基于LTCC基板的Ku波段宽带八通道T/R组件设计与实现

戈江娜

(中国电子科技集团第13研究所，石家庄 050001)



基于LTCC基板的Ku波段宽带八通道T/R组件设计与实现

戈江娜

(中国电子科技集团第13研究所，石家庄 050001)

摘要：介绍了一种Ku波段宽带八通道T/R组件设计思路和实现方法。针对组件工作频率高、工作频带宽、通道数多、功能复杂、裸芯片多、高度有限等难点，组件采用低温共烧陶瓷(LTCC)设计、多芯片组件(MCM)设计、模块化设计等先进技术，成功研制出了低噪声、轻质量、功能齐全的的小型化八通道T/R组件，组件单通道输出功率为34 dBm，接收噪声系数为3.5 dB,数控移相和数控衰减均为6位，组件高度为6.6 mm，整体重量仅为87.2 g，平均每通道10.9 g；并且组件已经实现批量化生产。

关键词：Ku波段宽带；八通道T/R组件；低温共烧陶瓷；多芯片组件；模块化

0引言

T/R组件是先进的有源相控雷达阵的关键部件[1]，长期以来很多国家都从事相控雷达阵的研究，并且不断加大投入力度。近几年，随着微波电路芯片集成化的发展和微组装工艺技术的提高，T/R组件在成本降低的同时，体积和重量也在不断减小，并且实现了多通道T/R组件的一体化设计。

本文设计了一种Ku波段八通道T/R组件，采用低温共烧陶瓷(LTCC)基板多层高密度布线技术[2]和多芯片组件(MCM)技术将8个单独的T/R组件、一分八功分网络及电源控制电路集成在一个盒体内部。八通道组一体化设计实现了部分器件共用，降低了组件成本，组件结构更为紧凑。同时对外接口线的数量相对于单通道T/R组件来讲，可以减少2/3，更方便相控雷达阵的搭建。但同一盒体内部，多路微波信号、数字信号、模拟信号的交叉传输，容易产生各种干扰，影响组件的正常工作和微波性能，如何避免这些干扰成为组件设计的关键。

1T/R组件电路设计

1.1工作原理

Ku波段八通道T/R组件由一分八功分器、8个T/R通道、逻辑控制电路和电源处理电路组成。各个通道分别单独控制，可以一个通道工作，也可以任意几个通道同时工作。每个通道由发射和接收共用的6位数控移相器和6位数控衰减器、推动级放大器、高功率放大器、双结环行器、限幅器、低噪声放大器、脉冲调制器、波控码串并转换器、输出驱动电路等组成。发射期间完成发射信号的高功率放大，接收期间完成接收信号的低噪声放大，在T/R信号控制下完成收发转换。1∶8功分器在发射期间将馈电网络输入的微波信号功分成8路，分别送入8路T/R组件；接收期间将8路T/R组件输出的接收信号合成为1路送入馈电网络。

波控码串并转换器将波束控制单元输入的串行控制码转换成并行码存入寄存器，由驱动电路驱动后输出控制T/R组件的发射数控移相器、接收数控移相器、发射数控衰减器、接收数控衰减器、收发开关状态；有发射和接收2套控制码，在T/R信号控制下完成。

图1　组件原理框图

电源处理电路将DC/DC电源输入的二次电源进行稳压滤波，脉冲调制器在T/R信号控制下完成发射通道和接收通道电源的脉冲调制。从图1中可以看出，微波链路仅用5只芯片，其中芯片1为功能集成芯片，包含的功能有6位数控移相，步进5.625 0；6位数控衰减，步进0.5 dB；收发转换的单刀双掷(SPDT)开关、波控码串并转换及驱动电路，时钟工作频率可以达到10 MHz。功能集成芯片组成框图如图2所示。

图2　功能集成芯片组成框图

功能集成芯片的研制成功简化了T/R组件的设计，使得T/R组件5芯片实现成为可能。

1.2LTCC基板设计

1.2.1LTCC基板构造

LTCC基版技术采用微波传输线、逻辑控制线和电源线的混合信号设计，通过仿真和合理布局，将它们组合在同一个LTCC三维微波传输结构中，采用带状线和中间接地屏蔽层，改善微波T/R组件中各个通道之间、发射支路和接收支路的隔离度，并且可以将分离的电阻、电容和电感等无源器件埋置在基版内部。因此基于LTCC基版技术研制的微波电路具有高集成度、多种电路功能、高可靠性等技术优势。图3为多层LTCC基版的基本构造图。

图3　LTCC基版基本构造图

1.2.2LTCC基版微波电路设计

从图2可以看出，LTCC电路中的微波传输线由微带线和带状线组成，微带线和带状线之间才有叠层信号通孔实现垂直微波互连。

微带线位于多层板的表层，靠中间地层与大地相连，接地质量的好坏直接影响到微波性能，因此中间接地层与大地的连接方法和接地质量对微带线和带状线的插入损耗和端口驻波影响很大。采用直径为0.2 mm，间距S为1 mm的接地通孔来实现中间地层与大地之间的连接，通孔内填充的是银浆料；为减小工艺加工误差对微带线宽度的影响，微带层厚度H1为0.3 mm(3层生坯片的厚度)，相应的50 Ω微带线宽度W1为0.48 mm；中间地层到大地的厚度H2为0.8 mm，相应的50 Ω带状线宽度W2为0.27 mm。图4为三维电磁场仿真软件HFSS下的微带传输模型，LTCC基版材料为Ferror-A6，相对介电常数为5.9，损耗角正切为0.002。图5为仿真结果，从中可以看出，在Ku波段4 GHz带宽内，回波损耗大于30 dB，满足设计使用要求。

图4　LTCC微带传输模型

图5　LTCC微带传输仿真结果

带状线的上下底面均为地面，为消除寄生平板波导效应，一般在带状线两侧各放置接地通孔来实现中间地层与大地的可靠连接，微带线与带状线之间通过信号通孔进行连接。

信号通孔可近似为电感，因此微带线与带状线互连的等效电路如图6所示。

图6　微带线与带状线互联等效电路

其中Le的电感近似值为[4]：

(1)

式中:Δl为信号通孔的长度;ν为自由空间的波速;γ=0.577 2为,欧拉常数;w为微带线宽度;εr为微带线等效介电常数。

微带线过渡端的特性阻抗为：

(2)

而微带线过渡外的特性阻抗为：

(3)

为了使微波信号优良传输，需要在微带的过渡端引入一段环状导体线，增大电容值，起到阻抗匹配的作用。这样微带线过渡端的阻抗为：

(4)

补偿电容应为：

(5)

通过以上理论分析，得到了Le和补偿电容的近似值，构造合理的补偿电路形式，在三维电磁场仿真软件HFSS下建立仿真模型并加以优化，从而得到满足工程需要的结果。图7为三维LTCC基版上的微带线与带状线过渡的建模模型[4]，包括信号通孔的尺寸、接地通孔的尺寸和间距、微波过渡段补偿电容尺寸等。从图8所示的仿真结果来看，在Ku波段4GHz带宽内，回波损耗大于25dB，可以满足设计使用要求。仿真优化结果:信号通孔内径为0.3mm，外径为0.6mm，接地通孔尺寸直径为0.2mm，接地通孔间距为1mm。

图7　微带线与带状线转换模型

图8　微带线与带状线转换仿真结果

1.2.3LTCC基版设计结果

本组件中的LTCC基板采用Ferro A6陶瓷材料，介电常数为5.9±0.2，总层数为11层，厚度为1.1 mm，Toplayer层用于布置微波带线和元器件，包括1 000 μF的储能电容、控制芯片和微波芯片等；Mid1～Mid2层设计为空白瓷片，目的是提供介质厚度；Mid3设计为地(GND)；Mid4～Mid6层主要用于布置各种数据控制线；Mid7层设计为带状线；Mid8～Mid10层设计为电源电压的布线，对于给发射通道供电的+8.5 V电压，还要采用多层复用的方式，以尽可能地减少传输线上产生的压降，提高+8.5 V的使用效率。

图9为制作好的两通道的LTCC基板，LTCC基板表面放置的控制线、微波传输线、电阻等；考虑到功率芯片需要散热良好，在LTCC基版上挖了0.3 mm厚的载体槽，用于烧结功率芯片载体；为了使基版具有可焊性，LTCC基板上表面的需要焊接的区域和底面均做上了金铂钯。

图9　两通道LTCC基板

1.3结构设计

LTCC基板的热膨胀系数CTE为7×10-6/K，如果采用传统的硬铝合金LY12(热膨胀系数(CTE)为：23.6×10-6/K)，为实现良好的热匹配，LTCC基板和硬铝合金盒体之间还要加一层可伐材料的丝网进行热过渡。且由于盒体高度仅为6.6 mm，盒底设计仅为1.1 mm，很容易变形。因此选用了新型材料Si-Al合金作为盒体加工材料，并在盒体内部适当的位置设置加强筋。Si-Al系列合金具有能与Si、GaAs等芯片匹配的低热膨胀系数(约4～15×10-6/K)，高导热率(≥100 W/mk)，低密度(≤3 g/cm3)等特点，同时还可以加工成各种复杂形状来满足复杂封装的要求，目前在英、美等先进国家已经实现商品化。

根据Si在合金中含量的不同所呈现出的不同特性，结合T/R组件的实际设计和应用，选用了牌号为CE11(50%Si-50%Al)的合金，其热膨胀系数为11×10-6/K，这样LTCC基板就可以直接烧结在盒体上，无需过渡载体，大大简化了装配工艺。

在Ku波段，微波信号对腔体已经非常敏感，尤其是4 GHz的宽带性能。本组件通道与通道间的间距仅为8.6 mm，采用传统的加隔墙再加固定螺钉的方式已经不能实现，为此在腔体设计上采用了新颖的科学设计。

在组件中，每4路设计为一个大腔体，中间加适当厚度的隔墙；前面已经提到，LTCC基板是将每2个通道设计成一块，从而实现两两通道的模块化设计。每块LTCC单独装配时，把LTCC基板作为基底，上面焊接上0.6 mm的可伐框， 从而使每个通道都有自己独立的腔体(如图10所示)。

图10　加可伐框的LTCC基版

组件具体腔体设计如图11所示。

图11　组件腔体设计图

1.4工艺路线设计-模块化设计技术

本组件由8个通道组成，盒体长度为86 mm，宽度为69.9 mm，除掉盒壁和环行器，需要LTCC基板的尺寸为66 mm×62 mm，如此大面积的LTCC基板，一是底面平整度不好保证，二是整体烧结空洞率会很高；且上面有138只芯片(不包括芯片电容)，粘结、键合工艺不仅不方便操作，而且会在一定程度上降低工作效率。为了解决这一装配难题，把LTCC分成了5个部分，公共单元为1块LTCC，每2个通道为1块LTCC。工艺路线为公共单元的LTCC基板先入盒体；8个通道的4块LTCC基板在完成粘结、键合等完整的工艺操作后，再入盒体。如此设计，使得1个组件可以分成5个部分单独操作，彼此互不影响，并且降低了工艺操作难度，缩短了整体装配的串行时间，提高了工作效率。整个批产的装配过程也证明，多通道的模块化设计工艺装配周期要比一体化设计工艺周期缩短1/4的时间，并且装配一次成品率明显提高。

根据多年研制T/R组件的经验，工艺设计上[5]把AuSn共晶焊料钎焊、铅锡焊料烧结、环氧树脂导电胶胶接3种工艺固定方式有机地结合起来，形成了一套科学合理的工艺装配流程。

由于组件内部含有众多芯片，因此对组件的密封性提出了严格要求。在工艺设计上，我们把微波连接器和低频连接器采用烧焊工艺一次性烧焊在盒体上，盒体采用激光封焊技术，从而解决了组件的密封问题。

2研制与生产结果

通过采取以上先进技术，成功研制出了Ku波段宽带八通道T/R组件。组件工作在Ku波段高端，带宽4 GHz，发射功率≥34 dBm，6位数控移相，6位数控衰减，移相精度(RMS)≤3.5°, 移相寄生调幅≤1.0 dB，衰减精度≤±(0.3 dB+4%×AiAi为衰减标称值)；衰减寄生调相控制在10o以内，接收增益平坦度在1.2 dB以内，噪声系数在3.2～

3.5 dB(天线端口使用的是双结环行器)之间，体积为86 mm×69.9 mm×6.6 mm，总重量为87.2 g,很好地满足了相控阵雷达系统对T/R组件小型化、轻量化的要求。实物见图12。

图12　互为镜像结构的两只组件

3结束语

本组件通过采用LTCC技术，实现微波传输线、逻辑控制线、电源线和厚膜电阻的高度集成通过模块化设计，在实现8通道装配的同时，既提高了工艺装配效率，又提高了装配的一次成品率；通过合理的工艺设计和腔体设计，实现了151只裸芯片的装配问题和盒体的密封性问题，并实现了优越的微波性能；通过采用新型盒体材料，成功解决了装配过程中的热匹配问题，大大简化了工艺装配难度；通过采用T/R组件自动化测试系统，成功实现了单个组件上百万的数据采集、分析和报表，提高了工作效率。

参考文献

[1]胡明春，周志鹏．相控阵雷达收发组件技术[M]．北京：国防工业出版社，2010．

[2]吴礼群，孙再吉．T/R组件核心技术最新发展综述[J]．中国电子科学研究院学报，2012(1)：29-30．

[3]DEARNELY R W,BAREL A R F.A broad-band transmission line model for a rectangular microstrip antenna[J].IEEE Trans.AP,1989,37(1):6-15.

[4]严伟，禹胜林，房迅雷．基于LTCC技术的三维集成微波组件[J].电子学报，2005，33(11)：2009-2012.

[5]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 Implement of Ku-band Wideband 8-channel T/R Module Based on LTCC Substrate

GE Jiang-na

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050001，China)

Abstract:This paper introduces the design idea and implement method of a kind of Ku-band wideband 8-channel T/R module.In view of some difficulties such as higher working frequency,broader bandwidth,more channels,complex function,more bare chips,limited height and so on,such advanced technologies as low temperature cofired ceramic (LTCC),multi-chip module (MCM) and modular design are adopted in the module,the miniaturized 8-channel T/R module with low noise,light weight and complete functions is developed successfully.For the module,the output power of the single channel is 34 dBm,and the recepted noise coefficient is 3.5 dB,the digital controlled attenuator and digital controlled phase shifter is 6 bit,the module height is 6.6 mm,the total weight is only 87.2 g,and the average weight of each channel is only 10.9 g.The module has been in the stage of mass production.

Key words:Ku-band wideband;8-channel T/R module;low temperature cofired ceramic;multi-chip module;modularization

收稿日期:2016-01-03

中图分类号：TN713

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0074-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.019