一种Ka频段瓦片式接收组件的设计与实现

贾世旺,韩　威,刘巍巍

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0　引言

不同频段T/R 组件已经广泛应用于有源相控阵雷达系统中，成为制约雷达性能的关键核心部件[1-2]。近几年，卫星通信、航天测控等系统对有源相控阵天线的需求也越来越强烈[3]，特别是小型化多通道T/R组件，成为国内各研究所、高校研究的热点[4-6]。随着微组装高密度集成工艺技术发展，集成度更高的瓦片式T/R 组件成为目前广泛研究对象。相比砖块式、刀片式等传统形态，瓦片式具有体积更小、重量更轻、集成度更高的特点，但工艺制造难度更大。瓦片式组件与砖块式相比体积能够降低70%以上，一般采用微波高频印制板、LTCC或HTCC基板结合多层堆叠技术方案，利用毛纽扣、微凸点、柔性结构、微型连接器等方式实现三维高密度封装[7]。文献[8]利用多功能微波集成电路芯片技术、多芯片组装技术提高集成度，研制了X～Ku频段，尺寸为41.8 mm×8 mm×8.2 mm、重量小于13 g的四通道瓦片式T/R组件，常温发射通道功率为27 dBm，接收通道增益28 dB，噪声系数小于4 dB。文献[9]提出了一种基于小截面脊波导的Ka 频段瓦片式TR 组件集成方案，并对小截面脊波导传输特性、脊波导/微带过渡和分配网络等无源电路开展了研究。文献[10]对下一代机载和空间相控阵系统T/R组件技术的发展进行了展望，总结了相关的半导体芯片技术、厚膜多层陶瓷基板工艺技术及三维高密度布线技术的优势。以X频段相控阵为例，给出了设计方案。

本文利用LTCC基板技术、球栅阵列BGA(Ball Grid Array)三维高密度集成技术，设计开发了一种适用于卫星通信、航天测控等领域的Ka频段四通道小型化瓦片式接收组件。

1　方案设计

相控阵组件设计难点在于组件x、y方向(假定天线接收为z方向)尺寸受限，必须考虑通过增加z方向高度来缓解XY平面的设计难度。

组件的通道间距与天线系统扫描角度相关，通道间距必须满足式(1)要求。

(1)

式中，θ为天线阵列的最大扫描角，λ表示天线阵列在真空中波长。

若天线阵列系统扫描角度要求大于60°，则接收组件通道之间的间距必须小于0.54λ。对于最高频率为21 GHz的接收组件，单通道的XY平面可用面积小于7.7 mm×7.7 mm。表1为Ka频段接收组件常用有源芯片、无源元件及互联结构尺寸大小汇总。

表1Ka频段常用芯片及互联结构尺寸大小汇总

名称尺寸/mm主要功能低噪声放大2．5×1．0接收信号低噪声放大滤波器[11]基板内部集成抑制发射通路噪声多功能芯片3．6×3．0数控衰减、数控移相固定衰减器0．6×0．6改善通道驻波芯片电容0．38×0．38耦合、隔直、电源去耦合路网络基板内部集成多通道射频信号的合路毛纽扣互联2．0(直径)射频信号连接BGA互联1．0～3．0(直径)射频信号连接

从表中数据可以看出，若采用平面平铺布局结构，无法在7.7 mm×7.7 mm的有效面积内实现全部电路芯片、互联结构的集成，因此必须采用砖块式纵向集成横向组装或横向集成纵向组装的瓦片式方案。

砖块式结构，元器件垂直于相控阵天线阵面纵向排列，各通道间通过金属腔体结构分割布局，电路结构简单，易实现，但纵向尺寸大，与天线阵列、合成网络等结构集成困难，一般通过小型连接器来实现，主要通过二维封装技术实现。

瓦片式组件采用分层结构，将各通道相同功能元器件集成在平行于天线阵面方向的平面上，通过垂直互联结构，实现各功能层的电性能互联、互通。瓦片式优点是组装密度高、纵向高度大幅降低、重量轻，可与天线阵列、合成网络等一体化设计集成。难点是层间互联结构设计及通道间耦合控制，电路设计难度大。

基于系统对小型化的要求及现有工艺制造能力，接收组件采用多层LTCC微波基板互联的瓦片式集成方案。

接收组件主要由低噪声放大芯片、滤波器、数控移相器、数控衰减器、4路合路网络、芯片电容及固定衰减器等元器件构成，各类元器件合计34只。瓦片式接收组件结构，按功能分为天线阵列层、低噪声放大层、多功能幅相控制层及合成网络等四层，方案中不包含天线阵列层设计，图1为接收组件内部结构布局示意图。

图1　瓦片式接收组件内部结构布局示意图

天线接收卫星下行信号后，经低噪声放大，滤除带外干扰、镜像噪声及发射带内过高噪声后，进入衰减、移相芯片实现幅相控制，4路信号经合路网络合成后输出。

系统要求组件工作频率为19.2～21.0 GHz，通道增益大于20 dB，噪声系数小于2.2 dB。

低噪声放大芯片选用成熟MMIC GaAs芯片，单片噪声小于1.7 dB，数控移相器、数控衰减器采用集成6位数控衰减、6位数控移相多功能芯片，滤波器采用分布带状线结构设计，4通道合路网络采用多层带状线Wilkinson结构，滤波器与合路网络均集成在LTCC基板内部。

式(2)为m级元器件级联噪声系数计算公式[12]：

(2)

式中，Nf为组件通道总噪声，Nfm分别为第m级元器件的噪声系数，Gm-1为第m-1级元器件增益。

表2为接收组件链路噪声系数、增益的理论计算结果，通道总增益为22.0 dB，通道总噪声系数1.96 dB，通道设计方案满足系统指标要求。

表2接收组件链路指标计算

链路组成增益/dB噪声/dB总增益/dB总噪声/dB馈线-0．20．2-0．20．20低噪124．01．723．81．90滤波器-1．81．822．01．91衰减器1-3．03．019．01．92低噪224．01．743．01．94多功能-11．011．032．01．94衰减器2-3．03．029．01．94合成网络-7．07．022．01．96

2　三维垂直互联

三维堆叠集成技术是在XY平面二维封装面积受限的情况下，向Z方向发展的组装技术。

将不同层基板电路上下叠层装配，主要利用上一层基板底面与下一层基板正面形成垂直互连结构。多基板的三维层间垂直互联是实现瓦片式小型化组件的核心技术，常用的微波垂直互联方案主要有：

① 毛纽扣。毛纽扣是由弹性镀金金属丝构成的导电结构，可以实现基板间的弹性互联，且无需焊接，方便拆卸检修。缺点是因尺寸较小，承重不大，存在振动易断裂的问题，且未与基板间焊接固定，使用时应考虑长期可靠性问题。

② 球栅阵列BGA。选用一定直径的焊球作为上、下基板互连导体，体积小、密度高，适合高频三维封装[13-15]，由于Ka频段使用的BGA球直径较小，一般在几百μm量级，从而对基板的对位精度提出了更高的要求，增加了工艺难度。

③ 微凸点。微凸点是在基板上通过半导体工艺制作微型焊料凸点，制作技术有：印制焊料凸点技术、激光植球技术、钉头凸点技术和凸点移植技术等。微凸点高度、直径均在数十μm量级，工艺实现过程复杂，适用于更高工作频率。

国内外不少文献对垂直互联问题开展了研究，表3为部分文献中垂直互联结构情况汇总。

表3垂直互联结构汇总

资料结构形式频率/GHz插损/dB回波/dB文献[5]球栅阵列8．4～14≤0．2≤-17文献[16]球栅阵列28．4～30．4≤0．36≤-15文献[17]毛纽扣DC～16≤1．25≤-15文献[18]SMPDC-18≤0．3≤-23文献[19]基片集成脊波导28～36≤0．45≤-12文献[20]锡球SMP9．5～10．5≤0．35≤-15

根据电路需求，考虑工艺实现难度，选用球栅阵列BGA“类同轴”结构作为最终垂直互联方案。依据同轴传输线特性阻抗计算公式，对类同轴结构进行计算分析。

(3)

式中，εr为同轴介质的介电常数，D为同轴结构外径，d为同轴结构信号孔内径。

LTCC基板开孔为机械冲孔，开孔大小与机械冲头相关。考虑到基板加工过程的收缩率，将信号开孔半径设为85.5 μm，经式(3)计算可知对于阻抗为50 Ω同轴结构的外部半径为647 μm。

为了保证性能，必须对传输结构进行补偿性设计，采用马蹄形“类同轴”结构，即在信号BGA球周围接地平面增加BGA球，形成近似连续同轴传输线结构。根据信号和接地的BGA球数量，分别对马蹄形“类同轴”结构建模，图2中(a)、(b)、(c)、(d)分别对映单球、3球、5球、9球BGA球互联模型。

图2　BGA球互联模型

图2中各模型表面传输线均采用带马蹄型接地的微带线结构，总长度为10 mm，基板厚度为0.5 mm，材料为Ferro A6M，通过BGA结构进行互联，仿真结果如图3所示。从结果可以看出，单球结构的插入损耗和带内损耗波动最大，工作带内损耗大于0.7 dB，不能满足传输性能要求。3球、5球、9球结构的插入损耗要远小于单球结构，3球的仿真结果略大，5球与9球结构的仿真结果接近。9球互联结构插入损耗最小，带内最大损耗小于0.21 dB，回波损耗小于-20 dB。

根据仿真结果，考虑加工制造及后期封装装配的难度，经优化设计，方案最终采用5球BGA互联结构，BGA球直径为300 μm，三维互联结构尺寸最大直径为1.5 mm。

加工“类同轴”BGA球互联结构实物后进行测试，结果如图3所示。互联结构在工作带内最大损耗小于0.3 dB，与仿真结果基本一致，满足接收组件毫米波信号传输要求。

图3　“类同轴”BGA球互联仿真及实测结果

3　合成网络及通道隔离设计

传统砖块式及刀片式接收组件的合成网络多采用独立模块，通过小型接插件的方式与射频通道进行互联。

为了降低瓦片式接收组件的z向高度，合成网络采用与通道一体化设计方案，同样采用多层LTCC基板实现，减小结构装配难度，同时显著降低组件高度。

集成在基板内部的四通道Wilkinson合成网络，采用6层LTCC基板实现带状线结构，隔离电阻使用厚膜RuO2浆料制备，埋置于多层LTCC基板内部，通过工艺控制，阻值精度达到15%以内。

为了降低各输入输出端口间耦合串扰，合成网络采用地平面包围结构来优化性能，图4(a)为合成网络仿真结构模型，地平面通过接地过孔实现互联。

使用Ansys HFSS进行全波电磁场建模，各端口回波损耗及传输损耗的仿真结果如图4(b)和图4(c)所示。从仿真结果可以看出，4合1合成网络各通道输出幅度一致性优于0.1 dB，插入损耗低于6.3 dB，回波损耗低于-20 dB。

为了优化接收组件各通道内部电磁屏蔽性能，在功能划分上采用低噪声放大器、幅相控制单元独立分层，并利用内部隔腔的方式降低通道间耦合串扰。图5给出了2×2瓦片式接收组件通道间隔离仿真结果。

通过将有源芯片放置在独立的屏蔽腔内，并利用栅格地进行隔离实现了通道间的高隔离，在工作频带内隔离度高于40 dB。

图4　合成网络仿真模型及仿真结果

图5　接收组件通道隔离度仿真结果

4　测试结果

采用LTCC工艺技术，制造了53层四通道接收组件基板。通过设置合理的温度梯度，完成了芯片、基板的焊接，采用BGA球结构实现了层间互联。

四通道接收组件集成封装产品实物及内部基板照片如图6(a)和(b)所示。图6(c)给出了组件的增益测试结果，带内增益大于20.7 dB。带内增益波动小于1.0 dB，功耗小于0.5 W，噪声系数小于2.1 dB，满足系统性能要求。

图6　接收组件实物及增益测试结果

接收组件尺寸为14.2 mm×14.2 mm×4.5 mm，重量小于3 g，与同等性能指标的刀片式结构组件相比，体积减少50%、重量减少70%以上。

5　结束语

根据应用需求，设计开发了一种Ka频段瓦片式接收组件，采用LTCC基板制造工艺及BGA球三维封装技术，实现了Ka频段接收组件；应用补偿“类同轴”垂直互联结构，优化了垂直互联性能；合理增加屏蔽腔体，实现了通道的高隔离设计。接收组件技术方案先进、可扩展性强，可广泛应用于卫星通信、航天测控等领域，同时也为下一步研究4×4及更大规模瓦片式相控阵T/R组件提供了技术基础。

[1]丁武伟,赵文普,穆仕博.有源相控阵雷达T/R组件技术研究[J].控制与制导，2016(12)：77-83.

[2]邵春生.相控阵雷达研究现状与发展趋势[J].现代雷达，2016,38(6):1-4.

[3]邹火儿,韩国栋.机载低剖面卫通天线的发展与未来[J].现代雷达，2014,36(3)：53-61.

[4]唐亦尘.LTCC K波段天线及收发组件技术研究[D].成都:电子科技大学,2015.

[5]季帅,张慧锋,严少敏,等.基于MCM技术的X波段四通道T/R组件设计[J].火控雷达技术，2015,44(2):73-77.

[6]贾世旺.Ka频段硅基阵列天线设计[J].无线电通信技术,2017,43(6):52-55,80.

[7]Mancuso Y,Renard C.New Developments and Trends for Active Antennas and TR Modules [C]∥Radar Conference.IEEE,2015:1-3.

[8]郝金中,张瑜,周扬,等.一种宽带多通道瓦片式T/R组件的研制[J].电讯技术,2015,55(1):108-112.

[9]赵青.一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案[J].电讯技术,2012,52(7):1155-1159.

[10] Mancuso Y,Gremillet P,Lacomme P.T/R Modules Technological and Technical Trends for Phased Array Antennas[C]∥Proceedings of 2005 European Microwave Conference.Paris: IEEE,2005: 817-820．

[11] 余承伟,冯磊.超小型的片式LTCC滤波器设计[J].无线电工程,2016,46(7):89-92.

[12] 中国集成电路大全编委会.微波集成电路[M].北京：国防工业出版社,1995:120-124．

[13] Sun Mei，Zhang Yueping.A Ball Grid Array Package with a Microstrip Grid Array Antenna for a Single-chip 60-GHz Receiver [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(6): 2134-2140．

[14] 徐利,王子良,胡进,等.基于毛纽扣的LTCC微波模块垂直互连技术[J].固体电子学研究与进展,2013,33(6):538-541．

[15] 戈江娜,刘文杰,郝金中,等.基于氮化铝技术的X 波段瓦片式T/R组件的研制[J].无线电工程,2015,45 (4):56-59.

[16] 张先荣.一种低损耗毫米波垂直互联设计[J].电讯技术,2017,57(7):825-829．

[17] 刘江洪,刘长江,罗明,等.基于毛纽扣的板级垂直互连技术[J].电子工艺技术,2016,37(3):135-137．

[18] 周骏，沈亚，顾江川,等.新型三维立体集成接收模块设计与实现[J].固体电子学研究与进展,2016,36 (1):25-29．

[19] 张凯.基片集成脊波导毫米波板间垂直互联结构研究[J].微波学报,2017,33(3):86-88．

[20] 张之光,徐正,刘骁,等.一种用于瓦片式T/R组件的垂直互联方式[J].科学技术与工程,2013,13(11): 3104-3108．