米多斌 厲志強(qiáng) 李靜強(qiáng)

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

高集成C波段小型化收發(fā)電路的研制

米多斌 厲志強(qiáng) 李靜強(qiáng)

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

本文基于GaAs多功能MMIC高集成度的優(yōu)勢，采用多層LTCC工藝技術(shù)研制了一種小型化C波段收發(fā)電路。討論了系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了各單元電路的參數(shù)化模型。在此基礎(chǔ)上采用局部電磁場優(yōu)化仿真和全局電路系統(tǒng)仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，對收發(fā)電路的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析。該電路性能優(yōu)良，接收增益大于32dB，噪聲系數(shù)小于1.4dB，駐波小于1.5，發(fā)射功率大于39dBm，電路模塊尺寸為30mm×30mm×8mm，且內(nèi)部集成了收發(fā)電源調(diào)制電路、幅相及收發(fā)控制電路、電源保護(hù)電路等，集成度提高的同時(shí)，其體積大幅度減小。

收發(fā)電路；小型化；高密度集成；MMIC；LTCC；微組裝技術(shù)

0. 引言

近年來，隨著微波單片集成電路（MMIC）和多芯片組裝（MCM）技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，T/R收發(fā)電路的發(fā)展趨于小型化、輕量化、高集成。國內(nèi)已陸續(xù)研制出了一系列高性能的MMIC器件，MCM工藝技術(shù)也逐步發(fā)展成熟。因此，基于MMIC器件及MCM工藝技術(shù)的復(fù)雜電路及系統(tǒng)研究成為電路設(shè)計(jì)的重要課題。系統(tǒng)級封裝（SIP）利用微組裝和三維互聯(lián)技術(shù)，可將各種GaAs電路、CMOS電路等有源集成電路以及電容、電阻、濾波器等各類無源器件集成到一起，實(shí)現(xiàn)功能復(fù)雜電路的小型化。

低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級封裝的一種較為理想的高密度組裝技術(shù)，材料介電常數(shù)適中，信號傳輸線采用Au、Ag等良導(dǎo)體，具有損耗小，微波性能好等優(yōu)點(diǎn)。它采用多層層疊技術(shù)可對微波傳輸線、邏輯控制線及電源線進(jìn)行混合布線設(shè)計(jì)，并且可將電容、電阻等無源元件集成在多層微波電路基板中，最大限度地減小電路的體積、重量和元器件數(shù)量，提高系統(tǒng)性能和可靠性，降低成本。同時(shí)，基于LTCC的多芯片系統(tǒng)可以采用氣密封的金屬封裝，滿足苛刻環(huán)境條件下使用。因此，基于LTCC工藝技術(shù)研制的微波電路具有高密度集成、多種電路功能和高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢。

本文介紹的C波段小型化收發(fā)電路，在采用LTCC及多芯片組裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用自主研制的GaAs幅相一體多功能MMIC，進(jìn)一步減小了電路的體積。

1. 收發(fā)電路的原理及組成

T/R收發(fā)電路作為射頻收發(fā)系統(tǒng)前端，在整個(gè)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。一般是由一接收支路和一發(fā)射支路組成，原理框圖如圖1所示。天線接收到的微弱射頻信號進(jìn)入其接收通道，經(jīng)過放大，以一定的幅度及相位輸出，進(jìn)入后級處理。系統(tǒng)對接收前端的基本要求是：較低的噪聲系數(shù)，一定的小信號增益，足夠的抗電磁脈沖能力，足夠的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍等；經(jīng)過前級處理的發(fā)射信號進(jìn)入電路發(fā)射通道，經(jīng)過信號放大，以足夠大的功率及相應(yīng)的相位輸出至天線，由天線輻射到整個(gè)空間。系統(tǒng)對發(fā)射前端的基本要求是：較高的發(fā)射功率，穩(wěn)定的幅頻特性，足夠的帶寬等。

針對目前收發(fā)電路小型化和高集成的要求，對常規(guī)的采用混合集成電路的技術(shù)方案和先進(jìn)的LTCC與MMIC相結(jié)合的技術(shù)方案進(jìn)行對比，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1　兩種技術(shù)方案對比分析

由此可見，LTCC技術(shù)與MMIC相結(jié)合的技術(shù)方案更有利于收發(fā)電路的小型化，且有利于提高可靠性及適于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，采用該技術(shù)方案進(jìn)行收發(fā)電路的設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步提高收發(fā)電路的集成度，采用自主研制的GaAsE/D多功能芯片，將其射頻通道主要功能芯片由通常的8片式結(jié)構(gòu)縮減至3片，如圖2所示。該多功能芯片上集成了T/R開關(guān)、數(shù)控移相器、衰減器、兩級放大器及驅(qū)動(dòng)器。其中，數(shù)控移相器、衰減器、兩級放大器為收發(fā)共用，由3個(gè)單刀雙擲開關(guān)完成收發(fā)通道的切換。

2. 收發(fā)電路的設(shè)計(jì)

2.1 TR電路及器件建模分析

電路仿真首先需要提取各個(gè)元器件的參數(shù)化模型。在TR電路模型中，主要分為三大類模型，包括無源元件模型、低噪放電路模型、功放電路模型。無源元件又包含微波開關(guān)、幅度均衡器、衰減器、移相器、濾波器等元件。其中無源元件模型參數(shù)主要包括插入損耗、端口駐波及隔離度等，這些參數(shù)均可用小信號S參數(shù)表征；而放大器模型參數(shù)主要包括線性增益、噪聲系數(shù)、端口駐波、1dB壓縮輸出功率或飽和輸出功率、效率、諧波及三階交調(diào)等，除了小信號S參數(shù)外，還需要用大信號X參數(shù)來表征。

2.2 功放負(fù)載牽引仿真設(shè)計(jì)

常規(guī)的微波電路系統(tǒng)中，所有連接微波器件的信號端口均匹配到50Ω，但是對于功率放大器，為了得到最大輸出功率，其主要工作在飽和區(qū)，進(jìn)入非線性區(qū)后S參數(shù)會隨著輸入信號的增大而不斷變化。這使得阻抗匹配變得較為困難。所以，需要利用負(fù)載牽引（Load-Pull）原理找出功率放大器獲得最大輸出功率時(shí)對應(yīng)的負(fù)載阻抗ZL，再根據(jù)該負(fù)載阻抗ZL設(shè)計(jì)外部的匹配網(wǎng)絡(luò)，使阻抗過渡到50Ω信號端口。

針對該收發(fā)電路的功率及效率需求，建立功率放大器的負(fù)載牽引模型，如圖3所示。經(jīng)過仿真，選取固定的幾個(gè)頻率點(diǎn)，在史密斯圓圖（Smith chart）上，對于某個(gè)給定的輸入功率值，得出不同負(fù)載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線和等附加效率曲線，圖4給出了功率放大器在f0頻點(diǎn)時(shí)的等輸出功率曲線及等功率附加效率曲線?？梢钥闯?，最大輸出功率Pout=39.12dBm對應(yīng)的負(fù)載阻抗值ZL1=58.764+j*9.585，而最高功率附加效率η=38.66%對應(yīng)的負(fù)載阻抗值ZL2=30.289+j*4.902，二者偏離甚遠(yuǎn)。因此，需要在各頻點(diǎn)的最大輸出功率和最高功率附加效率對應(yīng)的負(fù)載阻抗之間進(jìn)行折中考慮，得到最佳外部負(fù)載阻抗。

2.3 局部電路的電磁場仿真分析

在整個(gè)收發(fā)電路中，除上述有源和無源電路模型外，還需要對其微波不連續(xù)及較為敏感的局部區(qū)域進(jìn)行三維電磁場仿真分析及優(yōu)化，如鍵合引線過渡區(qū)域、微帶到同軸轉(zhuǎn)換、帶狀線、輸入/輸出阻抗匹配等，仿真模型如圖5所示。

根據(jù)電磁場優(yōu)化仿真結(jié)果的S參數(shù)，建立局部電路的參數(shù)化模型，將其與MMIC芯片等元器件的參數(shù)化模型一起代入系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，從而對整個(gè)電路做出更準(zhǔn)確的評估。

3. LTCC基板設(shè)計(jì)和電路制作

該小型化收發(fā)電路采用10層LTCC基板，基板材料為Frrro A6M，介電常數(shù)5.9，損耗角正切0.002。布線采用的工藝最小線寬、線間距均為100μm，孔直徑150μm，電阻漿料方塊電阻選擇10Ω/□、100Ω/□和1kΩ/□3種，控制精度基板內(nèi)部為±20%，表面為±5%。LTCC底部要求整板焊接，通孔填充材料為導(dǎo)電金漿，以保證電導(dǎo)率和可靠性?；逶O(shè)計(jì)遵循電磁兼容的原則，對電源層和信號層分層設(shè)計(jì)，層間由網(wǎng)格地進(jìn)行電磁屏蔽。此外，還對LTCC基板進(jìn)行了減小應(yīng)力的圓弧角設(shè)計(jì)和防止焊接“析金”的阻焊設(shè)計(jì)。

收發(fā)電路內(nèi)部采取微組裝工藝進(jìn)行裝配，封裝外殼使用適合激光密封的新型材料硅鋁CE11，其線熱膨脹系數(shù)與LTCC基板相匹配，功放芯片共晶燒結(jié)在高導(dǎo)熱率的鉬銅載體上，并直接釬焊在封裝外殼上，一方面提高了功放芯片的散熱效率，另一方面便于拆卸返修。其余MMIC芯片、控制及調(diào)制CMOS芯片采用導(dǎo)電膠粘接工藝裝配于LTCC基板或封裝外殼上。圖6為C波段小型化收發(fā)電路實(shí)物照片，體積為30mm×30mm×8mm。

4. 測試結(jié)果及討論

對微組裝完成的收發(fā)電路進(jìn)行了測試，并將測試結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對比分析。圖7（a）、（b）、（c）分別給出了接收通道小信號增益、噪聲系數(shù)、發(fā)射通道飽和輸出功率的對比結(jié)果。由圖7（a）可以看出，接收通道增益在應(yīng)用頻帶內(nèi)大于32dB，且測試與仿真結(jié)果吻合較好，最大誤差0.6dB；同樣由圖7（b）可見，噪聲系數(shù)在應(yīng)用頻帶內(nèi)小于1.4dB，最大誤差小于0.2dB。這主要是由于LTCC工藝誤差及裝配工藝誤差所致。

在規(guī)定的脈沖周期和占空比條件下，對發(fā)射通道進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7（c）所示。發(fā)射通道飽和輸出功率在應(yīng)用頻帶內(nèi)大于39dBm，且個(gè)別頻點(diǎn)的測試值大于仿真結(jié)果，最大誤差約0.2dB。這主要是由于在負(fù)載牽引仿真時(shí)，各頻點(diǎn)最大輸出功率匹配對應(yīng)的負(fù)載阻抗不同，而且要兼顧功率附加效率，導(dǎo)致個(gè)別頻點(diǎn)的輸出匹配稍差，而鍵合線的仿真和實(shí)際狀態(tài)也存在一定差異，最終導(dǎo)致誤差的形成。

此外，經(jīng)測試接收通道駐波小于1.5，功率附加效率大于33%，收發(fā)通道RMS移相誤差均小于2°，主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求，且和仿真結(jié)果吻合較好。隨著電路系統(tǒng)日趨復(fù)雜，元器件越來越多，這種局部電磁場優(yōu)化仿真和全局電路系統(tǒng)仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)繼續(xù)探索應(yīng)用。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作完成了基于GaAs多功能MMIC和LTCC的C波段小型化收發(fā)電路。首先采用小信號S參數(shù)和負(fù)載牽引法對各單元電路進(jìn)行建模，并對較為敏感的電路結(jié)構(gòu)建立三維電磁場模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對整個(gè)收發(fā)電路的增益、噪聲、駐波及功率等指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析。該收發(fā)電路采用多層LTCC工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并充分利用GaAs多功能芯片高集成度的優(yōu)勢，極大地減小了收發(fā)電路的體積，并提高了可靠性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該小型化收發(fā)電路具有良好的電性能指標(biāo)，且電路仿真與實(shí)測結(jié)果基本一致，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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