统中利用天线及微波前端变频系统所接收的雷达信号之间的相位差来进行测向，相位差的准确与否对整个测向系统的测向精度影响显著。因此，实现不同测向单元中天线及微波前端变频系统的相位一致成了相位干涉仪测向系统的关键所在。

本文借助单片微波集成电路(MMIC)及微波多芯片组件(MMCM)集成技术等新器件和新工艺，实现了一种应用于相位干涉仪测向系统的6～18 GHz幅相一致变频组件。

1组件概述

6～18 GHz幅相一致变频组件由频率预选电路、变频电路和中频放大电路三部分组成(见图1)，具体包含限幅器、开关、放大器、滤波器及混频器等多种类型的集成电路芯片。

2组件的设计考虑

2.1组件的小型化及电磁兼容性设计考虑

6～18 GHz幅相一致变频组件的小型化设计是本组件实现过程中的主要难点之一。为了实现这个目标，组件充分利用了MMCM微组装工艺带来的优势，尽可能多地使用未封装的MMIC芯片来实现微波信号的传输和处理。组件采用环氧导电胶粘接法将MMIC芯片与组件盒体可靠地粘接。同时采用金丝键合的方法实现MMIC芯片与MMIC芯片、片式电容和微带线间的信号互连。在芯片焊盘尺寸允许的情况下，应尽量同时键合2根或3根金丝，以提高微波性能和键合的可靠性[1]。

图1　6～18 GHz幅相一致变频组件组成框图

组件的数字控制信号及电源信号复杂，所以组件内容易出现由电源及数字控制信号线引入的低频干扰信号。为了消除低频干扰隐患，电源及数字控制信号线需合理布局，同时需在电源及数字信号控制线上加低频和高频旁路去耦电容。共用电源及数字控制信号的不同微波器件之间，其偏置电路需串接电磁兼容滤波器或者射频扼流线圈，避免信号在不同微波器件之间串扰，引入低频干扰信号[2]。

2.2组件的电性能指标设计考虑

6～18 GHz幅相一致变频组件的关键指标为幅度一致性、相位一致性、噪声系数和杂散指标。

2.2.1组件的幅度和相位一致性指标

组件的幅度和相位一致性指标一方面取决于所选元器件的幅度和相位一致性指标，另一方面取决于组件装配过程的一致性。以高频电路为例，MMIC芯片的幅度和相位一致性较好。下面将以相位一致性为例说明MMIC芯片装配过程，尤其是金丝键合一致性的重要性。

若传输频率为18 GHz的信号，根据公式(1)可知其波长为16.7 mm：

(1)

式中:λ为信号波长(单位：mm)；c为光速(3×108m/s)；f为信号频率(单位：Hz)。

图2为高频电路中金丝键合的示意图。在装配过程中，每处金丝键合点均会引入一定的键合误差。以手动键合机WB7476E为例，在键合跨距为0.2 mm的情况下，其键合金丝的跨度、拱高及精度数据记录[3]见表1。

图2　高频电路中金丝键合的示意图

金丝编号跨度拱高金丝编号跨度拱高金丝编号跨度拱高10.3440.073110.341-210.354-20.351-120.359-220.3630.06130.3320.095130.344-230.354-40.3560.078140.341-240.335-50.3590.036150.346-250.350-60.300-160.346-260.335-70.323-170.326-270.326-80.3570.040180.331-280.3380.03890.3490.089190.366-290.3450.051100.3480.054200.351-300.342-跨度精度试验中所需键合跨度约为0.335mm,实际键合跨度最大值为0.366mm,最小值为0.300mm,误差最大值为0.066mm。拱高精度金丝键合的拱高不易控制,最大值为0.095mm,最小值为0.036mm,误差最大值为0.059mm。

从表1可知，手动金丝键合的跨度误差大致分布在0.03～0.066 mm，每100处金丝键合累积的键合误差可达3～6.6mm，即产生64.67°～142.28°相位误差(18 GHz处)。为了改善和补偿金丝键合过程中引入的相位误差，在本组件的设计过程中做了如下工作：

(1) 在组件内部所有金丝键合处标记金丝键合点，尽量将金丝键合跨度误差降低，如图3所示。

图3　金丝键合标记点示意图

(2) 在组件调试过程中，针对已产生的金丝键合跨度累积误差，采用电长度补偿法，将相位误差降低到合理范围内。电长度补偿采用贴装U型传输线的方式，如图4所示。

图4　电长度补偿U型线示意图

2.2.2噪声系数和杂散指标

组件的噪声系数指标和杂散指标需要进行协同设计。当组件的总增益确定以后，需要对信号链路的增益进行合理分配。增益分配首先要考虑组件的噪声系数，一般来说，变频电路前的放大增益要高，以减少变频电路和中频放大电路的噪声对组件噪声系数的影响。但是，若变频前增益过高，则会影响组件的杂散指标。

根据公式(2)可计算组件的噪声系数。若设计合理，组件的噪声系数主要是由第1级放大器的噪声系数及第1级放大器前的无源电路决定，即：

(2)

综合考虑，组件在输入信号动态范围内，尽量保证进入变频电路的最大功率小于-10 dBm，这样可以同时实现较优的噪声系数和较低的杂散信号功率。

3微波组件的实现与测试结果

6～18 GHz微波变频组件实物外形如图5所示。

图5　6～18 GHz幅相一致变频组件实物外形图

经测试，微波组件实现的主要技术指标如表2所示。

表2　微波组件主要技术指标列表

6～18 GHz幅相一致变频组件具有小型化、模块化和通用化的特点，适合小型化整机的安装要求。

参考文献

[1]严伟,符鹏,洪伟.LTCC微波多芯片组件中键合互连的微波特性[J].微波学报,2003,19(3):30-34.

[2]廖原,冯恩信.小型化高增益微波发射组件电磁兼容设计[J].火控雷达技术，2011，40(2)：57-60.

[3]李孝轩.微波多芯片组件微组装关键技术及其应用研究[D].南京:南京理工大学,2009.

Design and Realization of A Wideband Amplitude-phase Consistent Frequency Conversion Subassembly

WANG Yong

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces the design thought of a wideband amplitude-phase consistent frequency conversion subassembly and gives the measurement result.For the subassembly,the amplitude consistency is less than ±2.5 dB,the phase consistency is less than ±25° and the noise coefficient is less than 7 dB in the frequency range of 6～18 GHz.Microwave multi-chip module (MMCM) technology is used in the subassembly,and the frequency conversion assembly has many advantages such as miniaturization,modularization and generalization.

Key words:wideband;amplitude-phase consistency;microwave multi-chip module

收稿日期:2010-0-0

中图分类号：TN61

文献标识码：B

文章编号：CN32-1413(2016)02-0071-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.018