高集成C波段小型化收发电路的研制

米多斌 厉志强 李静强

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

高集成C波段小型化收发电路的研制

米多斌 厉志强 李静强

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

本文基于GaAs多功能MMIC高集成度的优势，采用多层LTCC工艺技术研制了一种小型化C波段收发电路。讨论了系统方案的优化设计，建立了各单元电路的参数化模型。在此基础上采用局部电磁场优化仿真和全局电路系统仿真相结合的设计方法，对收发电路的各项指标进行了优化仿真分析。该电路性能优良，接收增益大于32dB，噪声系数小于1.4dB，驻波小于1.5，发射功率大于39dBm，电路模块尺寸为30mm×30mm×8mm，且内部集成了收发电源调制电路、幅相及收发控制电路、电源保护电路等，集成度提高的同时，其体积大幅度减小。

收发电路；小型化；高密度集成；MMIC；LTCC；微组装技术

0. 引言

近年来，随着微波单片集成电路（MMIC）和多芯片组装（MCM）技术的发展与应用，T/R收发电路的发展趋于小型化、轻量化、高集成。国内已陆续研制出了一系列高性能的MMIC器件，MCM工艺技术也逐步发展成熟。因此，基于MMIC器件及MCM工艺技术的复杂电路及系统研究成为电路设计的重要课题。系统级封装（SIP）利用微组装和三维互联技术，可将各种GaAs电路、CMOS电路等有源集成电路以及电容、电阻、滤波器等各类无源器件集成到一起，实现功能复杂电路的小型化。

低温共烧陶瓷技术（LTCC）是实现系统级封装的一种较为理想的高密度组装技术，材料介电常数适中，信号传输线采用Au、Ag等良导体，具有损耗小，微波性能好等优点。它采用多层层叠技术可对微波传输线、逻辑控制线及电源线进行混合布线设计，并且可将电容、电阻等无源元件集成在多层微波电路基板中，最大限度地减小电路的体积、重量和元器件数量，提高系统性能和可靠性，降低成本。同时，基于LTCC的多芯片系统可以采用气密封的金属封装，满足苛刻环境条件下使用。因此，基于LTCC工艺技术研制的微波电路具有高密度集成、多种电路功能和高可靠性等技术优势。

本文介绍的C波段小型化收发电路，在采用LTCC及多芯片组装技术的基础上，利用自主研制的GaAs幅相一体多功能MMIC，进一步减小了电路的体积。

1. 收发电路的原理及组成

T/R收发电路作为射频收发系统前端，在整个系统中起到至关重要的作用。一般是由一接收支路和一发射支路组成，原理框图如图1所示。天线接收到的微弱射频信号进入其接收通道，经过放大，以一定的幅度及相位输出，进入后级处理。系统对接收前端的基本要求是：较低的噪声系数，一定的小信号增益，足够的抗电磁脉冲能力，足够的带宽和动态范围等；经过前级处理的发射信号进入电路发射通道，经过信号放大，以足够大的功率及相应的相位输出至天线，由天线辐射到整个空间。系统对发射前端的基本要求是：较高的发射功率，稳定的幅频特性，足够的带宽等。

针对目前收发电路小型化和高集成的要求，对常规的采用混合集成电路的技术方案和先进的LTCC与MMIC相结合的技术方案进行对比，其优缺点见表1。

表1　两种技术方案对比分析

由此可见，LTCC技术与MMIC相结合的技术方案更有利于收发电路的小型化，且有利于提高可靠性及适于大规模生产。因此，采用该技术方案进行收发电路的设计。为进一步提高收发电路的集成度，采用自主研制的GaAsE/D多功能芯片，将其射频通道主要功能芯片由通常的8片式结构缩减至3片，如图2所示。该多功能芯片上集成了T/R开关、数控移相器、衰减器、两级放大器及驱动器。其中，数控移相器、衰减器、两级放大器为收发共用，由3个单刀双掷开关完成收发通道的切换。

2. 收发电路的设计

2.1 TR电路及器件建模分析

电路仿真首先需要提取各个元器件的参数化模型。在TR电路模型中，主要分为三大类模型，包括无源元件模型、低噪放电路模型、功放电路模型。无源元件又包含微波开关、幅度均衡器、衰减器、移相器、滤波器等元件。其中无源元件模型参数主要包括插入损耗、端口驻波及隔离度等，这些参数均可用小信号S参数表征；而放大器模型参数主要包括线性增益、噪声系数、端口驻波、1dB压缩输出功率或饱和输出功率、效率、谐波及三阶交调等，除了小信号S参数外，还需要用大信号X参数来表征。

2.2 功放负载牵引仿真设计

常规的微波电路系统中，所有连接微波器件的信号端口均匹配到50Ω，但是对于功率放大器，为了得到最大输出功率，其主要工作在饱和区，进入非线性区后S参数会随着输入信号的增大而不断变化。这使得阻抗匹配变得较为困难。所以，需要利用负载牵引（Load-Pull）原理找出功率放大器获得最大输出功率时对应的负载阻抗ZL，再根据该负载阻抗ZL设计外部的匹配网络，使阻抗过渡到50Ω信号端口。

针对该收发电路的功率及效率需求，建立功率放大器的负载牵引模型，如图3所示。经过仿真，选取固定的几个频率点，在史密斯圆图（Smith chart）上，对于某个给定的输入功率值，得出不同负载阻抗时的等输出功率曲线和等附加效率曲线，图4给出了功率放大器在f0频点时的等输出功率曲线及等功率附加效率曲线。可以看出，最大输出功率Pout=39.12dBm对应的负载阻抗值ZL1=58.764+j*9.585，而最高功率附加效率η=38.66%对应的负载阻抗值ZL2=30.289+j*4.902，二者偏离甚远。因此，需要在各频点的最大输出功率和最高功率附加效率对应的负载阻抗之间进行折中考虑，得到最佳外部负载阻抗。

2.3 局部电路的电磁场仿真分析

在整个收发电路中，除上述有源和无源电路模型外，还需要对其微波不连续及较为敏感的局部区域进行三维电磁场仿真分析及优化，如键合引线过渡区域、微带到同轴转换、带状线、输入/输出阻抗匹配等，仿真模型如图5所示。

根据电磁场优化仿真结果的S参数，建立局部电路的参数化模型，将其与MMIC芯片等元器件的参数化模型一起代入系统中进行仿真，从而对整个电路做出更准确的评估。

3. LTCC基板设计和电路制作

该小型化收发电路采用10层LTCC基板，基板材料为Frrro A6M，介电常数5.9，损耗角正切0.002。布线采用的工艺最小线宽、线间距均为100μm，孔直径150μm，电阻浆料方块电阻选择10Ω/□、100Ω/□和1kΩ/□3种，控制精度基板内部为±20%，表面为±5%。LTCC底部要求整板焊接，通孔填充材料为导电金浆，以保证电导率和可靠性。基板设计遵循电磁兼容的原则，对电源层和信号层分层设计，层间由网格地进行电磁屏蔽。此外，还对LTCC基板进行了减小应力的圆弧角设计和防止焊接“析金”的阻焊设计。

收发电路内部采取微组装工艺进行装配，封装外壳使用适合激光密封的新型材料硅铝CE11，其线热膨胀系数与LTCC基板相匹配，功放芯片共晶烧结在高导热率的钼铜载体上，并直接钎焊在封装外壳上，一方面提高了功放芯片的散热效率，另一方面便于拆卸返修。其余MMIC芯片、控制及调制CMOS芯片采用导电胶粘接工艺装配于LTCC基板或封装外壳上。图6为C波段小型化收发电路实物照片，体积为30mm×30mm×8mm。

4. 测试结果及讨论

对微组装完成的收发电路进行了测试，并将测试结果与仿真优化结果进行了对比分析。图7（a）、（b）、（c）分别给出了接收通道小信号增益、噪声系数、发射通道饱和输出功率的对比结果。由图7（a）可以看出，接收通道增益在应用频带内大于32dB，且测试与仿真结果吻合较好，最大误差0.6dB；同样由图7（b）可见，噪声系数在应用频带内小于1.4dB，最大误差小于0.2dB。这主要是由于LTCC工艺误差及装配工艺误差所致。

在规定的脉冲周期和占空比条件下，对发射通道进行测试，结果如图7（c）所示。发射通道饱和输出功率在应用频带内大于39dBm，且个别频点的测试值大于仿真结果，最大误差约0.2dB。这主要是由于在负载牵引仿真时，各频点最大输出功率匹配对应的负载阻抗不同，而且要兼顾功率附加效率，导致个别频点的输出匹配稍差，而键合线的仿真和实际状态也存在一定差异，最终导致误差的形成。

此外，经测试接收通道驻波小于1.5，功率附加效率大于33%，收发通道RMS移相误差均小于2°，主要技术指标均达到要求，且和仿真结果吻合较好。随着电路系统日趋复杂，元器件越来越多，这种局部电磁场优化仿真和全局电路系统仿真相结合的设计方法表现出了巨大的优越性，在设计中应继续探索应用。

结论

本文设计并制作完成了基于GaAs多功能MMIC和LTCC的C波段小型化收发电路。首先采用小信号S参数和负载牵引法对各单元电路进行建模，并对较为敏感的电路结构建立三维电磁场模型进行优化设计，在此基础上对整个收发电路的增益、噪声、驻波及功率等指标进行了优化仿真分析。该收发电路采用多层LTCC工艺技术实现，并充分利用GaAs多功能芯片高集成度的优势，极大地减小了收发电路的体积，并提高了可靠性。通过优化设计及实验验证，该小型化收发电路具有良好的电性能指标，且电路仿真与实测结果基本一致，具有较好的推广应用价值。

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