基于HTCC工藝的短磚式毫米波收發模組技術研究

趙 怡，田 野，毛 繁，安春全，蔣創新，余懷強

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶400060)

0 引言

近年來，隨著新一代電子系統對多功能、大帶寬的迫切需求，有源相控陣天線在雷達、通信等領域都有重要的作用[1]。T/R模組作為有源相控陣天線的核心關鍵部件之一，其性能指標、尺寸及質量等參數對天線系統也至關重要。隨著固態微波器件技術迅速發展，不管從技術本身發展趨勢還是系統應用需求來看，T/R模組都向小尺寸及高工作頻率發展。雖然目前X波段、Ku波段等微波T/R模組技術日趨成熟，然而并不能滿足新一代電子系統對相控陣天線更小、更輕、更大帶寬的技術要求，所以Ka波段、W波段等毫米波T/R模組技術已成為當前研究熱點[2-3]。

現如今低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝已成為微波毫米波組件最常用的加工手段之一[4-5]，但在平面圖形及垂直過孔的制備過程中，通常采用貴重金屬金或銀作為導體材料，制備成本高，且LTCC基板力學性能較差，不適合作為封裝管殼的電路基板，對于尺寸較大的LTCC基板通常需要使用額外的金屬外殼進行封裝，因此難以實現小型化高密度集成。

高溫共燒陶瓷(HTCC)工藝是采用Al2O3或AlN材料作為介質材料，鎢金屬作為導體材料，在1 600 ℃左右共燒制備多層陶瓷電路基板的一種加工工藝。與LTCC工藝相比，HTCC的結構強度特性較優，通過底部金屬載板支撐，能直接作為封裝管殼的基板；且具有成本低及適合大批量生產等優點。

本文設計并加工了一種基于Al2O3材料的HTCC電路基板，結合多芯片組裝工藝研制出了具有8個收發通道的Ka波段T/R模組，由于采用HTCC平面傳輸過渡和屏蔽結構設計，實現了毫米波信號的穩定傳輸及良好的通道間性能一致性。

1 T/R模組設計

1.1 T/R模組電路架構設計

圖1為本文提出的一種T/R模組電路原理框圖。接收鏈路實現毫米波信號的低噪聲放大，幅相控制和功率合成；發射鏈路實現毫米波信號的功率分配，相位控制和功率放大。T/R模組由功分器、幅相多功能芯片和收發芯片組成，其中幅相多功能芯片采用0.13 μm SiGe工藝制程設計加工，實現毫米波信號的幅相控制與放大；收發多功能芯片采用0.15 μm GaAs工藝制程設計加工，完成毫米波信號的功率放大與低噪聲放大。

1.2 T/R模組結構設計

與傳統HTCC管殼設計相比，該T/R模組結構設計需要在HTCC底座上完成多種芯片的高密度集成，因此，其結構更緊湊。設計過程中不僅需要考慮整體結構、器件散熱和氣密封設計等外殼參數外，還需要對涉及電性能的端口駐波、通道間隔離、絕緣性、導通電阻和基座接地進行針對性仿真設計。

如圖2所示，T/R模組主要由底部金屬載板、HTCC電路基板、可伐圍框和蓋板組成。其中底部金屬載板采用熱膨脹系數與Al2O3相近的銅鉬銅載板，并同時為模組提供良好的導熱性能，該結構可通過螺栓與外部單機外殼進行可靠的連接。HTCC電路基板是底座的主體結構，采用Al2O3陶瓷材料作為介質材料，其介電常數為9.8(1 MHz下)，介質損耗角正切為0.003，HTCC電路基板表面的金屬導體采用金屬鎢漿料，其電阻率為5.51 mΩ·cm。該T/R模組通過內部多層布線與過孔實現毫米波信號、供電與控制信號的互連傳輸，而可伐圍框與蓋板共同為模組內裸芯片提供良好的氣密封環境。

1.3 毫米波信號平面傳輸過渡與屏蔽結構設計

隨著T/R模組的工作頻率越高，設計不當的信號傳輸線因高頻寄生效應帶來的信號惡化也越明顯，其中信號傳輸和屏蔽的設計是影響信號質量的關鍵因素。為了滿足T/R模組內部的氣密封要求，毫米波信號需要實現HTCC“穿墻過渡”，即毫米波信號需要從一個分腔內部穿過HTCC隔墻傳輸過渡到該分腔外部。

圖3為本文提出的一種傳輸線過渡的基本結構模型，共采用6層Al2O3介質層，其中共面波導的介質為3層，帶狀線上下介質各為3層，每層介質燒結后的厚度約80 μm，即H1=H2=240 μm。圖3中，W1為微帶線的寬度，W2為帶狀線的寬度，d1為平行于信號傳輸方向兩排屏蔽過孔的距離，d2為貫穿6層介質的垂直接地過孔Via1圓心距離開槽介質邊緣的距離。在高密度電路基板設計過程中，d1和d2的合理設計對信號過渡傳輸影響較大。

通過HFSS軟件優化仿真得出W1=230 μm，W2=90 μm。為了保證HTCC內埋微波傳輸線的傳輸特性，兩種接地孔(Via1和Via2)通過合理設計，分別分布在帶狀線和共面波導的兩側。其中Via1為貫穿6層介質的垂直接地過孔，Via2為僅貫穿下3層介質的垂直接地過孔，這兩種過孔共同組成信號過渡與屏蔽作用。

設計師總希望d1能盡量小，使電路具有更高集成度。圖4為上述平面傳輸過渡結構在不同d1下插入損耗S21的變化曲線。當d1=0.4 mm時，因屏蔽過孔距離較近，影響了信號傳輸的效果，使傳輸損耗有一定惡化，同時信號幅度平坦度也隨之變差；當d1=1.2 mm時，屏蔽過孔距離較遠，電磁波傳輸效率降低，一定程度上惡化了信號的傳輸質量。經過優化分析，當d1=0.8 mm時，信號的傳輸質量最佳，插入損耗S21≤0.35 dB。在工程設計時，必須根據電路板加工工藝進行容差分析，排除因加工公差導致信號傳輸的惡化。

設計師在選擇d2時需考慮電性能與加工工藝要求。因受HTCC加工工藝限制，Via1距離開槽介質邊緣的距離不能低于加工工藝要求，否則在HTCC加工過程中將出現介質邊緣“破孔”的現象，從而導致HTCC內部走線存在“開路”甚至“短路”的風險。圖5為平面傳輸過渡結構在不同d2下S21的變化曲線。當d2=0.35 mm時，S21≤0.35 dB，能夠滿足工程使用需求；當d2=0.55 mm或d2=0.75 mm時，S21呈現出了不同程度的惡化，在該情況下整個鏈路幾乎不可使用。

圖6為通過HFSS仿真工具查看傳輸信號頻率為37 GHz時不同d2下的電場分布云圖。當d2=0.55 mm時，共面波導到帶狀線的過渡區域出現了電場分布異常的狀態，從而導致電磁波能量無法有效地從端口1傳播到端口2。當d2=0.35 mm時，可看到電磁波在共面波導傳輸線、帶狀線和共面波導到帶狀線過渡的各個階段都能實現比較良好的傳輸，信號能量被束縛在傳輸方向兩側的屏蔽孔內。經過上述分析并結合工程經驗，最終取d1=0.8 mm，d2=0.4 mm。

2 T/R模組加工與測試

2.1 T/R模組加工結果

圖7為采用HTCC工藝加工出的Ka波段短磚式T/R模組實物照片，整個T/R模組尺寸僅為36 mm×33 mm×3 mm，具有8個通道的收發移相、衰減及放大等電路功能。由圖可看出，與天線端口相連的毫米波信號輸出端口在輸出端面均勻分布，毫米波信號輸入端口和直流信號焊盤依次分布在輸入端面，各個端面的引線鍵合滿足GJB548B的引線鍵合強度要求，可實現與外部電路的穩定互連。

2.2 微波性能測試

為了準確測試HTCC基座毫米波信號傳輸線S參數性能，選用了中國電子科技集團公司第四十一所的3672C型矢量網絡分析儀和Cascade公司的ACP50-A-GSG-450型GSG探針進行測試，如圖8所示。圖9為采用共面波導-帶狀線平面過渡結構的信號傳輸線的S21曲線仿真與實測對比圖。由圖可看出，頻率30～40 GHz內仿真和實測數據基本吻合，在40 GHz下S21相差僅為0.2 dB。

針對T/R模組的主要性能參數進行了測試，其中部分通道的接收增益、噪聲系數、發射輸出功率測試結果如表1所示。由表可看出，通道間的各項指標一致性較好。

表1 T/R模組主要性能參數測試結果

3 結束語

本文設計了一款基于HTCC工藝的Ka波段短磚式T/R模組，在36 mm×33 mm×3 mm的尺寸下實現了8個收發通道的高密集成。通過對共面波導-帶狀線平面傳輸過渡優化設計，在工作頻率為40 GHz時實現了HTCC“穿墻過渡”插入損耗小于0.9 dB。T/R模組在工作頻帶內的增收增益為24 dB±1.9 dB，噪聲系數≤5.1 dB，單通道輸出功率≥23 dBm。采用該設計方法，在Ka波段及以下頻率能夠使用HTCC工藝替代LTCC工藝實現T/R模組的高密度集成、小型化設計及批量生產，具有尺寸小，輕薄化，信號傳輸穩定及通道間一致性好等優點，可應用于新一代小型化有源相控陣天線系統。