基于HTCC的小型化下變頻電路設(shè)計(jì)?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

超外差式接收機(jī)是將射頻信號(hào)下變頻到中頻后進(jìn)行解調(diào)的一種電路形式,因此,下變頻是超外差式接收機(jī)的核心電路之一。接收機(jī)的下變頻鏈路主要是從自由空間接收下來的信號(hào)中選出有用信號(hào),在放大并混頻之后送到下端的調(diào)制解調(diào)器解調(diào)出需要的信息,最終實(shí)現(xiàn)將射頻信號(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)[1]。

與大多數(shù)機(jī)械掃描雷達(dá)相比,相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是:它是一個(gè)多通道的接收系統(tǒng),即整個(gè)接收系統(tǒng)中有多個(gè)接收通道[2]。隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)推廣應(yīng)用到機(jī)載、球載和星載等平臺(tái)上,為了在平臺(tái)日漸有限的載荷、空間、功耗條件下實(shí)現(xiàn)高集成、小型化、低功耗的多通道下變頻電路,設(shè)計(jì)中應(yīng)大量應(yīng)用微波單片集成電路及新材料、新工藝。

本文介紹了一種基于高溫共燒陶瓷(HTCC)的微波多芯片模塊(MMCM)的方式來實(shí)現(xiàn)下變頻電路的設(shè)計(jì)方法。采用該技術(shù)后大大降低了下變頻電路的體積、重量和功耗,并且使電路的一致性、可靠性和可制造性得到提高。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

下變頻電路的功能是將經(jīng)限幅低噪放放大濾波后的回波信號(hào)頻率搬移到適合A/D處理的中頻頻率并進(jìn)行濾波放大。對(duì)L波段的回波信號(hào)進(jìn)行變頻,有一次混頻和二次混頻兩種方式,如圖1所示。

圖1 下變頻電路原理框圖

采用二次混頻方式有以下優(yōu)點(diǎn):

1)可以選到合適的頻率窗口,使兩次變頻的射頻和本振信號(hào)之間的低次交調(diào)分量不會(huì)落入中頻信號(hào)帶寬之內(nèi),只是會(huì)有少量一、二本振之間的互調(diào)分量落入一中頻和二中頻中,其最低次組合為(2,6),利用雙平衡混頻器對(duì)偶次諧波的抑制作用可以很好地解決這一問題。

2)二中頻可以選到較低頻率。由于目前大部分高精度的A/D變換器中頻頻率越高,信噪比指標(biāo)會(huì)惡化,因此較低的二中頻頻率可以提高系統(tǒng)的信噪比,能有效增加動(dòng)態(tài)范圍。

缺點(diǎn)是設(shè)備量增加。對(duì)于下變頻電路本身來說,需要大量混頻放大和濾波器件,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說,需要一、二本振以及各自的功分網(wǎng)絡(luò)。

采用一次混頻方式最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約設(shè)備量,簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度,在平臺(tái)有限的載荷、空間條件下有較大優(yōu)勢(shì),并且只有一次本振,避免了二次本振之間的互調(diào)。但是也存在以下缺點(diǎn):

1)為了將鏡像頻率盡量遠(yuǎn)離工作頻帶以達(dá)到濾波器可抑制的范圍,中頻頻率高于二次混頻的中頻,帶來信噪比的惡化,但是仍能滿足系統(tǒng)使用要求。

2)一次變頻窗口的本振將會(huì)有一段落入或靠近射頻信號(hào)帶內(nèi),選擇合適的混頻窗口沒有低次交調(diào)落入射頻帶內(nèi),對(duì)于下變頻電路就不會(huì)產(chǎn)生影響,而在上變頻電路中本振將會(huì)直接落入信號(hào)帶內(nèi),影響發(fā)射信號(hào)的輸出頻譜。但是由于本系統(tǒng)工作在L波段,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,發(fā)射頻率由DDS直接產(chǎn)生,不需要上變頻電路,在發(fā)射期間將下變頻的本振信號(hào)關(guān)掉,可以解決這一問題。

所以對(duì)于有限載荷空間平臺(tái)下的L波段多通道接收系統(tǒng),采用一次混頻方式無疑是更優(yōu)的選擇。

1.2 電路板設(shè)計(jì)

1.2.1 高溫共燒陶瓷

基于高溫共燒陶瓷(HTCC)技術(shù)的多層基板是實(shí)現(xiàn)電路小型化、輕量化、高可靠的有效手段[3]。受平臺(tái)有限載荷空間的限制,下變頻電路采用基于HTCC的微波多芯片模塊(MMCM)的方式來實(shí)現(xiàn)。

氧化鋁高溫共燒陶瓷技術(shù)是一種較成熟的封裝技術(shù),是由92%～96%氧化鋁外加4%～8%的燒結(jié)助劑在1 500～1 700℃下燒結(jié)而成。該基板技術(shù)成熟,介質(zhì)材料成本低,熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度較高[4]。并且由于其燒結(jié)溫度高,可以與可伐等金屬材料進(jìn)行一體化燒結(jié),大大節(jié)約了布線空間。HTCC一體化管殼作為HTCC基板的衍生產(chǎn)品,已廣泛應(yīng)用于軍品微電路封裝[5]。

1.2.2 可靠性和可制造性

在使用陶瓷基板以及Ga As芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要特別注意各個(gè)材料之間的熱匹配,防止因熱失配而造成陶瓷或者GaAs的開裂現(xiàn)象。下變頻電路內(nèi)部各種材料的熱膨脹系數(shù)如表1所示。

表1 材料熱膨脹系數(shù)

由表1可見,下變頻電路中各材料之間的熱膨脹系數(shù)十分相近,可以減小芯片與基板、基板與管殼間的熱應(yīng)力,從而提高下變頻電路的可靠性。

由于下變頻管殼采用金屬殼體與陶瓷基板一體化燒結(jié),在裝配過程中僅須進(jìn)行貼片鍵合等工藝流程,簡(jiǎn)化了工藝裝配步驟,大大提高了電路的可制造性,適應(yīng)相控陣?yán)走_(dá)批量生產(chǎn)的需求。

但是當(dāng)一體化管殼焊接在印刷電路板或微波介質(zhì)板上使用時(shí),因?yàn)樘沾膳c印刷電路板或微波介質(zhì)板的熱膨脹系數(shù)差異較大,易因應(yīng)力導(dǎo)致管殼瓷體裂紋失效。需要采用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行建模分析。通過優(yōu)化管殼結(jié)構(gòu),特別是引腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高管殼在工藝過程、環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)力沖擊的耐受力,以及優(yōu)化瓷體材料,提高瓷體本身的強(qiáng)度[6]等方式進(jìn)行優(yōu)化。最終仿真結(jié)果如圖2所示,關(guān)鍵部位的應(yīng)力在安全范圍內(nèi),可滿足二級(jí)安裝的可靠性要求。

圖2 下變頻電路二級(jí)安裝后在溫循中的應(yīng)力模擬示意圖

1.3 端口仿真

由于采用HTCC與可伐合金殼體一體化燒結(jié),射頻端口由殼體引腳輸入到HTCC基板的Bottom層,再垂直過渡到Top層布線,形成“微帶線-傳輸通孔-微帶線”的三維垂直互連傳輸模型。另外,陶瓷基板內(nèi)部也須進(jìn)行多層布線,垂直過渡的通孔參與射頻信號(hào)傳輸。需對(duì)端口的過渡傳輸線進(jìn)行微波仿真,以保證電路的射頻性能。

利用Ansoft公司的高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)陶瓷板上的“微帶-VIA”垂直過渡進(jìn)行建模并改進(jìn)[7],優(yōu)化出最佳的信號(hào)傳輸方式,將結(jié)果代入布板軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)布板。

圖3和圖4分別為三維仿真模型以及仿真出的駐波和插損結(jié)果。

圖3 三維仿真模型

圖4 駐波和插損仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出,管腳垂直過渡設(shè)計(jì)在下變頻工作的頻段指標(biāo)可以滿足使用要求。

1.4 電路布局

1.4.1 電路布局分析

下變頻電路的裸芯片部分封裝在金屬陶瓷一體化管殼中,濾波器等封裝器件只能安裝在微組裝電路以外,需要將濾波器前后電路在管殼中斷開從引腳上過渡出來。同時(shí),下變頻電路內(nèi)部有限的空間里需要傳輸射頻、本振和中頻等多種微波信號(hào),以及電源和收發(fā)時(shí)序等低頻信號(hào),因此,必須對(duì)陶瓷多層電路布板中的高密度布線進(jìn)行優(yōu)化,合理分配內(nèi)部布局。主要措施如下:

1)不同頻率的射頻信號(hào)之間、濾波前后的信號(hào)之間均要拉開距離,并用地隔開,防止信號(hào)之間各自串?dāng)_;射頻信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開布局,之間盡量用地隔離;

2)放大鏈路進(jìn)行直線布局,相鄰放大鏈路之間進(jìn)行隔離,防止形成環(huán)路引起電路振蕩;

3)由于本系統(tǒng)是收發(fā)一體化的綜合電路,為防止發(fā)射工作時(shí)收發(fā)環(huán)路增益過高造成電路振蕩,對(duì)下變頻電路的中頻放大器的電源進(jìn)行調(diào)制,發(fā)射期間關(guān)斷接收的放大器電源。

依據(jù)以上措施對(duì)電路進(jìn)行合理布局,下變頻電路的引腳分布如圖5所示。

1.4.2 信號(hào)完整性分析

下變頻電路中的信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為兩類:一類是單條傳輸線的信號(hào)完整性問題,即在信號(hào)傳輸路徑上由于拐角、過孔、參考平面不連續(xù)造成阻抗突變而引起的反射與失真;另一類是相鄰傳輸線之間的信號(hào)串?dāng)_問題[8]。

圖5 下變頻電路引腳分布

依據(jù)圖5的接口定義,布板時(shí)本振信號(hào)與中頻信號(hào)不可避免地會(huì)產(chǎn)生交叉走線。由于中頻信號(hào)頻率相對(duì)較低,因此交叉的中頻信號(hào)采用垂直互聯(lián)的方式從中間層布線。從使用最少圖層實(shí)現(xiàn)微波高密度互聯(lián)的原則出發(fā),該版圖用四層介質(zhì)、五層布線來實(shí)現(xiàn),圖層分配方案如表2所示。

表2 下變頻電路圖層分布

另外,本振信號(hào)幅度較大,與中頻信號(hào)交叉走線后,需要考慮二者之間的串?dāng)_。

對(duì)中頻信號(hào)垂直過渡建模進(jìn)行仿真,在中頻工作頻段,端口的回波損耗小于-25 d B,本振信號(hào)和中頻信號(hào)的隔離度大于75 dB,滿足電路使用要求。垂直過渡和隔離度的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 信號(hào)完整性仿真結(jié)果

1.5 電路制作

通過以上理論分析和仿真結(jié)果,采用陶瓷基板與金屬外殼一體化燒結(jié)工藝制作成一體化管殼,通過微組裝裝配于高集成的封裝內(nèi)。下變頻電路的最終外形如圖7所示。

圖7 下變頻電路最終外形

2 電路測(cè)試

2.1 測(cè)試夾具設(shè)計(jì)

針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)批量生產(chǎn)的需求,對(duì)下變頻電路的指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)潔、方便、可靠的測(cè)試夾具,才可以將測(cè)試過程中夾具引起的誤差減到最小,并最大限度提高測(cè)試效率。

測(cè)試夾具由限位底座、壓腿絕緣襯墊、鎖緊螺栓和彈簧等組成[9]。外形如圖8所示。

圖8 測(cè)試夾具外形

夾具的面板上安裝了4個(gè)撥動(dòng)開關(guān),分別控制電源輸入和三級(jí)放大器供電的電源,電路工作不正常時(shí)可以通過開關(guān)各級(jí)放大器電源來定位故障。整個(gè)夾具采用可視化測(cè)試窗口設(shè)計(jì),測(cè)試時(shí)能夠完整看到被測(cè)件內(nèi)部情況。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該一次混頻方式的下變頻電路測(cè)試系統(tǒng)由以下儀表組成:信號(hào)源兩臺(tái),提供射頻和本振信號(hào);程控電源和脈沖發(fā)生器各一臺(tái),提供工作所需的電源和控制信號(hào);頻譜儀一臺(tái),用于測(cè)試電路指標(biāo);計(jì)算機(jī)一臺(tái),用于給儀表發(fā)指令以及記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖9所示。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)組成

2.3 測(cè)試結(jié)果

該測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)下變頻電路的增益、帶內(nèi)起伏、本振泄露等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表。增益和帶內(nèi)起伏測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 增益和帶內(nèi)起伏測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

基于HTCC技術(shù)設(shè)計(jì)下變頻電路,選取合適的變頻方案,對(duì)陶瓷基板垂直轉(zhuǎn)換進(jìn)行仿真,并合理布局內(nèi)部電路,實(shí)現(xiàn)了電路的小型化,并且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)要求,電路的可靠性和可制造性也得到大幅度提高,可以廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)的多通道接收系統(tǒng)中。

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