基于HTCC工艺的短砖式毫米波收发模组技术研究

赵 怡，田 野，毛 繁，安春全，蒋创新，余怀强

(中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆400060)

0 引言

近年来，随着新一代电子系统对多功能、大带宽的迫切需求，有源相控阵天线在雷达、通信等领域都有重要的作用[1]。T/R模组作为有源相控阵天线的核心关键部件之一，其性能指标、尺寸及质量等参数对天线系统也至关重要。随着固态微波器件技术迅速发展，不管从技术本身发展趋势还是系统应用需求来看，T/R模组都向小尺寸及高工作频率发展。虽然目前X波段、Ku波段等微波T/R模组技术日趋成熟，然而并不能满足新一代电子系统对相控阵天线更小、更轻、更大带宽的技术要求，所以Ka波段、W波段等毫米波T/R模组技术已成为当前研究热点[2-3]。

现如今低温共烧陶瓷(LTCC)工艺已成为微波毫米波组件最常用的加工手段之一[4-5]，但在平面图形及垂直过孔的制备过程中，通常采用贵重金属金或银作为导体材料，制备成本高，且LTCC基板力学性能较差，不适合作为封装管壳的电路基板，对于尺寸较大的LTCC基板通常需要使用额外的金属外壳进行封装，因此难以实现小型化高密度集成。

高温共烧陶瓷(HTCC)工艺是采用Al2O3或AlN材料作为介质材料，钨金属作为导体材料，在1 600 ℃左右共烧制备多层陶瓷电路基板的一种加工工艺。与LTCC工艺相比，HTCC的结构强度特性较优，通过底部金属载板支撑，能直接作为封装管壳的基板；且具有成本低及适合大批量生产等优点。

本文设计并加工了一种基于Al2O3材料的HTCC电路基板，结合多芯片组装工艺研制出了具有8个收发通道的Ka波段T/R模组，由于采用HTCC平面传输过渡和屏蔽结构设计，实现了毫米波信号的稳定传输及良好的通道间性能一致性。

1 T/R模组设计

1.1 T/R模组电路架构设计

图1为本文提出的一种T/R模组电路原理框图。接收链路实现毫米波信号的低噪声放大，幅相控制和功率合成；发射链路实现毫米波信号的功率分配，相位控制和功率放大。T/R模组由功分器、幅相多功能芯片和收发芯片组成，其中幅相多功能芯片采用0.13 μm SiGe工艺制程设计加工，实现毫米波信号的幅相控制与放大；收发多功能芯片采用0.15 μm GaAs工艺制程设计加工，完成毫米波信号的功率放大与低噪声放大。

1.2 T/R模组结构设计

与传统HTCC管壳设计相比，该T/R模组结构设计需要在HTCC底座上完成多种芯片的高密度集成，因此，其结构更紧凑。设计过程中不仅需要考虑整体结构、器件散热和气密封设计等外壳参数外，还需要对涉及电性能的端口驻波、通道间隔离、绝缘性、导通电阻和基座接地进行针对性仿真设计。

如图2所示，T/R模组主要由底部金属载板、HTCC电路基板、可伐围框和盖板组成。其中底部金属载板采用热膨胀系数与Al2O3相近的铜钼铜载板，并同时为模组提供良好的导热性能，该结构可通过螺栓与外部单机外壳进行可靠的连接。HTCC电路基板是底座的主体结构，采用Al2O3陶瓷材料作为介质材料，其介电常数为9.8(1 MHz下)，介质损耗角正切为0.003，HTCC电路基板表面的金属导体采用金属钨浆料，其电阻率为5.51 mΩ·cm。该T/R模组通过内部多层布线与过孔实现毫米波信号、供电与控制信号的互连传输，而可伐围框与盖板共同为模组内裸芯片提供良好的气密封环境。

1.3 毫米波信号平面传输过渡与屏蔽结构设计

随着T/R模组的工作频率越高，设计不当的信号传输线因高频寄生效应带来的信号恶化也越明显，其中信号传输和屏蔽的设计是影响信号质量的关键因素。为了满足T/R模组内部的气密封要求，毫米波信号需要实现HTCC“穿墙过渡”，即毫米波信号需要从一个分腔内部穿过HTCC隔墙传输过渡到该分腔外部。

图3为本文提出的一种传输线过渡的基本结构模型，共采用6层Al2O3介质层，其中共面波导的介质为3层，带状线上下介质各为3层，每层介质烧结后的厚度约80 μm，即H1=H2=240 μm。图3中，W1为微带线的宽度，W2为带状线的宽度，d1为平行于信号传输方向两排屏蔽过孔的距离，d2为贯穿6层介质的垂直接地过孔Via1圆心距离开槽介质边缘的距离。在高密度电路基板设计过程中，d1和d2的合理设计对信号过渡传输影响较大。

通过HFSS软件优化仿真得出W1=230 μm，W2=90 μm。为了保证HTCC内埋微波传输线的传输特性，两种接地孔(Via1和Via2)通过合理设计，分别分布在带状线和共面波导的两侧。其中Via1为贯穿6层介质的垂直接地过孔，Via2为仅贯穿下3层介质的垂直接地过孔，这两种过孔共同组成信号过渡与屏蔽作用。

设计师总希望d1能尽量小，使电路具有更高集成度。图4为上述平面传输过渡结构在不同d1下插入损耗S21的变化曲线。当d1=0.4 mm时，因屏蔽过孔距离较近，影响了信号传输的效果，使传输损耗有一定恶化，同时信号幅度平坦度也随之变差；当d1=1.2 mm时，屏蔽过孔距离较远，电磁波传输效率降低，一定程度上恶化了信号的传输质量。经过优化分析，当d1=0.8 mm时，信号的传输质量最佳，插入损耗S21≤0.35 dB。在工程设计时，必须根据电路板加工工艺进行容差分析，排除因加工公差导致信号传输的恶化。

设计师在选择d2时需考虑电性能与加工工艺要求。因受HTCC加工工艺限制，Via1距离开槽介质边缘的距离不能低于加工工艺要求，否则在HTCC加工过程中将出现介质边缘“破孔”的现象，从而导致HTCC内部走线存在“开路”甚至“短路”的风险。图5为平面传输过渡结构在不同d2下S21的变化曲线。当d2=0.35 mm时，S21≤0.35 dB，能够满足工程使用需求；当d2=0.55 mm或d2=0.75 mm时，S21呈现出了不同程度的恶化，在该情况下整个链路几乎不可使用。

图6为通过HFSS仿真工具查看传输信号频率为37 GHz时不同d2下的电场分布云图。当d2=0.55 mm时，共面波导到带状线的过渡区域出现了电场分布异常的状态，从而导致电磁波能量无法有效地从端口1传播到端口2。当d2=0.35 mm时，可看到电磁波在共面波导传输线、带状线和共面波导到带状线过渡的各个阶段都能实现比较良好的传输，信号能量被束缚在传输方向两侧的屏蔽孔内。经过上述分析并结合工程经验，最终取d1=0.8 mm，d2=0.4 mm。

2 T/R模组加工与测试

2.1 T/R模组加工结果

图7为采用HTCC工艺加工出的Ka波段短砖式T/R模组实物照片，整个T/R模组尺寸仅为36 mm×33 mm×3 mm，具有8个通道的收发移相、衰减及放大等电路功能。由图可看出，与天线端口相连的毫米波信号输出端口在输出端面均匀分布，毫米波信号输入端口和直流信号焊盘依次分布在输入端面，各个端面的引线键合满足GJB548B的引线键合强度要求，可实现与外部电路的稳定互连。

2.2 微波性能测试

为了准确测试HTCC基座毫米波信号传输线S参数性能，选用了中国电子科技集团公司第四十一所的3672C型矢量网络分析仪和Cascade公司的ACP50-A-GSG-450型GSG探针进行测试，如图8所示。图9为采用共面波导-带状线平面过渡结构的信号传输线的S21曲线仿真与实测对比图。由图可看出，频率30～40 GHz内仿真和实测数据基本吻合，在40 GHz下S21相差仅为0.2 dB。

针对T/R模组的主要性能参数进行了测试，其中部分通道的接收增益、噪声系数、发射输出功率测试结果如表1所示。由表可看出，通道间的各项指标一致性较好。

表1 T/R模组主要性能参数测试结果

3 结束语

本文设计了一款基于HTCC工艺的Ka波段短砖式T/R模组，在36 mm×33 mm×3 mm的尺寸下实现了8个收发通道的高密集成。通过对共面波导-带状线平面传输过渡优化设计，在工作频率为40 GHz时实现了HTCC“穿墙过渡”插入损耗小于0.9 dB。T/R模组在工作频带内的增收增益为24 dB±1.9 dB，噪声系数≤5.1 dB，单通道输出功率≥23 dBm。采用该设计方法，在Ka波段及以下频率能够使用HTCC工艺替代LTCC工艺实现T/R模组的高密度集成、小型化设计及批量生产，具有尺寸小，轻薄化，信号传输稳定及通道间一致性好等优点，可应用于新一代小型化有源相控阵天线系统。