戈江娜

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所 第16專業(yè)部，河北 石家莊 050001)

基于LTCC基板的X波段四通道T/R組件的設(shè)計(jì)

戈江娜

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所 第16專業(yè)部，河北 石家莊 050001)

摘要介紹了一種X波段四通道T/R組件的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。針對組件工作頻率高、工作頻段寬、通道數(shù)多、功能復(fù)雜、裸芯片多、重量要求嚴(yán)格等難點(diǎn)，組件采用低溫共燒陶瓷設(shè)計(jì)、MCM設(shè)計(jì)、新型硅鋁盒體材料設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，成功研制出了低噪聲、輕質(zhì)量、功能齊全的小型化四通道T/R組件，該組件工作帶寬在X波段達(dá)到2 GHz，發(fā)射功率達(dá)到+41 dBm，發(fā)射效率達(dá)到32%，接收噪聲系數(shù)達(dá)到2.5～2.8 dB，移相精度達(dá)到20(RMS)，整體重量為96 g。組件已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞LTCC；MCM；硅鋁材料；芯片自動(dòng)粘結(jié)；自動(dòng)鍵合

T/R組件是先進(jìn)的有源相控雷達(dá)陣的關(guān)鍵部件[1]，長期以來諸多國家均從事相控雷達(dá)陣的研究，并不斷加大投入力度。近幾年，隨著微波電路芯片集成化的發(fā)展和微組裝工藝技術(shù)的提高，T/R組件在成本降低的同時(shí)，體積和重量也在不斷減小，且實(shí)現(xiàn)了多通道T/R組件的一體化設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)了一種X波段四通道T/R組件，采用LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)基板多層高密度布線技術(shù)[2-5]、多芯片(MCM)技術(shù)[6]、新型硅鋁盒體技術(shù)將4個(gè)單獨(dú)的T/R組件、一分四功分網(wǎng)絡(luò)及電源控制電路集成在一個(gè)盒體內(nèi)部。四通道組一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了部分器件共用，在降低組件成本的同時(shí)，使組件結(jié)構(gòu)更為緊湊；同時(shí)對外接口線的數(shù)量相對于單通道T/R組件來講，減少1/2，更方便相控雷達(dá)陣的搭建。該組件工藝設(shè)計(jì)上依托自動(dòng)化裝配，采用了芯片自動(dòng)粘結(jié)、自動(dòng)鍵合等先進(jìn)裝配方法，適合批量生產(chǎn)。

1T/R組件電路設(shè)計(jì)

1.1工作原理

X波段四通道T/R組件由一分四功分器、4個(gè)接收通道(R)和發(fā)射通道(T)[7]、邏輯控制電路和電源處理電路組成。各個(gè)通道分別單獨(dú)控制，可一個(gè)通道工作，也可任意幾個(gè)通道同時(shí)工作。每個(gè)通道由發(fā)射和接收共用的6位數(shù)控移相器和6位數(shù)控衰減器、推動(dòng)級(jí)放大器、高功率放大器、雙結(jié)環(huán)行器、限幅器、低噪聲放大器、脈沖調(diào)制器、波控碼串并轉(zhuǎn)換器、輸出驅(qū)動(dòng)電路等組成。發(fā)射期間完成發(fā)射信號(hào)的高功率放大，接收期間完成接收信號(hào)的低噪聲放大，在T/R信號(hào)控制下完成收發(fā)轉(zhuǎn)換。1∶4功分器在發(fā)射期間將饋電網(wǎng)絡(luò)輸入的微波信號(hào)功分成8路，分別送入4路T/R組件；接收期間將4路T/R組件輸出的接收信號(hào)合成為1路送入饋電網(wǎng)絡(luò)。

波控碼串并轉(zhuǎn)換器將波束控制單元輸入的串行控制碼轉(zhuǎn)換成并行碼存入寄存器，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后輸出控制T/R組件的發(fā)射數(shù)控移相器、接收數(shù)控移相器、發(fā)射數(shù)控衰減器、接收數(shù)控衰減器、收發(fā)開關(guān)狀態(tài)；有發(fā)射和接收兩套控制碼，在T/R信號(hào)控制下完成。

電源處理電路將DC/DC電源輸入的二次電源進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，脈沖調(diào)制器在T/R信號(hào)控制下完成發(fā)射通道和接收通道電源的脈沖調(diào)制。

圖1　組件原理框圖

1.2LTCC基板設(shè)計(jì)

1.2.1LTCC基板構(gòu)造

LTCC多層低溫共燒陶瓷基板技術(shù)采用微波傳輸線、邏輯控制線和電源線的混合信號(hào)設(shè)計(jì)，通過仿真和合理布局，將其組合在同一個(gè)LTCC三維微波傳輸結(jié)構(gòu)中，采用帶狀線和中間接地屏蔽層，改善T/R組件中各個(gè)通道之間、發(fā)射支路和接收支路的微波隔離度，并可將分離的電阻、電容和電感等無源器件埋置在基板內(nèi)部。因此，基于LTCC基板技術(shù)研制的微波電路具有高集成度、多種電路功能、高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢[8-9]。圖2為12層LTCC基板的基本構(gòu)造圖[10-11]。

圖2　LTCC基板基本構(gòu)造圖

1.2.2LTCC基版微波電路設(shè)計(jì)

從圖2可看出，LTCC電路中的微波傳輸線由微帶線和帶狀線組成，微帶線和帶狀線之間通過疊層信號(hào)通孔實(shí)現(xiàn)微波垂直互連；在本組件設(shè)計(jì)中，微波傳輸線只有微帶線一種，巧妙地避開了帶狀線的使用，從而使微波傳輸?shù)牟贿B續(xù)性降到最低。

微帶線的特性阻抗Zo與基板相對介電常數(shù)εr、板厚h、微帶線寬W、導(dǎo)帶厚度T(可忽略)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[12]為

當(dāng)W/h<1時(shí)

(1)

(2)

(3)

其中,Zf是自由空間的波阻抗，εeff是有效介電常數(shù)。當(dāng)W/h>1時(shí)

(4)

(5)

通過以上公式的計(jì)算可得到所需微帶線的初始尺寸，再運(yùn)用軟件進(jìn)行三維電磁場仿真[13]，最終得到微帶線的精確尺寸。

LTCC微帶線位于多層板的表層，靠中間地層與微波地相連，接地質(zhì)量的好壞直接影響到微波性能[14]，因此中間接地層與微波地的連接方法和接地質(zhì)量對微帶線的插入損耗和端口駐波影響很大。為使中間接地層達(dá)到良好的接地效果，在設(shè)計(jì)中采用直徑φ為0.3 mm，間距S為1.5 mm的接地通孔來實(shí)現(xiàn)中間地層與大地之間的連接，通孔內(nèi)填充的是銀漿料。同時(shí)為了提高LTCC微帶線彼此之間的隔離度，微帶線兩邊設(shè)計(jì)上隔離地孔，使微波信號(hào)在類似共面波導(dǎo)中傳輸。圖3為三維電磁場仿真軟件HFSS下的微帶傳輸模型，LTCC基板材料為Ferror-A6，相對介電常數(shù)εr為5.9，損耗角正切為0.002，微帶層厚度為0.3 mm(3層生坯片的厚度)，中間地層到大地的厚度H2為0.8 mm；接地通孔直徑φ為0.3 mm，間距S為1.5 mm。圖4為仿真結(jié)果，相應(yīng)的50 Ω微帶線寬度W1為0.48 mm；在X波段2 GHz帶寬內(nèi)，單獨(dú)微帶線的回波損耗>30 dB，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖3　LTCC微帶傳輸模型

圖4　LTCC微帶傳輸仿真結(jié)果

1.2.3LTCC基板設(shè)計(jì)結(jié)果

本組件中的LTCC基板采用Ferro A6陶瓷材料，介電常數(shù)5.9±0.2，總層數(shù)為12層，厚度為1.1 mm，Toplayer層用于布置微波帶線和元器件，包括1 000 μF的儲(chǔ)能電容、控制芯片和微波芯片等；Mid1～Mid2層設(shè)計(jì)為空白瓷片，目的是提供0.3 mm的微帶層厚度；Mid3設(shè)計(jì)為地(GND)；Mid4～Mid6層主要用于布置各種數(shù)據(jù)控制線；為使數(shù)據(jù)控制線和電源線之間有良好的隔離，Mid7層再次設(shè)計(jì)為地(GND)；Mid8～Mid10層設(shè)計(jì)為電源電壓的布線，對于給發(fā)射通道供電的+8.5 V電壓，還要采用多層復(fù)用的方式，以盡可能的減少傳輸線上產(chǎn)生的壓降，提高+8.5 V的使用效率；Bottom layer層設(shè)計(jì)為大地(GND)。

圖5　部分LTCC基板照片

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LTCC基板的熱膨脹系數(shù)CTE為7×10-6/K，若采用傳統(tǒng)的硬鋁合金LY12(熱膨脹系數(shù)CTE為：23.6×10-6/K)，為實(shí)現(xiàn)良好的熱匹配，LTCC基板和硬鋁合金盒體之間還要加一層可伐材料的絲網(wǎng)進(jìn)行熱過渡，使工藝復(fù)雜化。為解決這一問題，文中在盒體材料的選擇上進(jìn)行了多方面研究，最終確定采用新型材料Al-Si合金作為盒體加工材料。

用Al-Si合金作為盒體材料的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)熱膨脹系數(shù)為11×10-6/K，接近于LTCC基板，因此LTCC基板可直接燒結(jié)在盒體上，無需過渡載體，簡化了裝配工藝；(2)較低的密度，Al-Si合金密度為2.4 g/cm3。比傳統(tǒng)的硬鋁合金LY12(密度為2.7 g/cm3)還要輕。同樣盒體，Al-Si合金盒體比硬鋁合金LY12盒體約輕10%；(3)高熱導(dǎo)率，Al-Si合金的熱導(dǎo)率為180 W/mK，可起到良好的散熱效果。

本文采用熱分析軟件仿真，建立組件的熱仿真模型分析T/R組件的穩(wěn)態(tài)溫度分布和散熱狀況，主要熱源包括：4個(gè)輸出功率為41.5 dBm的功率單片，功率單片采用金錫焊料燒結(jié)在盒體內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)熱的良好接觸，功率單片熱阻為3 ℃/W；單個(gè)功率單片的熱功耗(占空比30%)計(jì)算公式如下

單個(gè)功率單片熱功耗=

(工作電壓×工作電流-輸出功率)× 30%=

(8.5×4.5-14.12)×30%=6.474

(6)

仿真結(jié)果如圖6所示，可見在工作溫度為+45 ℃時(shí)，功率單片襯底的最高溫度為57.8 ℃，功率單片結(jié)溫計(jì)算公式為

功率單片結(jié)溫 =

功率單片襯底溫度+功率單片熱阻×功率單片熱功耗=

57.8+3×6.474=77.22

(7)

圖6　45℃時(shí)溫度分布

從仿真結(jié)果可以看出，在工作溫度為45 ℃時(shí)，功率單片的最高結(jié)溫為77.22 ℃，在砷化鎵GaAs材料安全工作結(jié)溫范圍之內(nèi)(安全工作結(jié)溫150 ℃)。

1.4工藝路線設(shè)計(jì)―自動(dòng)化工藝裝配設(shè)計(jì)

組件中使用的元器件有硅Si芯片、砷化鎵GaAs芯片，而且還有一定量的貼裝元件，因此，設(shè)計(jì)合理的工藝路線[15]，成為裝配成功與否的關(guān)鍵。通過優(yōu)化工藝流程，將AuSn共晶焊料釬焊、鉛錫焊料燒結(jié)、環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠粘接3種工藝固定方式有機(jī)的結(jié)合起來，形成了一套科學(xué)合理的工藝裝配流程。在組件密封設(shè)計(jì)上，將氣密封的微波連接器和低頻連接器采用燒焊工藝一次性燒焊在盒體上，盒體采用激光封焊技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)組件的氣密封設(shè)計(jì)。

本組件總通道數(shù)超過10 000個(gè)通道，如此多的數(shù)量，單純依靠人工裝配已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需求，因此為提高生產(chǎn)效率，必須最大限度地依靠高科技的自動(dòng)裝配設(shè)備：自動(dòng)點(diǎn)膠貼片機(jī)、自動(dòng)鍵合機(jī)。

為滿足自動(dòng)裝配的要求，首先在基板選擇上，選用鍵合界面和粘結(jié)界面均良好的LTCC基板，并對基板的平整度和劃片尺寸的一致性提出了嚴(yán)格的要求：基板平整度在50 μm以內(nèi)，劃片尺寸一致性在200 μm以內(nèi)；其次在版圖設(shè)計(jì)上，按照自動(dòng)點(diǎn)膠貼片、自動(dòng)鍵合的工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，如粘接芯片的圖形大于芯片尺寸，保證芯片四周均留有≥150 μm的溢膠區(qū)域，焊盤與周邊不能短路的圖形最小間距150 μm等。

通過以上設(shè)計(jì)，目前組件的自動(dòng)化率已到達(dá)40%，自動(dòng)點(diǎn)膠、貼片涉及到的芯片有GaAs芯片、鋁芯片、芯片電容等；自動(dòng)鍵合有自動(dòng)球焊、自動(dòng)楔焊兩種，可實(shí)現(xiàn)LTCC基板之間、GaAs芯片與LTCC基板、鋁管芯與LTCC基版之間的自動(dòng)鍵合。

組件裝配引入自動(dòng)化設(shè)備，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，組件裝配的一致性有了大幅提高，降低了人工操作帶來的不確定性。

圖7　自動(dòng)設(shè)備貼的芯片

圖8　自動(dòng)鍵合的金絲

2研制結(jié)果

通過采取以上先進(jìn)技術(shù)，文中成功研制出了X波段四通道T/R組件。組件工作帶寬2 GHz；發(fā)射功率≥41 dBm，發(fā)射效率高達(dá)到32%；6位數(shù)控移相，6位數(shù)控衰減，移相精度(RMS)≤2;衰減精度≤0.8 dB(RMS)；接收增益平坦度在1.0 dB以內(nèi)，噪聲系數(shù)在2.5～2.8 dB之間，體積為80 mm×75 mm×8 mm，總重量為96 g，較好地滿足了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對T/R組件小型化、輕量化的要求。目前該組件已批量生產(chǎn)，實(shí)物如圖9所示。

圖9　產(chǎn)品照片

3研制分析

采用LTCC基板技術(shù)設(shè)計(jì)的T/R組件，可集成電感、電阻等無源元件，走線密度高，微波性能好。LTCC基板熱膨脹系數(shù)與硅Si芯片、砷化鎵GaAs芯片熱膨脹系數(shù)相近，芯片可直接粘結(jié)在基板表面；LTCC基板表面采用金漿厚膜工藝，鍵合強(qiáng)度高。通過合理的布局和工藝設(shè)計(jì)，組件的裝配自動(dòng)化程度較高，可生產(chǎn)性好。Al-Si合金盒體解決了LTCC基板應(yīng)用中，熱漲系數(shù)不匹配，需要增加絲網(wǎng)過渡層的工藝難題。

LTCC基板技術(shù)和Al-Si合金盒體相結(jié)合，是一條比較好的高密度組裝微波組件的工藝路線。隨著基板加工數(shù)量的增加，LTCC基板成本會(huì)逐步降低，因此可在微波高密度組裝領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]胡明春,周志鵬,嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[2]吳禮群,孫再吉.T/R組件核心技術(shù)最新發(fā)展綜述[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2012(1):29-33.

4結(jié)束語

嵌入式多?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用VXI總線設(shè)計(jì)，VXI總線系統(tǒng)的在VME總線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)傳感器和換能器進(jìn)行同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對控制指令脈沖的自適應(yīng)波束形成，本文設(shè)計(jì)VXI總線數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用在嵌入式多模智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳感器模塊，提高系統(tǒng)的可靠性和兼容性。進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)嵌入式多?？刂葡到y(tǒng)的VXI總線數(shù)據(jù)采集和陣列信號(hào)處理，通過對控制系統(tǒng)輸入信息的波束掃描和參量估計(jì)，提高控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能全面，性能良好。

[1]程艷合,楊文革.壓縮域直擴(kuò)測控通信信號(hào)偽碼跟蹤方法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(8):2028-2032.

[2]余曉東,雷英杰,岳韶華,等.基于粒子群優(yōu)化的直覺模糊核聚類算法研究[J].通信學(xué)報(bào),2015(5):99-105.

[3]趙輝,方高峰,王琴.基于優(yōu)化LT碼的深空數(shù)據(jù)傳輸策略[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2015,35(4): 925-928,949.

[4]索中英,程嗣怡,袁修久,等.優(yōu)勢決策信息系統(tǒng)規(guī)則獲取方法及應(yīng)用[J].兵工學(xué)報(bào),2015,26(3):539-544.

[5]黃文卿,張興春,張幽彤. 一種交流逆變器死區(qū)效應(yīng)半周期補(bǔ)償方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,18(5):24-29.

[6]衣曉蕾, 彭思龍,欒世超.基于算子和局部正交約束的信號(hào)自適應(yīng)分解方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(11):2613-2620.

[7]Peng S L,Huang W L.Null space pursuit: An operator-based approach to adaptive signal separation[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(5):2475-2483.

[8]蔣俊正,程小磊,歐陽繕.雙原型離散傅里葉變換調(diào)制濾波器組的快速設(shè)計(jì)方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(11):2628-2633.

[9]Kumar A, Pooja R,Singh G K. Design and performance of closed form method for cosine modulated filter bank using different windows functions[J].International Journal of Speech Technology,2014,17(4):427-441.

[10]Rajapaksha N, Madanayake A, Bruton L T.2D space-time wave-digital multi fan filter banks for signals consistingof multiple plane waves[J]. Multidimensional Systems and Signal Processing,2014,25(1):17-39.

The Design of X-band 4-channel T/R Module Based on LTCC Substrate

GE Jiangna

(Sixteenth Professional Department，The 13thResearch Institute of CETC Group Corporation, Shijiazhuang 050001, China)

AbstractThis paper introduces the design idea and the implement method of a kind of X-band four-channel T/R module.Such advanced technologies as LTCC, MCM and new silicon aluminum material design are adopted in the module, in view of some difficulties such as higher working frequency, broader bandwidth, complex function, more channels, more bare chips, strict weight demand and so on.The miniaturized four-channel T/R module is developed successfully with low noise figure, light weight, and complete functions. The operation bandwidth can be up to 2 GHz, the transmitting power can reach up to 41 dBm,the transmitting efficiency is as high as 32%, the noise figure is 2.5～2.8 dB, the phase shift precision (RMS value) is 2°, and the whole weigh is only 96 g. The module has been in the stage of mass production.

KeywordsLTCC; MCM; silicon-aluminum material; chip automatic attaching; automatic bonding

收稿日期:2016-02-19

作者簡介:戈江娜(1974-)，女，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：T/R組件的研發(fā)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.027

中圖分類號(hào)TN402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)06-092-05