一種Ka頻段瓦片式接收組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈世旺,韓　威,劉巍巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0　引言

不同頻段T/R 組件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，成為制約雷達(dá)性能的關(guān)鍵核心部件[1-2]。近幾年，衛(wèi)星通信、航天測控等系統(tǒng)對(duì)有源相控陣天線的需求也越來越強(qiáng)烈[3]，特別是小型化多通道T/R組件，成為國內(nèi)各研究所、高校研究的熱點(diǎn)[4-6]。隨著微組裝高密度集成工藝技術(shù)發(fā)展，集成度更高的瓦片式T/R 組件成為目前廣泛研究對(duì)象。相比磚塊式、刀片式等傳統(tǒng)形態(tài)，瓦片式具有體積更小、重量更輕、集成度更高的特點(diǎn)，但工藝制造難度更大。瓦片式組件與磚塊式相比體積能夠降低70%以上，一般采用微波高頻印制板、LTCC或HTCC基板結(jié)合多層堆疊技術(shù)方案，利用毛紐扣、微凸點(diǎn)、柔性結(jié)構(gòu)、微型連接器等方式實(shí)現(xiàn)三維高密度封裝[7]。文獻(xiàn)[8]利用多功能微波集成電路芯片技術(shù)、多芯片組裝技術(shù)提高集成度，研制了X～Ku頻段，尺寸為41.8 mm×8 mm×8.2 mm、重量小于13 g的四通道瓦片式T/R組件，常溫發(fā)射通道功率為27 dBm，接收通道增益28 dB，噪聲系數(shù)小于4 dB。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于小截面脊波導(dǎo)的Ka 頻段瓦片式TR 組件集成方案，并對(duì)小截面脊波導(dǎo)傳輸特性、脊波導(dǎo)/微帶過渡和分配網(wǎng)絡(luò)等無源電路開展了研究。文獻(xiàn)[10]對(duì)下一代機(jī)載和空間相控陣系統(tǒng)T/R組件技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，總結(jié)了相關(guān)的半導(dǎo)體芯片技術(shù)、厚膜多層陶瓷基板工藝技術(shù)及三維高密度布線技術(shù)的優(yōu)勢。以X頻段相控陣為例，給出了設(shè)計(jì)方案。

本文利用LTCC基板技術(shù)、球柵陣列BGA(Ball Grid Array)三維高密度集成技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種適用于衛(wèi)星通信、航天測控等領(lǐng)域的Ka頻段四通道小型化瓦片式接收組件。

1　方案設(shè)計(jì)

相控陣組件設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于組件x、y方向(假定天線接收為z方向)尺寸受限，必須考慮通過增加z方向高度來緩解XY平面的設(shè)計(jì)難度。

組件的通道間距與天線系統(tǒng)掃描角度相關(guān)，通道間距必須滿足式(1)要求。

(1)

式中，θ為天線陣列的最大掃描角，λ表示天線陣列在真空中波長。

若天線陣列系統(tǒng)掃描角度要求大于60°，則接收組件通道之間的間距必須小于0.54λ。對(duì)于最高頻率為21 GHz的接收組件，單通道的XY平面可用面積小于7.7 mm×7.7 mm。表1為Ka頻段接收組件常用有源芯片、無源元件及互聯(lián)結(jié)構(gòu)尺寸大小匯總。

表1Ka頻段常用芯片及互聯(lián)結(jié)構(gòu)尺寸大小匯總

名稱尺寸/mm主要功能低噪聲放大2．5×1．0接收信號(hào)低噪聲放大濾波器[11]基板內(nèi)部集成抑制發(fā)射通路噪聲多功能芯片3．6×3．0數(shù)控衰減、數(shù)控移相固定衰減器0．6×0．6改善通道駐波芯片電容0．38×0．38耦合、隔直、電源去耦合路網(wǎng)絡(luò)基板內(nèi)部集成多通道射頻信號(hào)的合路毛紐扣互聯(lián)2．0(直徑)射頻信號(hào)連接BGA互聯(lián)1．0～3．0(直徑)射頻信號(hào)連接

從表中數(shù)據(jù)可以看出，若采用平面平鋪布局結(jié)構(gòu)，無法在7.7 mm×7.7 mm的有效面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部電路芯片、互聯(lián)結(jié)構(gòu)的集成，因此必須采用磚塊式縱向集成橫向組裝或橫向集成縱向組裝的瓦片式方案。

磚塊式結(jié)構(gòu)，元器件垂直于相控陣天線陣面縱向排列，各通道間通過金屬腔體結(jié)構(gòu)分割布局，電路結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)，但縱向尺寸大，與天線陣列、合成網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)集成困難，一般通過小型連接器來實(shí)現(xiàn)，主要通過二維封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

瓦片式組件采用分層結(jié)構(gòu)，將各通道相同功能元器件集成在平行于天線陣面方向的平面上，通過垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各功能層的電性能互聯(lián)、互通。瓦片式優(yōu)點(diǎn)是組裝密度高、縱向高度大幅降低、重量輕，可與天線陣列、合成網(wǎng)絡(luò)等一體化設(shè)計(jì)集成。難點(diǎn)是層間互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及通道間耦合控制，電路設(shè)計(jì)難度大。

基于系統(tǒng)對(duì)小型化的要求及現(xiàn)有工藝制造能力，接收組件采用多層LTCC微波基板互聯(lián)的瓦片式集成方案。

接收組件主要由低噪聲放大芯片、濾波器、數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、4路合路網(wǎng)絡(luò)、芯片電容及固定衰減器等元器件構(gòu)成，各類元器件合計(jì)34只。瓦片式接收組件結(jié)構(gòu)，按功能分為天線陣列層、低噪聲放大層、多功能幅相控制層及合成網(wǎng)絡(luò)等四層，方案中不包含天線陣列層設(shè)計(jì)，圖1為接收組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局示意圖。

圖1　瓦片式接收組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局示意圖

天線接收衛(wèi)星下行信號(hào)后，經(jīng)低噪聲放大，濾除帶外干擾、鏡像噪聲及發(fā)射帶內(nèi)過高噪聲后，進(jìn)入衰減、移相芯片實(shí)現(xiàn)幅相控制，4路信號(hào)經(jīng)合路網(wǎng)絡(luò)合成后輸出。

系統(tǒng)要求組件工作頻率為19.2～21.0 GHz，通道增益大于20 dB，噪聲系數(shù)小于2.2 dB。

低噪聲放大芯片選用成熟MMIC GaAs芯片，單片噪聲小于1.7 dB，數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器采用集成6位數(shù)控衰減、6位數(shù)控移相多功能芯片，濾波器采用分布帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4通道合路網(wǎng)絡(luò)采用多層帶狀線Wilkinson結(jié)構(gòu)，濾波器與合路網(wǎng)絡(luò)均集成在LTCC基板內(nèi)部。

式(2)為m級(jí)元器件級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)計(jì)算公式[12]：

(2)

式中，Nf為組件通道總噪聲，Nfm分別為第m級(jí)元器件的噪聲系數(shù)，Gm-1為第m-1級(jí)元器件增益。

表2為接收組件鏈路噪聲系數(shù)、增益的理論計(jì)算結(jié)果，通道總增益為22.0 dB，通道總噪聲系數(shù)1.96 dB，通道設(shè)計(jì)方案滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

表2接收組件鏈路指標(biāo)計(jì)算

鏈路組成增益/dB噪聲/dB總增益/dB總噪聲/dB饋線-0．20．2-0．20．20低噪124．01．723．81．90濾波器-1．81．822．01．91衰減器1-3．03．019．01．92低噪224．01．743．01．94多功能-11．011．032．01．94衰減器2-3．03．029．01．94合成網(wǎng)絡(luò)-7．07．022．01．96

2　三維垂直互聯(lián)

三維堆疊集成技術(shù)是在XY平面二維封裝面積受限的情況下，向Z方向發(fā)展的組裝技術(shù)。

將不同層基板電路上下疊層裝配，主要利用上一層基板底面與下一層基板正面形成垂直互連結(jié)構(gòu)。多基板的三維層間垂直互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)瓦片式小型化組件的核心技術(shù)，常用的微波垂直互聯(lián)方案主要有：

① 毛紐扣。毛紐扣是由彈性鍍金金屬絲構(gòu)成的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基板間的彈性互聯(lián)，且無需焊接，方便拆卸檢修。缺點(diǎn)是因尺寸較小，承重不大，存在振動(dòng)易斷裂的問題，且未與基板間焊接固定，使用時(shí)應(yīng)考慮長期可靠性問題。

② 球柵陣列BGA。選用一定直徑的焊球作為上、下基板互連導(dǎo)體，體積小、密度高，適合高頻三維封裝[13-15]，由于Ka頻段使用的BGA球直徑較小，一般在幾百μm量級(jí)，從而對(duì)基板的對(duì)位精度提出了更高的要求，增加了工藝難度。

③ 微凸點(diǎn)。微凸點(diǎn)是在基板上通過半導(dǎo)體工藝制作微型焊料凸點(diǎn)，制作技術(shù)有：印制焊料凸點(diǎn)技術(shù)、激光植球技術(shù)、釘頭凸點(diǎn)技術(shù)和凸點(diǎn)移植技術(shù)等。微凸點(diǎn)高度、直徑均在數(shù)十μm量級(jí)，工藝實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，適用于更高工作頻率。

國內(nèi)外不少文獻(xiàn)對(duì)垂直互聯(lián)問題開展了研究，表3為部分文獻(xiàn)中垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)情況匯總。

表3垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)匯總

資料結(jié)構(gòu)形式頻率/GHz插損/dB回波/dB文獻(xiàn)[5]球柵陣列8．4～14≤0．2≤-17文獻(xiàn)[16]球柵陣列28．4～30．4≤0．36≤-15文獻(xiàn)[17]毛紐扣DC～16≤1．25≤-15文獻(xiàn)[18]SMPDC-18≤0．3≤-23文獻(xiàn)[19]基片集成脊波導(dǎo)28～36≤0．45≤-12文獻(xiàn)[20]錫球SMP9．5～10．5≤0．35≤-15

根據(jù)電路需求，考慮工藝實(shí)現(xiàn)難度，選用球柵陣列BGA“類同軸”結(jié)構(gòu)作為最終垂直互聯(lián)方案。依據(jù)同軸傳輸線特性阻抗計(jì)算公式，對(duì)類同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

(3)

式中，εr為同軸介質(zhì)的介電常數(shù)，D為同軸結(jié)構(gòu)外徑，d為同軸結(jié)構(gòu)信號(hào)孔內(nèi)徑。

LTCC基板開孔為機(jī)械沖孔，開孔大小與機(jī)械沖頭相關(guān)。考慮到基板加工過程的收縮率，將信號(hào)開孔半徑設(shè)為85.5 μm，經(jīng)式(3)計(jì)算可知對(duì)于阻抗為50 Ω同軸結(jié)構(gòu)的外部半徑為647 μm。

為了保證性能，必須對(duì)傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償性設(shè)計(jì)，采用馬蹄形“類同軸”結(jié)構(gòu)，即在信號(hào)BGA球周圍接地平面增加BGA球，形成近似連續(xù)同軸傳輸線結(jié)構(gòu)。根據(jù)信號(hào)和接地的BGA球數(shù)量，分別對(duì)馬蹄形“類同軸”結(jié)構(gòu)建模，圖2中(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)映單球、3球、5球、9球BGA球互聯(lián)模型。

圖2　BGA球互聯(lián)模型

圖2中各模型表面?zhèn)鬏斁€均采用帶馬蹄型接地的微帶線結(jié)構(gòu)，總長度為10 mm，基板厚度為0.5 mm，材料為Ferro A6M，通過BGA結(jié)構(gòu)進(jìn)行互聯(lián)，仿真結(jié)果如圖3所示。從結(jié)果可以看出，單球結(jié)構(gòu)的插入損耗和帶內(nèi)損耗波動(dòng)最大，工作帶內(nèi)損耗大于0.7 dB，不能滿足傳輸性能要求。3球、5球、9球結(jié)構(gòu)的插入損耗要遠(yuǎn)小于單球結(jié)構(gòu)，3球的仿真結(jié)果略大，5球與9球結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果接近。9球互聯(lián)結(jié)構(gòu)插入損耗最小，帶內(nèi)最大損耗小于0.21 dB，回波損耗小于-20 dB。

根據(jù)仿真結(jié)果，考慮加工制造及后期封裝裝配的難度，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案最終采用5球BGA互聯(lián)結(jié)構(gòu)，BGA球直徑為300 μm，三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)尺寸最大直徑為1.5 mm。

加工“類同軸”BGA球互聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)物后進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示?；ヂ?lián)結(jié)構(gòu)在工作帶內(nèi)最大損耗小于0.3 dB，與仿真結(jié)果基本一致，滿足接收組件毫米波信號(hào)傳輸要求。

圖3　“類同軸”BGA球互聯(lián)仿真及實(shí)測結(jié)果

3　合成網(wǎng)絡(luò)及通道隔離設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)磚塊式及刀片式接收組件的合成網(wǎng)絡(luò)多采用獨(dú)立模塊，通過小型接插件的方式與射頻通道進(jìn)行互聯(lián)。

為了降低瓦片式接收組件的z向高度，合成網(wǎng)絡(luò)采用與通道一體化設(shè)計(jì)方案，同樣采用多層LTCC基板實(shí)現(xiàn)，減小結(jié)構(gòu)裝配難度，同時(shí)顯著降低組件高度。

集成在基板內(nèi)部的四通道Wilkinson合成網(wǎng)絡(luò)，采用6層LTCC基板實(shí)現(xiàn)帶狀線結(jié)構(gòu)，隔離電阻使用厚膜RuO2漿料制備，埋置于多層LTCC基板內(nèi)部，通過工藝控制，阻值精度達(dá)到15%以內(nèi)。

為了降低各輸入輸出端口間耦合串?dāng)_，合成網(wǎng)絡(luò)采用地平面包圍結(jié)構(gòu)來優(yōu)化性能，圖4(a)為合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)構(gòu)模型，地平面通過接地過孔實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

使用Ansys HFSS進(jìn)行全波電磁場建模，各端口回波損耗及傳輸損耗的仿真結(jié)果如圖4(b)和圖4(c)所示。從仿真結(jié)果可以看出，4合1合成網(wǎng)絡(luò)各通道輸出幅度一致性優(yōu)于0.1 dB，插入損耗低于6.3 dB，回波損耗低于-20 dB。

為了優(yōu)化接收組件各通道內(nèi)部電磁屏蔽性能，在功能劃分上采用低噪聲放大器、幅相控制單元獨(dú)立分層，并利用內(nèi)部隔腔的方式降低通道間耦合串?dāng)_。圖5給出了2×2瓦片式接收組件通道間隔離仿真結(jié)果。

通過將有源芯片放置在獨(dú)立的屏蔽腔內(nèi)，并利用柵格地進(jìn)行隔離實(shí)現(xiàn)了通道間的高隔離，在工作頻帶內(nèi)隔離度高于40 dB。

圖4　合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型及仿真結(jié)果

圖5　接收組件通道隔離度仿真結(jié)果

4　測試結(jié)果

采用LTCC工藝技術(shù)，制造了53層四通道接收組件基板。通過設(shè)置合理的溫度梯度，完成了芯片、基板的焊接，采用BGA球結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了層間互聯(lián)。

四通道接收組件集成封裝產(chǎn)品實(shí)物及內(nèi)部基板照片如圖6(a)和(b)所示。圖6(c)給出了組件的增益測試結(jié)果，帶內(nèi)增益大于20.7 dB。帶內(nèi)增益波動(dòng)小于1.0 dB，功耗小于0.5 W，噪聲系數(shù)小于2.1 dB，滿足系統(tǒng)性能要求。

圖6　接收組件實(shí)物及增益測試結(jié)果

接收組件尺寸為14.2 mm×14.2 mm×4.5 mm，重量小于3 g，與同等性能指標(biāo)的刀片式結(jié)構(gòu)組件相比，體積減少50%、重量減少70%以上。

5　結(jié)束語

根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種Ka頻段瓦片式接收組件，采用LTCC基板制造工藝及BGA球三維封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Ka頻段接收組件；應(yīng)用補(bǔ)償“類同軸”垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了垂直互聯(lián)性能；合理增加屏蔽腔體，實(shí)現(xiàn)了通道的高隔離設(shè)計(jì)。接收組件技術(shù)方案先進(jìn)、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、航天測控等領(lǐng)域，同時(shí)也為下一步研究4×4及更大規(guī)模瓦片式相控陣T/R組件提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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