Ku頻段高集成度瓦片式有源天線前端設計

王元源 張山杉 馬漢清 武華鋒 雷國忠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

日益復雜的戰場環境和各類載體平臺苛刻的安裝條件對射頻系統的多功能、集成一體化設計技術提出了緊迫的要求[1-2]，尤其是在武器平臺傳感器功能多元化、輕量化、模塊化的發展趨勢下，研究體積小、重量輕、集成度高的標準化集成式前端勢在必行。

同時，隨著射頻/數字集成電路及高密度封裝技術[3]的不斷進步，以一體化有源前端為基本功能模塊的有源相控陣系統將成為傳感器與通訊系統的主流硬件方案。

在各種集成封裝系統(System in Package，SiP)中，多層瓦片式系統的先進性與集成度最高，該類系統在天線單元橫向尺寸嚴格受限(通常為工作頻率高端半波長)的情況下，將各種復雜的功能電路沿垂直于陣面的方向，以類似“三明治”式的夾層結構壓縮排布在一起，形成標準化、低剖面、可擴展的集成前端。其對于機載、彈載、星載等資源與空間十分緊張的平臺，具有巨大的吸引力。但同時，由于設計與實現難度大，應用領域敏感，國內外關于多層瓦片式有源前端研究成果的報道均十分有限[4-6]。

在這一背景下，本文以低溫共燒陶瓷技術(LTCC)[7]為基礎，設計構造了高度集成的Ku頻段瓦片式有源天線接收前端，并首次給出了其內部詳細的實現細節。在小于5mm的剖面高度內，瓦片式有源天線前端包含了輻射天線、射頻接收電路、本振分配網絡、中頻合成網絡、電源控制網絡等部分。其中，射頻、本振、控制及中頻網絡對應的傳輸線均采用內埋于LTCC基板內的封閉式帶狀線方式實現，同一層內不同種類的信號線通過金屬化過孔陣列互相隔離屏蔽；不同層之間則通過由內部金屬化過孔構成的準同軸結構實現信號互聯[6]。接收電路裸芯片組則安裝于陣列背面的空腔之內。整個前端結構的尺寸僅為50mm×50mm×4mm。

1 系統概述

瓦片式有源前端共包含16路輻射天線單元及接收通道，按照4×4矩形柵格狀排列(如圖1、2所示)。整個瓦片式結構采用35層Ferro-A6M陶瓷基片材料燒結構成，共包含四個功能層，由前至后依次為多層貼片天線層、本振功分網絡層、射頻放大與變頻層(限幅、低噪放、混頻)、電源與中頻信號合成層。

2 多層貼片天線

天線單元的結構如圖4所示。其采用雙層貼片形式[8]，由金屬化過孔強制對下層主貼片饋電，并通過內部空間將能量耦合至頂層的寄生輻射貼片，整個天線單元輻射結構由共計10層LTCC基板層疊而成，剖面高度僅為1mm。

主貼片與寄生輻射貼片四周由多層方形金屬環及金屬化過孔陣列形成內外隔離墻,阻斷沿介質內部及表面傳播的表面波，提高相鄰通道間的隔離度。考慮到抗氧化及多層結構間的焊接溫度要求，內外層的金屬圖形及過孔連接均選用金(Au)材料。

圖5、6分別給出了天線單元的仿真駐波曲線及輻射方向圖。從圖5中可以看出，天線單元的駐波在工作頻帶內小于1.45；而圖6中，天線單元的主極化增益約為6.2dB，交叉極化分量在-20dB以下，E面及H面的波束寬度分別為75°與82°，具有優良的輻射性能。

3 射頻電路

射頻電路部分布置在整個前端的背面(相對于天線輻射陣面)，在50mm×50mm面積的陶瓷基片上制作出16個14mm×5mm×1mm的矩形表面空腔，將限幅器、兩級低噪放、混頻器芯片置于空腔內的芯片槽內，由天線輸入的射頻信號(過孔及微帶)及由本振網絡饋入的本振信號(過孔及微帶)在這里完成混頻后將中頻信號送入下一功能層。

圖7給出了射頻放大與變頻層的位置分布與芯片排列圖。由圖可知，本層是各個不同頻率信號的匯集區。表面腔體下方的地板上排列著連接天線、本振、中頻及電源網絡的準同軸結構。本文在設計過程中，通過對芯片、腔體間相對位置及傳輸線參數的全波仿真優化，有效解決了小空間內集成有源電路的互耦、干擾、電源調制等一系列問題。

4 本振網絡

本振網絡的主體為1∶16的內埋式帶狀線威爾金森功分器(如圖8所示)。

考慮到內層帶狀線的寬度與工藝標準要求的限制(主要是線寬)，所采用的單個威爾金森功分器選擇主饋線25Ω、阻抗變換段35Ω、隔離電阻50Ω的配置。這樣的設計可避免因帶狀線寬度過細對工藝和容差帶來的額外壓力。

圖9給出了1分16本振功分網絡的回波損耗曲線。從圖中可以看出，在11.6GHz～13.9GHz的頻段范圍內，本振網絡的回波損耗均小于-15dB。

如圖10中本振功分網絡的傳輸系數曲線可知，在11.5GHz～14.5GHz的頻段范圍內，各端口傳輸系數均處于-12～-12.5dB的變化區間內，并且在實際工作頻帶內，輸出端口的插入損耗均小于0.3dB。

5 中頻合成輸出鏈路

每個接收通道的中頻信號是由鏡像抑制混頻器輸出的兩路正交IQ信號構成，這兩路信號的合成在中頻需要借助90°度電橋，電橋布置在前端底部，位于射頻放大與變頻層下方的陶瓷蓋板上。但由于中頻電路尺寸較大，要完成16路接收電橋，采用分布式的微帶延遲線方法，繞線過于復雜，且由于面積有限，無法形成有效隔離，最終會造成各通道中頻干擾嚴重。因此本文采用了通過線圈纏繞實現移相的中頻合成芯片，單個芯片封裝后尺寸為10mm×8mm×5mm，能夠滿足結構要求。

圖11中詳細給出了中頻網絡的走線，由混頻器輸出的兩路正交信號，通過BGA焊球輸入陶瓷蓋板上的電橋芯片內，電橋將兩路正交信號合成后輸出至立式排線插座。圖12則給出了16個位于蓋板上的電橋芯片(白色部分)的具體位置。

每路中頻信號從混頻器輸出后，需要經過三段帶狀線及兩段準同軸結構組成的傳輸通道，圖13給出了通道的S參數仿真結果。由圖可知，中頻傳輸結構的回波損耗小于-29.35dB，而其傳輸損耗幾乎可以忽略不計。

6 直流控制信號鏈路

整個射頻前端內的直流控制信號的布局如圖14所示(深色部分)。

直流供電的輸入與中頻輸出共用位于前端中線的立式排線插座，單個插座的可用針腳數可達60個，完全能夠滿足同時傳輸中頻與直流信號的條件。

直流信號為5V的控制電壓，總輸入電流為2.08A(兩級低噪放控制電流分別為70mA、60mA)。為防止流過單個管腳和金屬化過孔的輸入電流過大，設計中采用了5個管腳及5個過孔進行分流。

直流信號由排線插座饋入后，由不同的管腳引出帶狀線控制信號，再通過金屬化過孔的準同軸結構，由蓋板與下層的連接處導入芯片下方，經帶狀線傳輸后饋送至低噪放芯片旁的電源鍵合區，再由金絲跳接至兩個100pF的旁路電容(主要作用為濾除高頻毛刺)。電容與相應低噪放芯片間同樣通過金絲鍵合。這一連接方式如圖15所示。

7 內層接地面設計

前端內部的網絡均采用帶狀線形式，內埋在多層LTCC基板中，上下均需要地板覆蓋。在LTCC多層結構燒結過程中，金屬與陶瓷材料存在收縮與應力作用，大面積的實心金屬地存在較大的實現風險(容易造成曲翹、開裂)。

針對這一問題，本文采用了圖16(b)所示的網狀地結構替代圖16(a)的大面積實地。由仿真結果(圖17、18)可知，與大面積實地相比，網格地的回波損耗與傳輸系數曲線只發生了細微的變化，能夠滿足實際的信號傳輸與屏蔽要求。

網狀地結構的設計關鍵在于網格大小的選取，不同大小的網格會在不同的頻率點產生諧振，嚴重的情況下會影響到傳輸線及網絡的電氣性能，優化的目的是將產生的諧振點盡可能地移出工作頻帶外，同時兼顧工藝實現中線寬和間距的要求。

8 接口設計

8.1 射頻接口

考慮到接收通道本振信號的輸入，以及外接測試的需要，必須選擇在電氣與結構上均能夠適合輕薄的多層瓦片結構的高頻連接器。因此，采用了能夠實現微帶/同軸轉換的SMP表面貼裝連接器(如圖19所示)，在完成射頻信號傳輸的同時，兼顧安裝焊接的可實現性。這種連接器的接口為微帶轉探針，安裝時不會對脆弱的陶瓷基板產生額外的壓力，同時也避免了直接用探針背饋方式容易出現的通孔公差難以控制，及焊點焊接中出現的焊區阻抗無法匹配等問題。

8.2 中頻/直流信號接口

中頻/直流信號的接口選用0.5mm間距的立式排線插座(如圖20所示)，與其相連的阻抗控制排線最高可傳輸400MHz的中頻信號。此外，與SMP類似，它同樣采用表面貼裝，非常適合用作為低剖面高集成度前端的輸出端口。

9 結束語

本文基于低溫共燒陶瓷技術(LTCC)設計了高度集成的Ku頻段瓦片式有源天線接收前端，能夠完成天線接收、射頻放大、鏡像抑制混頻、中頻輸出等一系列功能。通過對瓦片式前端中不同功能電路的仿真優化，驗證了整體設計的有效性。

整個前端結構的尺寸僅為50mm×50mm×4mm，且總重量小于30g，非常適合應用于機載、星載、彈載等體積質量嚴重受限的平臺。其低剖面、標準化、模塊化的突出特點代表了未來傳感器或通信系統硬件前端的發展趨勢。