Ku频段LTCC上变频模块设计

余承伟，冯 磊

Ku频段LTCC上变频模块设计

余承伟，冯 磊

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

针对卫星通信系统小型化需求，介绍了一种基于LTCC技术的Ku频段上变频模块设计。采用薄膜微组装工艺，设计了小型化高性能多工器，利用低温共烧陶瓷 （LTCC）技术，通过对LTCC微波信号过渡结构进行仿真和优化，以及带传输零点的高抑制度X和Ku频段LTCC滤波器的设计，使小型化的同时模块的电性能指标得到保证。最终实现的Ku频段LTCC上变频模块的体积为39.2 mm×33.1 mm×13 mm，约为原来的1/8，LTCC技术有效地实现了产品的小型化。

LTCC；小型化；薄膜；上变频器；滤波器

引用格式：余承伟，冯 磊.Ku频段LTCC上变频模块设计［J］.无线电工程，2016，46（5）：60-64.

0 引言

近年来电子装备微型化，轻量化，高可靠性要求越来越强烈，小型化已经成为产品竞争力的一个重要体现。Ku频段上变频模块实现将C频段（2.5～3 GHz）上变频至Ku频段（14～14.5 GHz），并提供一定的增益和增益控制功能，是Ku频段卫星通信系统中的主要设备之一。但目前Ku频段上变频模块体积仍然偏大，成为制约卫星通信系统体积进一步缩小的一个重要因素。低温共烧陶瓷（LTCC）技术［1-2］以多层布线三维立体结构为特点，在提高微波电路组装和互连密度实现小型化方面具有非常显著的优势。本文利用LTCC技术，通过对滤波器进行多层设计以及引入传输零点、对高频过渡采用改进的“马蹄型”结构形式等优化设计手段，最终实现了高性能小型的Ku频段上变频模块。

1 电路构成

Ku频段LTCC上变频模块的电路构成如图1所示。

图1　Ku频段LTCC上变频模块电路构成

为了缩小整体体积，将多工器与变频模块集成一体化设计，输入端为C频段和10 M参考信号合路输入，经过一个小型的薄膜多工器分离出C频段信号和10 M参考信号，10 M参考信号经过一个7阶低通滤波器滤波后供给锁相源。锁相源输出本振信号经过2个带通滤波器对本振谐波进行抑制，和一个放大器将本振放大到混频器所需要的功率，供给混频器；C频段信号经过模拟控制和数控衰减器实现对整个变频模块进行增益调整，然后经放大输入给混频实现上变频，混频器输出的Ku频段信号经过2次带通滤波后放大，既保证了对混频后的本振泄露有足够的抑制，又使输出信号有足够的增益和功率。

2 电路设计

2.1 C频段电路设计

C频段电路主要包括薄膜多工器、模拟衰减器、数控衰减器和一个放大器。为了实现更小的体积，薄膜多工器采用芯片式感容替代传统表贴式感容设计，通过金丝键合和导电胶粘结等微组装工艺实现，其中芯片电感首次以石英基片为衬底，利用石英较低的介质损耗和良好的一致性，设计出的螺旋电感体积小且方便薄膜电路集成，由于传输线缩短，寄生参数减小，薄膜多工器较传统多工器在小型化和性能上均有提升，如表1所示。

表1　传统多工器与小型化多工器性能对比

模拟衰减控制选用HMC973LP3E，该款衰减器采用0～+5 V单电压控制即可实现0～26 dB的衰减范围，主要对变频模块在不同温度环境下的增益变化进行补偿。Hittite公司的 6位数控衰减器HMC425能够实现0.5 dB步进、最大31.5 dB的衰减，满足对变频模块及整机的增益在-55～85℃温度范围下进行高精度宽幅度的控制，且为裸片形式，易于在LTCC基板上集成，2款衰减器均通过ARM芯片实现CAN总线控制。

C频段放大器选用NC1074C-0835低噪声放大芯片，该芯片在0.8～3.5 GHz可提供27 dB增益，且静态电流仅为55 mA，减轻了模块的功耗压力。

2.2 本振电路设计

本振电路主要由锁相源PLS11500、2个中心频率11.5 GHz的LTCC带通滤波器及一个放大器组成，为了提高集成度，设计中本振电路与混频电路分在基板两面布局，因此需要完成11.5 GHz信号在两面间过渡，具体通过微带-带状-微带线过渡形式实现。PLS11500为最新款的HTCC小型化锁相源，内部集成VCO芯片、鉴相器芯片和环路滤波器等，采用HTCC工艺，将电路版图与管壳一体化，输出11.5 GHz相位噪声可达：≤-68 dBc/Hz@100 Hz；≤-80 dBc/Hz@1kHz；≤-87dBc/Hz@10 kHz；≤-97 dBc/Hz@100 kHz。

2.2.1 微带带状线过渡

在传统电路设计中，受限于介质或工艺的不足，往往无法实现高频信号在不同层间过渡，而LTCC技术就能很好地解决这一问题，本振电路中，为了实现本振11.5 GHz信号在不同层间的传输，首先需要解决微带-带状线间低损耗的转换。通常情况，可以用金属通孔模拟同轴结构的方法来完成层间传输，为了补偿频率较高时通孔带来的电感效应，需要在过渡处引入较大的金属托盘进行容性补偿，如图2（a）所示。为了增强屏蔽，改善过渡效果，本文对同轴型进行改进，采用“马蹄型”过渡结构代替传统同轴型，通过延伸微带地与带状线地上的屏蔽孔，加强屏蔽减少过渡结构与外部金属层间的互扰，如图2（b）所示。2种过渡结构过渡特性的仿真对比如图3所示，从结果来看，“马蹄型”结构的回波损耗要稍优于传统同轴型，性能更优，满足过渡要求，回波损耗起伏较大主要是由于器件焊盘过大而微带线过宽导致阻抗不匹配。

图2　微带带状线过渡结构

图3　2种过渡结构仿真对比

2.2.2 LTCC滤波器设计

传统变频模块体积之所以很难做小，一方面是因为没能采用体积更小或者功能更强的有源芯片，另一个重要方面就是传统微带或集总型的滤波器体积无法缩小，本设计中采用全新工艺的LTCC滤波器代替传统微带滤波器，大大缩小了滤波器的体积。

为了实现高抑制度的带通滤波，除了要求滤波器具有良好的矩形系数［3］外，在抑制频率抑制点引入传输零点也是非常有效的手段。

对于理论上的传输零点［4-5］是指传输函数等于零的频率点，此时能量完全不能通过网络而起到隔离作用，通常有2种方式能阻隔能量的传输：全反射和能量短路到其他支路（一般为地）。

一般情况下，随着频率的升高，集总元件的Q值不断地降低，微波损耗逐渐增大，再加上频率较高时集总LC不可避免地寄生耦合效应［6］，集总参数元件已经不适用高频滤波器的设计。对于分布参数结构，带状线和短接线是构成滤波器谐振体2种比较常用的形式，在高频段，这类结构与低频段的集总结构相比更为紧凑，体积更小，且更易加工。为实现传输零点，可以将电感或者电容与分布参数的谐振体连接起来，如图4所示，Zc为谐振体的特性阻抗，θ为电长度，Cp、Lp分别为为实现传输零点而引入的串联电容和串联电感。

图4 分布型滤波器传输零点的引入

图4（a）所示的阻抗为：

要实现传输零点则阻抗必须为零，则

式中，θp为谐振体在传输零点频率处的电长度。同样，图4（b）所示的阻抗为：

要形成传输零点则阻抗必须为零，于是，

因此，对于分布参数的微波谐振体［7］，无论是引入串联电容还是串联电感都会在谐振频率处产生传输零点。本振电路以及Ku频段电路中的LTCC滤波器正是采用如图5所示引入串联电容的方式实现高抑制度的LTCC带状线谐振体滤波器。

图5　带状线谐振体滤波器结构

对于微波频段，一般把带状线作为无耗线来处理，当一段带状线处于磁导率为μ0，介电常数为ε的均匀介质中时，其单位长度上的分布电容［8］C1和分布电感L1分别为：

式中，w为带状线的导带线宽；b为两接地板间的距离。LTCC带状线谐振体滤波器实质就是埋置在介质内部的带状线构成谐振单元，再加上不同介质层上的金属导带之间形成的耦合电容而得到，通过设计不同长度和宽度的带状线，以及选择合适的介质，得到不同的分布电容和分布电感，根据谐振频率［9-10］ω=1/ LC，就能实现在某一中心频率谐振，同时满足带内损耗、带宽和阻带等各项技术指标的带通滤波器。

LTCC带状线谐振体滤波器的设计难点在于如何规划滤波器的层数和不同层金属导带的样式，以及利用LTCC技术的优势将滤波器的体积尽可能做到更小。一般情况下，分布型滤波器是由1/4或者1/2波长谐振体［11］构成，单根微带或者带状线很难把体积缩小，本文利用LTCC多层设计优势，采用叠层的形式通过宽边耦合，电流可等效为自上而下通过2层带状线，从而实现在不增加平面尺寸的情况下加长电长度［12］，有效地减小了滤波器体积。

本振电路中的11.5 GHz带通滤波器采用四阶LTCC带状线谐振体滤波器，选用的介质材料为介电常数为5.9的Ferro A6M，单层厚度为0.094 mm，损耗角正切为0.002，共分11层设计，内部金属层采用银材料，运用三维仿真软件Ansys HFSS建立的模型和仿真结果分别如图6所示，整体尺寸为3.1 mm×2 mm×1.1 mm。

图6　11.5 GHz LTCC带通滤波器三维模型及仿真结果

从仿真结果来看，11.5 GHz处仿真损耗小于1 dB，由于串联电容的引入以及各级谐振体之间的电磁耦合效应，LTCC滤波器的上下边带均出现了传输零点，对8.5 GHz和17 GHz的抑制度均在50 dB以上，二级LTCC滤波器保证对本振输出杂波有足够的抑制。加工出来的滤波器实物与原来采用的微带滤波器对比图如图7所示，滤波器体积小于原来的1/10。

图7　11.5 GHz微带滤波器与LTCC滤波器实物对比

2.2.3 本振放大器

本振电路的本振放大器选用 Hittite公司的MMIC芯片HMC441，该芯片在8～12.5 GHz提供16.5 dB增益，输出1 dB压缩点大于16 dBm，可为混频器提供足够的本振驱动电平。

2.3 Ku频段电路设计

Ku频段电路包括混频器、2级放大器和2个14 GHz带通滤波器，混频器采用HMC553，HMC553 为Hittite公司的无源双平衡MMIC混频器，当本振功率为+13 dBm时，变频损耗约为8 dB。为了尽量减少器件型号，放大器仍采用HMC441，保证给后级的功率放大器提供所需的驱动电平。

为了减小体积，14 GHz带通滤波器仍采用上节的LTCC带状线谐振体滤波器形式，介质材料还是采用Ferro A6M，因为中心频率的升高，需要对带状线型谐振体的尺寸和传输零点重新设计，最终HFSS三维模型和仿真结果如图8所示。

图8　14 GHz LTCC滤波器三维模型及仿真结果

从仿真结果看，采用LTCC带状线谐振体形式的14 GHz带通滤波器对11.5 GHz本振信号有高达70 dB的抑制，在14～14.5 GHz带宽内损耗为1 dB左右，平坦度小于1 dB，很好地满足了性能要求。这里采用2级滤波，主要为了防止加工误差造成滤波器零点偏移而导致滤波器抑制度降低，确保杂散指标。

3 模块设计及测试

Ku频段LTCC上变频模块选用的介质材料为Ferro A6M，共分11层设计，LTCC变频模块截面图如图9所示，微带线占3层，为了提高集成度，器件分在上下两表面布局，层间又分直流信号和控制信号走线，为了保证MMIC器件焊盘和表层微带线在一个平面上，并且芯片地尽量与微带地一致，避免地电流造成不稳定，这里采用介质基板上挖腔的处理方法。

图9　LTCC变频模块截面图

另外，为了保证基板平整，同时增强接地散热效果，相邻层间的铺地设计采用交错网格形式，如图10所示，这样防止金属分布不均导致基板翘曲的同时，也增强了信号屏蔽效果［13］。

图10　网格铺地

Ku频段LTCC上变频模块基板加工完成后，进行器件装配，所有器件均采用导电胶粘结的方式安装，MMIC器件与微带间用金丝键合连接，最后将装配完成的基板焊接在盒体上，装配完成的模块的尺寸为：39.2 mm×33.1 mm×13 mm，体积约为采用传统工艺实现相同功能模块的1/8。装配完成后模块测试结果如下：

增益调整：数控衰减31.5 dB，0.5 dB步进；

模拟衰减电压逐毫伏可控，衰减幅度大于25 dB

测试结果表明，Ku频段LTCC上变频模块不仅体积得到大大减小，而且各项性能指标均满足使用要求。

4 结束语

本文在设计Ku频段LTCC上变频模块过程中，一方面采用较小的裸芯片器件设计，减小寄生参数的同时大大提高集成度，另一方面采用LTCC多层设计技术，实现高抑制度超小型的LTCC带通滤波器，解决滤波器体积过大的问题，通过优化过渡设计和屏蔽结构设计解决高频信号在层间传输以及小型化所带来的电磁屏蔽的难题，最终使模块的小型化和高性能均得到保证。

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Design of a Ku-band Up-converter Based on LTCC Technology

YU Cheng-wei，FENG Lei
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In this paper，the design of a Ku-band up-converter based on LTCC technology is presented.By using thin-film micropackaging technology，the multiplexer as one of the sub-circuits becomes smaller and performs well.The microwave signal transition structure in the module is simulated and analyzed，meanwhile，to achieve high rejection，the X and Ku band filters used in the module are designed with transmission-zeros on the stop band.Finally，not only do the test results of the up-converter meet all the design target well，but also the size is reduced to 39.2 mm×33.1 mm×13 mm，as big as 1/8 of the original，which means LTCC technology meets the requirements on miniaturization well.

low-temperature cofired ceramic（LTCC）；miniaturization；thin-film；up-converter；filter

TN73

A

1003-3106（2016）05-0060-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.16

2016-01-28

余承伟 男，（1984—），硕士，工程师。主要研究方向：微波射频技术。

冯 磊 男，（1987—），助理工程师。主要研究方向：微波射频技术。