基于微波多層板的小型化多通道接收前端設(shè)計(jì)

白 銳，高長(zhǎng)征

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051)

1 引 言

隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，小型化多通道接收前端組件已經(jīng)得到了越來越多的重視和應(yīng)用[1]。而多層基板技術(shù)與微組裝工藝的結(jié)合，可以顯著減小產(chǎn)品的體積和重量，并提高產(chǎn)品性能,對(duì)于實(shí)現(xiàn)多通道前端組件的小型化和工程化應(yīng)用，起到了重要的推動(dòng)作用[2-3]。

多層基板如共燒陶瓷基板、硅基、金屬基和多層電路印制板等，在微波產(chǎn)品中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但從成本、周期、工藝和工程化研制等方面考慮，多層印制板則更具有一定的優(yōu)勢(shì)[4-5]。

為進(jìn)一步提高多通道接收前端組件的集成度，本文采用微波多層板結(jié)合MMIC、MEMS和LTCC濾波器等小型化器件的技術(shù)途徑，通過對(duì)微組裝工藝的優(yōu)化改進(jìn)和可靠性分析，使研制方案更具可行性和實(shí)用性。在電路上，增加可調(diào)衰減和電感電容等電抗元件，改善幅度和相位的一致性和可調(diào)性。在結(jié)構(gòu)上，分析影響隔離度的原因，通過增加屏蔽蓋板，進(jìn)一步提高通道間的隔離度和屏蔽特性。按此方案實(shí)現(xiàn)的C頻段四通道接收前端體積僅為120 mm×50 mm×12 mm，幅度和相位一致性分別小于±0.8 dB和±5°，通道間隔離度高于60 dBc。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路原理及主要技術(shù)指標(biāo)

接收前端主要由4個(gè)接收通道和本振功分放大等部分組成，每個(gè)通道對(duì)信號(hào)先進(jìn)行放大濾波，下變頻到中頻頻率后，再經(jīng)過放大、增益控制和濾波后輸出，主要電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of circuit

接收前端的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

(1)增益：≥40 dB(5.3～5.9 GHz);

(2)噪聲系數(shù)：≤3.5 dB；

(3)鏡像抑制度：≥50 dBc；

(4)通道隔離度：≥50 dBc；

(5)幅度一致性：≤±1 dB；

(6)相位一致性：≤±5°；

(7)中頻帶外抑制：≥30 dBc；

(8)雜散抑制度：≥50 dBc。

2.2 設(shè)計(jì)方案

按照小型化和工程化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，接收前端采用微波多層板作為電路載體，利用微組裝工藝實(shí)現(xiàn)電路裝配和調(diào)試，應(yīng)用輕質(zhì)鋁材料作為接收前端的封裝管殼。

射頻濾波器采用硅腔MEMS濾波器[6]，其體積僅為6.0 mm×6.0 mm×0.8 mm，比傳統(tǒng)腔體濾波器的體積縮小幾十倍。插入損耗小于2 dB，1 dB帶寬大于1 GHz，帶外抑制大于50 dBc@4 GHz&6.5 GHz，對(duì)于鏡像頻率的抑制可大于60 dBc。中頻濾波器采用LTCC濾波器，體積為4.8 mm×4.8 mm×1.0 mm，帶外抑制大于35 dBc。

其余元器件皆采用MMIC裸芯片，包括放大器、功分器和低通濾波器等。MMIC體積小，一致性高，便于集成。

2.3 微波多層板設(shè)計(jì)

作為電路載體，首先應(yīng)選擇硬質(zhì)、熱膨脹系數(shù)小和銅箔附著能力強(qiáng)的板材，其強(qiáng)度好，不易形變，可靠性高;其次，選擇高頻板，介電常數(shù)低，損耗小。另外，還要考慮制作多層板的工藝和難度。

本文多層板設(shè)計(jì)采取4層混壓板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。頂層采用Rogers的RO4350B，介電常數(shù)約為3.48。第2～4層采用FR-4系列的S1000-2B半固化片，介電常數(shù)約為4.8。合理地設(shè)計(jì)每層介質(zhì)厚度，防止翹曲，成品厚度約為1.2 mm。

圖2 多層板模型示意圖Fig.2 Model diagram of the multilayer board

電路布局時(shí)，要考慮共地處理，電磁屏蔽和層間隔離，防止串?dāng)_。微波信號(hào)在頂層傳輸，低頻信號(hào)、電源和控制信號(hào)等在中間層通過。多層板的通孔和盲孔都采用盤中孔工藝,即在孔金屬化(鍍銅)完成后，在孔內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂，固化磨平后，再次金屬化表面鍍銅，蝕刻圖形后再沉鎳金。采用盤中孔工藝后不僅可以增加信號(hào)地的有效面積，還可以防止導(dǎo)電膠或焊料從通孔中溢至頂層表面，污染盤和帶線。圖3為微波多層板的實(shí)物圖。

圖3 多層板實(shí)物圖Fig.3 Photo of the multilayer board

2.4 幅相一致性設(shè)計(jì)

在中頻電路端，采用MMIC可調(diào)衰減器進(jìn)行增益調(diào)整,其在1.05 mm×0.62 mm的面積上，設(shè)計(jì)有0.5/0/1 dB可選衰減量，通過金絲鍵合進(jìn)行選擇,調(diào)試方式簡(jiǎn)單、便捷。

相位一致性設(shè)計(jì)可從電長(zhǎng)度、抗性元件等因素考慮[7]。在射頻和本振電路端，如圖4所示，采用并聯(lián)或串聯(lián)電容、串聯(lián)電感等形式，對(duì)相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。電容采用Metal-isolator semiconductor(MIS)電容，其面積小，Q值高，在同一襯底上可實(shí)現(xiàn)4～6種電容值。也可利用陶瓷基板小電容，其工藝兼容，便于調(diào)節(jié)，裝配簡(jiǎn)易[8]。電感可以利用一段或幾段金絲的長(zhǎng)短來代替，當(dāng)需要感量較大時(shí)，可采用繞線電感實(shí)現(xiàn)。

圖4 電容和電感組裝圖Fig.4 Assembly diagram of capacitor and inductor

采用MIS電容，在0.43 mm×0.43 mm的面積上有0.1～0.8 pF 4種電容值。在不影響插損的情況下，在工作頻段，可以使相位超前或滯后5°～10°；采用直徑0.2 mm、內(nèi)徑0.8 mm、匝數(shù)1圈的繞線電感，電感值約1～2 nH，在本振電路端可以使相位滯后20°～30°，對(duì)于提高多通道相位一致性的調(diào)試性，起到了很好的改善作用。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高通道間的隔離度，在管殼內(nèi)部采用一個(gè)金屬材質(zhì)的內(nèi)屏蔽腔進(jìn)行隔離。在芯片和帶線位置，內(nèi)屏蔽腔挖空，防止短路，而其他部位與頂層基板大面積接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的信號(hào)隔離。內(nèi)屏蔽腔采用螺釘固定在管殼底部。

內(nèi)屏蔽腔嵌入管殼內(nèi)部后，與管殼四周還是存在一定縫隙。尤其在射頻輸入端，信號(hào)通過縫隙和管殼內(nèi)部空間，串?dāng)_到其他通道。經(jīng)測(cè)試，相鄰?fù)ǖ篱g的隔離度只有47 dBc。為改善隔離，在內(nèi)屏蔽腔上方，再加載一個(gè)內(nèi)蓋板，采用螺釘分別固定在內(nèi)屏蔽腔和管殼上，裝配圖如圖5所示。這種方式增加了內(nèi)屏蔽腔與管殼的共地面積，隔斷信號(hào)通過空間和縫隙的串?dāng)_。經(jīng)測(cè)試，相鄰?fù)ǖ栏綦x度不小于60 dBc，其他通道間隔離度最高可達(dá)到80 dBc。

圖5 裝配圖Fig.5 Assembly diagram

同時(shí)，射頻接插件采用釬焊工藝固定，外蓋板采用激光封焊工藝密封，使產(chǎn)品具有氣密性，保護(hù)內(nèi)部元器件，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。

3 微組裝設(shè)計(jì)

3.1 MMIC芯片微組裝

為了減小電路布局面積和提高微組裝效率，一是利用多層板直接作為芯片載體，使用導(dǎo)電膠粘貼固定；二是芯片間互聯(lián)，采用鍵合絲直接連接[9]，如圖4所示。在推薦的芯片輸入輸出連接方式中，一般都采用兩根金絲(25 μm)或一根金帶(75 μm)鍵合到50 Ω歐微帶線上進(jìn)行過渡。為使電路布局更加緊湊，芯片間互聯(lián)，直接采用一根鍵合絲(25 μm)連接。經(jīng)過仿真軟件進(jìn)行仿真和實(shí)際測(cè)試，在工作頻率12 GHz以下時(shí)，芯片的微波特性在分別采用一根金絲和兩根金絲時(shí)差別很小。

3.2 MEMS濾波器的應(yīng)用

在微波多層板上集成MEMS濾波器，首先，應(yīng)考慮到濾波器的自身面積；其次，硅材料的熱膨脹系數(shù)為2.5 ×10-6/℃，與基板存在一定差距；而且，濾波器和基板的結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。在溫度等環(huán)境條件變化時(shí)，在濾波器與基板粘接界面會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，容易造成疲勞開裂。

為保證MEMS濾波器應(yīng)用的可靠性，采用有限元分析法對(duì)MEMS濾波器受力情況進(jìn)行分析。在基板厚度為1.2 mm、基板和管殼底部面積皆為100 mm×50 mm時(shí)，對(duì)濾波器的尺寸和管殼底部厚度變化進(jìn)行應(yīng)力分析,結(jié)果如圖6所示。同時(shí)，考慮到基板上金屬化過孔邊緣應(yīng)力集中和MEMS器件自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，表1中的應(yīng)力值按仿真結(jié)果的3倍得出[10-11]。

圖6 MEMS濾波器最大主應(yīng)力Fig.6 Maximum principal stress of MEMS filter

濾波器尺寸/mm管殼底部厚度/mm應(yīng)力值/MPa20×104.511715×84.59810×104.59310×54.5886×64.57910×103.09810×102.0105

由表1可以看出，襯底厚度越厚，濾波器尺寸越小，其承受應(yīng)力越小，可靠性越高。而作為硅片受力與斷裂可能性之間的關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力小于140 MPa時(shí)，斷裂概率不超過0.001[12]。同時(shí)，采用低應(yīng)力導(dǎo)電膠粘貼，也是緩解應(yīng)力提高可靠性的有效方法。

3.3 LTCC濾波器的應(yīng)用

在微波多層板上，為了使LTCC濾波器接地良好，插損小，并且便于裝配，一般采取共晶焊接方式進(jìn)行安裝。但由于LTCC濾波器體積較大，熱膨脹系數(shù)(6.5 ppm/℃)與基板(35 ppm/℃)存在一定差距，采用焊接方式會(huì)在濾波器與基板之間引入更大的應(yīng)力失配。

為解決此問題，在基板與LTCC濾波器之間采用過渡層來釋放應(yīng)力[13],過渡層采用F4基板，體積為6.3 mm×5.2 mm×0.3 mm,先焊接好過渡板和濾波器，再一并焊接到多層基板上。這種方法對(duì)提高焊接的可靠性具有明顯的改善作用。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

按以上方案設(shè)計(jì)的C頻段四通道前端組件的實(shí)物圖如圖7所示。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀等設(shè)備對(duì)多套前端組件進(jìn)行測(cè)試，全溫環(huán)境下其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖7 接收前端實(shí)物圖Fig.7 Photo of the developed receiver front-end

指標(biāo)名稱測(cè)試值通道增益/dB41～43通道噪聲系數(shù)/dB≤3.2鏡像抑制度/dBc≥60通道隔離度/dBc≥60幅度一致性/dB≤±0.8相位一致性/(°)≤±5中頻帶外抑制/dBc≥35雜散抑制度/dBc≥60

由于在電路中加載了溫補(bǔ)衰減器，可使增益值在高低溫環(huán)境中保持在41～43 dB之間,增益平坦度不大于±0.2 dB。在研制過程中，相位一致性的指標(biāo)是主要調(diào)試項(xiàng)目。因?yàn)楣に囋?，濾波器之間很難保證較好的相位一致性，加之每個(gè)通道中采用了兩種濾波器，通道間相位差，最大會(huì)出現(xiàn)50°的偏差。但通過上述的增加抗性可調(diào)元件的調(diào)試方法，使調(diào)試工作更加便捷，相位一致性不大于 ±5°。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種采用微波多層板設(shè)計(jì)的小型化多通道接收前端組件，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法和微組裝工藝的優(yōu)化措施。產(chǎn)品具有集成度高、設(shè)計(jì)難度小、調(diào)試簡(jiǎn)單、工藝可靠等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)適應(yīng)多通道接收前端的工程化研制,對(duì)今后其他小型化多功能組件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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