一種Ka頻段瓦片式接收組件的設計與實現

賈世旺,韓　威,劉巍巍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0　引言

不同頻段T/R 組件已經廣泛應用于有源相控陣雷達系統中，成為制約雷達性能的關鍵核心部件[1-2]。近幾年，衛星通信、航天測控等系統對有源相控陣天線的需求也越來越強烈[3]，特別是小型化多通道T/R組件，成為國內各研究所、高校研究的熱點[4-6]。隨著微組裝高密度集成工藝技術發展，集成度更高的瓦片式T/R 組件成為目前廣泛研究對象。相比磚塊式、刀片式等傳統形態，瓦片式具有體積更小、重量更輕、集成度更高的特點，但工藝制造難度更大。瓦片式組件與磚塊式相比體積能夠降低70%以上，一般采用微波高頻印制板、LTCC或HTCC基板結合多層堆疊技術方案，利用毛紐扣、微凸點、柔性結構、微型連接器等方式實現三維高密度封裝[7]。文獻[8]利用多功能微波集成電路芯片技術、多芯片組裝技術提高集成度，研制了X～Ku頻段，尺寸為41.8 mm×8 mm×8.2 mm、重量小于13 g的四通道瓦片式T/R組件，常溫發射通道功率為27 dBm，接收通道增益28 dB，噪聲系數小于4 dB。文獻[9]提出了一種基于小截面脊波導的Ka 頻段瓦片式TR 組件集成方案，并對小截面脊波導傳輸特性、脊波導/微帶過渡和分配網絡等無源電路開展了研究。文獻[10]對下一代機載和空間相控陣系統T/R組件技術的發展進行了展望，總結了相關的半導體芯片技術、厚膜多層陶瓷基板工藝技術及三維高密度布線技術的優勢。以X頻段相控陣為例，給出了設計方案。

本文利用LTCC基板技術、球柵陣列BGA(Ball Grid Array)三維高密度集成技術，設計開發了一種適用于衛星通信、航天測控等領域的Ka頻段四通道小型化瓦片式接收組件。

1　方案設計

相控陣組件設計難點在于組件x、y方向(假定天線接收為z方向)尺寸受限，必須考慮通過增加z方向高度來緩解XY平面的設計難度。

組件的通道間距與天線系統掃描角度相關，通道間距必須滿足式(1)要求。

(1)

式中，θ為天線陣列的最大掃描角，λ表示天線陣列在真空中波長。

若天線陣列系統掃描角度要求大于60°，則接收組件通道之間的間距必須小于0.54λ。對于最高頻率為21 GHz的接收組件，單通道的XY平面可用面積小于7.7 mm×7.7 mm。表1為Ka頻段接收組件常用有源芯片、無源元件及互聯結構尺寸大小匯總。

表1Ka頻段常用芯片及互聯結構尺寸大小匯總

名稱尺寸/mm主要功能低噪聲放大2．5×1．0接收信號低噪聲放大濾波器[11]基板內部集成抑制發射通路噪聲多功能芯片3．6×3．0數控衰減、數控移相固定衰減器0．6×0．6改善通道駐波芯片電容0．38×0．38耦合、隔直、電源去耦合路網絡基板內部集成多通道射頻信號的合路毛紐扣互聯2．0(直徑)射頻信號連接BGA互聯1．0～3．0(直徑)射頻信號連接

從表中數據可以看出，若采用平面平鋪布局結構，無法在7.7 mm×7.7 mm的有效面積內實現全部電路芯片、互聯結構的集成，因此必須采用磚塊式縱向集成橫向組裝或橫向集成縱向組裝的瓦片式方案。

磚塊式結構，元器件垂直于相控陣天線陣面縱向排列，各通道間通過金屬腔體結構分割布局，電路結構簡單，易實現，但縱向尺寸大，與天線陣列、合成網絡等結構集成困難，一般通過小型連接器來實現，主要通過二維封裝技術實現。

瓦片式組件采用分層結構，將各通道相同功能元器件集成在平行于天線陣面方向的平面上，通過垂直互聯結構，實現各功能層的電性能互聯、互通。瓦片式優點是組裝密度高、縱向高度大幅降低、重量輕，可與天線陣列、合成網絡等一體化設計集成。難點是層間互聯結構設計及通道間耦合控制，電路設計難度大。

基于系統對小型化的要求及現有工藝制造能力，接收組件采用多層LTCC微波基板互聯的瓦片式集成方案。

接收組件主要由低噪聲放大芯片、濾波器、數控移相器、數控衰減器、4路合路網絡、芯片電容及固定衰減器等元器件構成，各類元器件合計34只。瓦片式接收組件結構，按功能分為天線陣列層、低噪聲放大層、多功能幅相控制層及合成網絡等四層，方案中不包含天線陣列層設計，圖1為接收組件內部結構布局示意圖。

圖1　瓦片式接收組件內部結構布局示意圖

天線接收衛星下行信號后，經低噪聲放大，濾除帶外干擾、鏡像噪聲及發射帶內過高噪聲后，進入衰減、移相芯片實現幅相控制，4路信號經合路網絡合成后輸出。

系統要求組件工作頻率為19.2～21.0 GHz，通道增益大于20 dB，噪聲系數小于2.2 dB。

低噪聲放大芯片選用成熟MMIC GaAs芯片，單片噪聲小于1.7 dB，數控移相器、數控衰減器采用集成6位數控衰減、6位數控移相多功能芯片，濾波器采用分布帶狀線結構設計，4通道合路網絡采用多層帶狀線Wilkinson結構，濾波器與合路網絡均集成在LTCC基板內部。

式(2)為m級元器件級聯噪聲系數計算公式[12]：

(2)

式中，Nf為組件通道總噪聲，Nfm分別為第m級元器件的噪聲系數，Gm-1為第m-1級元器件增益。

表2為接收組件鏈路噪聲系數、增益的理論計算結果，通道總增益為22.0 dB，通道總噪聲系數1.96 dB，通道設計方案滿足系統指標要求。

表2接收組件鏈路指標計算

鏈路組成增益/dB噪聲/dB總增益/dB總噪聲/dB饋線-0．20．2-0．20．20低噪124．01．723．81．90濾波器-1．81．822．01．91衰減器1-3．03．019．01．92低噪224．01．743．01．94多功能-11．011．032．01．94衰減器2-3．03．029．01．94合成網絡-7．07．022．01．96

2　三維垂直互聯

三維堆疊集成技術是在XY平面二維封裝面積受限的情況下，向Z方向發展的組裝技術。

將不同層基板電路上下疊層裝配，主要利用上一層基板底面與下一層基板正面形成垂直互連結構。多基板的三維層間垂直互聯是實現瓦片式小型化組件的核心技術，常用的微波垂直互聯方案主要有：

① 毛紐扣。毛紐扣是由彈性鍍金金屬絲構成的導電結構，可以實現基板間的彈性互聯，且無需焊接，方便拆卸檢修。缺點是因尺寸較小，承重不大，存在振動易斷裂的問題，且未與基板間焊接固定，使用時應考慮長期可靠性問題。

② 球柵陣列BGA。選用一定直徑的焊球作為上、下基板互連導體，體積小、密度高，適合高頻三維封裝[13-15]，由于Ka頻段使用的BGA球直徑較小，一般在幾百μm量級，從而對基板的對位精度提出了更高的要求，增加了工藝難度。

③ 微凸點。微凸點是在基板上通過半導體工藝制作微型焊料凸點，制作技術有：印制焊料凸點技術、激光植球技術、釘頭凸點技術和凸點移植技術等。微凸點高度、直徑均在數十μm量級，工藝實現過程復雜，適用于更高工作頻率。

國內外不少文獻對垂直互聯問題開展了研究，表3為部分文獻中垂直互聯結構情況匯總。

表3垂直互聯結構匯總

資料結構形式頻率/GHz插損/dB回波/dB文獻[5]球柵陣列8．4～14≤0．2≤-17文獻[16]球柵陣列28．4～30．4≤0．36≤-15文獻[17]毛紐扣DC～16≤1．25≤-15文獻[18]SMPDC-18≤0．3≤-23文獻[19]基片集成脊波導28～36≤0．45≤-12文獻[20]錫球SMP9．5～10．5≤0．35≤-15

根據電路需求，考慮工藝實現難度，選用球柵陣列BGA“類同軸”結構作為最終垂直互聯方案。依據同軸傳輸線特性阻抗計算公式，對類同軸結構進行計算分析。

(3)

式中，εr為同軸介質的介電常數，D為同軸結構外徑，d為同軸結構信號孔內徑。

LTCC基板開孔為機械沖孔，開孔大小與機械沖頭相關。考慮到基板加工過程的收縮率，將信號開孔半徑設為85.5 μm，經式(3)計算可知對于阻抗為50 Ω同軸結構的外部半徑為647 μm。

為了保證性能，必須對傳輸結構進行補償性設計，采用馬蹄形“類同軸”結構，即在信號BGA球周圍接地平面增加BGA球，形成近似連續同軸傳輸線結構。根據信號和接地的BGA球數量，分別對馬蹄形“類同軸”結構建模，圖2中(a)、(b)、(c)、(d)分別對映單球、3球、5球、9球BGA球互聯模型。

圖2　BGA球互聯模型

圖2中各模型表面傳輸線均采用帶馬蹄型接地的微帶線結構，總長度為10 mm，基板厚度為0.5 mm，材料為Ferro A6M，通過BGA結構進行互聯，仿真結果如圖3所示。從結果可以看出，單球結構的插入損耗和帶內損耗波動最大，工作帶內損耗大于0.7 dB，不能滿足傳輸性能要求。3球、5球、9球結構的插入損耗要遠小于單球結構，3球的仿真結果略大，5球與9球結構的仿真結果接近。9球互聯結構插入損耗最小，帶內最大損耗小于0.21 dB，回波損耗小于-20 dB。

根據仿真結果，考慮加工制造及后期封裝裝配的難度，經優化設計，方案最終采用5球BGA互聯結構，BGA球直徑為300 μm，三維互聯結構尺寸最大直徑為1.5 mm。

加工“類同軸”BGA球互聯結構實物后進行測試，結果如圖3所示。互聯結構在工作帶內最大損耗小于0.3 dB，與仿真結果基本一致，滿足接收組件毫米波信號傳輸要求。

圖3　“類同軸”BGA球互聯仿真及實測結果

3　合成網絡及通道隔離設計

傳統磚塊式及刀片式接收組件的合成網絡多采用獨立模塊，通過小型接插件的方式與射頻通道進行互聯。

為了降低瓦片式接收組件的z向高度，合成網絡采用與通道一體化設計方案，同樣采用多層LTCC基板實現，減小結構裝配難度，同時顯著降低組件高度。

集成在基板內部的四通道Wilkinson合成網絡，采用6層LTCC基板實現帶狀線結構，隔離電阻使用厚膜RuO2漿料制備，埋置于多層LTCC基板內部，通過工藝控制，阻值精度達到15%以內。

為了降低各輸入輸出端口間耦合串擾，合成網絡采用地平面包圍結構來優化性能，圖4(a)為合成網絡仿真結構模型，地平面通過接地過孔實現互聯。

使用Ansys HFSS進行全波電磁場建模，各端口回波損耗及傳輸損耗的仿真結果如圖4(b)和圖4(c)所示。從仿真結果可以看出，4合1合成網絡各通道輸出幅度一致性優于0.1 dB，插入損耗低于6.3 dB，回波損耗低于-20 dB。

為了優化接收組件各通道內部電磁屏蔽性能，在功能劃分上采用低噪聲放大器、幅相控制單元獨立分層，并利用內部隔腔的方式降低通道間耦合串擾。圖5給出了2×2瓦片式接收組件通道間隔離仿真結果。

通過將有源芯片放置在獨立的屏蔽腔內，并利用柵格地進行隔離實現了通道間的高隔離，在工作頻帶內隔離度高于40 dB。

圖4　合成網絡仿真模型及仿真結果

圖5　接收組件通道隔離度仿真結果

4　測試結果

采用LTCC工藝技術，制造了53層四通道接收組件基板。通過設置合理的溫度梯度，完成了芯片、基板的焊接，采用BGA球結構實現了層間互聯。

四通道接收組件集成封裝產品實物及內部基板照片如圖6(a)和(b)所示。圖6(c)給出了組件的增益測試結果，帶內增益大于20.7 dB。帶內增益波動小于1.0 dB，功耗小于0.5 W，噪聲系數小于2.1 dB，滿足系統性能要求。

圖6　接收組件實物及增益測試結果

接收組件尺寸為14.2 mm×14.2 mm×4.5 mm，重量小于3 g，與同等性能指標的刀片式結構組件相比，體積減少50%、重量減少70%以上。

5　結束語

根據應用需求，設計開發了一種Ka頻段瓦片式接收組件，采用LTCC基板制造工藝及BGA球三維封裝技術，實現了Ka頻段接收組件；應用補償“類同軸”垂直互聯結構，優化了垂直互聯性能；合理增加屏蔽腔體，實現了通道的高隔離設計。接收組件技術方案先進、可擴展性強，可廣泛應用于衛星通信、航天測控等領域，同時也為下一步研究4×4及更大規模瓦片式相控陣T/R組件提供了技術基礎。

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