基于HTCC的小型化下變頻電路設計?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

超外差式接收機是將射頻信號下變頻到中頻后進行解調的一種電路形式,因此,下變頻是超外差式接收機的核心電路之一。接收機的下變頻鏈路主要是從自由空間接收下來的信號中選出有用信號,在放大并混頻之后送到下端的調制解調器解調出需要的信息,最終實現將射頻信號變為基帶信號[1]。

與大多數機械掃描雷達相比,相控陣雷達接收系統的一個主要特點是:它是一個多通道的接收系統,即整個接收系統中有多個接收通道[2]。隨著相控陣雷達技術推廣應用到機載、球載和星載等平臺上,為了在平臺日漸有限的載荷、空間、功耗條件下實現高集成、小型化、低功耗的多通道下變頻電路,設計中應大量應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)的方式來實現下變頻電路的設計方法。采用該技術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 電路設計

1.1 電路結構

下變頻電路的功能是將經限幅低噪放放大濾波后的回波信號頻率搬移到適合A/D處理的中頻頻率并進行濾波放大。對L波段的回波信號進行變頻,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點:

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之間的低次交調分量不會落入中頻信號帶寬之內,只是會有少量一、二本振之間的互調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,信噪比指標會惡化,因此較低的二中頻頻率可以提高系統的信噪比,能有效增加動態范圍。

缺點是設備量增加。對于下變頻電路本身來說,需要大量混頻放大和濾波器件,對于整個系統來說,需要一、二本振以及各自的功分網絡。

采用一次混頻方式最大的優點是節約設備量,簡化系統復雜度,在平臺有限的載荷、空間條件下有較大優勢,并且只有一次本振,避免了二次本振之間的互調。但是也存在以下缺點:

1)為了將鏡像頻率盡量遠離工作頻帶以達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,但是仍能滿足系統使用要求。

2)一次變頻窗口的本振將會有一段落入或靠近射頻信號帶內,選擇合適的混頻窗口沒有低次交調落入射頻帶內,對于下變頻電路就不會產生影響,而在上變頻電路中本振將會直接落入信號帶內,影響發射信號的輸出頻譜。但是由于本系統工作在L波段,優化系統設計方案,發射頻率由DDS直接產生,不需要上變頻電路,在發射期間將下變頻的本振信號關掉,可以解決這一問題。

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

1.2 電路板設計

1.2.1 高溫共燒陶瓷

基于高溫共燒陶瓷(HTCC)技術的多層基板是實現電路小型化、輕量化、高可靠的有效手段[3]。受平臺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)的方式來實現。

氧化鋁高溫共燒陶瓷技術是一種較成熟的封裝技術,是由92%～96%氧化鋁外加4%～8%的燒結助劑在1 500～1 700℃下燒結而成。該基板技術成熟,介質材料成本低,熱導率和抗彎強度較高[4]。并且由于其燒結溫度高,可以與可伐等金屬材料進行一體化燒結,大大節約了布線空間。HTCC一體化管殼作為HTCC基板的衍生產品,已廣泛應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芯片進行設計時,需要特別注意各個材料之間的熱匹配,防止因熱失配而造成陶瓷或者GaAs的開裂現象。下變頻電路內部各種材料的熱膨脹系數如表1所示。

表1 材料熱膨脹系數

由表1可見,下變頻電路中各材料之間的熱膨脹系數十分相近,可以減小芯片與基板、基板與管殼間的熱應力,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,在裝配過程中僅須進行貼片鍵合等工藝流程,簡化了工藝裝配步驟,大大提高了電路的可制造性,適應相控陣雷達批量生產的需求。

但是當一體化管殼焊接在印刷電路板或微波介質板上使用時,因為陶瓷與印刷電路板或微波介質板的熱膨脹系數差異較大,易因應力導致管殼瓷體裂紋失效。需要采用ANSYS有限元軟件對其進行建模分析。通過優化管殼結構,特別是引腳的結構設計,提高管殼在工藝過程、環境試驗中對應力沖擊的耐受力,以及優化瓷體材料,提高瓷體本身的強度[6]等方式進行優化。最終仿真結果如圖2所示,關鍵部位的應力在安全范圍內,可滿足二級安裝的可靠性要求。

圖2 下變頻電路二級安裝后在溫循中的應力模擬示意圖

1.3 端口仿真

由于采用HTCC與可伐合金殼體一體化燒結,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,陶瓷基板內部也須進行多層布線,垂直過渡的通孔參與射頻信號傳輸。需對端口的過渡傳輸線進行微波仿真,以保證電路的射頻性能。

利用Ansoft公司的高頻電磁場仿真軟件HFSS對陶瓷板上的“微帶-VIA”垂直過渡進行建模并改進[7],優化出最佳的信號傳輸方式,將結果代入布板軟件中進行設計布板。

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果。

圖3 三維仿真模型

圖4 駐波和插損仿真結果

從仿真結果可以看出,管腳垂直過渡設計在下變頻工作的頻段指標可以滿足使用要求。

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,下變頻電路內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,以及電源和收發時序等低頻信號,因此,必須對陶瓷多層電路布板中的高密度布線進行優化,合理分配內部布局。主要措施如下:

1)不同頻率的射頻信號之間、濾波前后的信號之間均要拉開距離,并用地隔開,防止信號之間各自串擾;射頻信號與數字信號分開布局,之間盡量用地隔離;

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

3)由于本系統是收發一體化的綜合電路,為防止發射工作時收發環路增益過高造成電路振蕩,對下變頻電路的中頻放大器的電源進行調制,發射期間關斷接收的放大器電源。

依據以上措施對電路進行合理布局,下變頻電路的引腳分布如圖5所示。

1.4.2 信號完整性分析

下變頻電路中的信號完整性問題主要表現為兩類:一類是單條傳輸線的信號完整性問題,即在信號傳輸路徑上由于拐角、過孔、參考平面不連續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串擾問題[8]。

圖5 下變頻電路引腳分布

依據圖5的接口定義,布板時本振信號與中頻信號不可避免地會產生交叉走線。由于中頻信號頻率相對較低,因此交叉的中頻信號采用垂直互聯的方式從中間層布線。從使用最少圖層實現微波高密度互聯的原則出發,該版圖用四層介質、五層布線來實現,圖層分配方案如表2所示。

表2 下變頻電路圖層分布

另外,本振信號幅度較大,與中頻信號交叉走線后,需要考慮二者之間的串擾。

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

圖6 信號完整性仿真結果

1.5 電路制作

通過以上理論分析和仿真結果,采用陶瓷基板與金屬外殼一體化燒結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。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 電路測試

2.1 測試夾具設計

針對相控陣雷達批量生產的需求,對下變頻電路的指標進行自動測試。設計一款簡潔、方便、可靠的測試夾具,才可以將測試過程中夾具引起的誤差減到最小,并最大限度提高測試效率。

測試夾具由限位底座、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 測試夾具外形

夾具的面板上安裝了4個撥動開關,分別控制電源輸入和三級放大器供電的電源,電路工作不正常時可以通過開關各級放大器電源來定位故障。整個夾具采用可視化測試窗口設計,測試時能夠完整看到被測件內部情況。

2.2 測試系統設計

該一次混頻方式的下變頻電路測試系統由以下儀表組成:信號源兩臺,提供射頻和本振信號;程控電源和脈沖發生器各一臺,提供工作所需的電源和控制信號;頻譜儀一臺,用于測試電路指標;計算機一臺,用于給儀表發指令以及記錄測試數據。測試系統組成如圖9所示。

圖9 測試系統組成

2.3 測試結果

該測試系統可以對下變頻電路的增益、帶內起伏、本振泄露等指標進行測試,由計算機自動生成測試報表。增益和帶內起伏測試結果如圖10所示。

圖10 增益和帶內起伏測試結果

3 結束語

基于HTCC技術設計下變頻電路,選取合適的變頻方案,對陶瓷基板垂直轉換進行仿真,并合理布局內部電路,實現了電路的小型化,并且各項指標均滿足系統要求,電路的可靠性和可制造性也得到大幅度提高,可以廣泛應用于相控陣雷達的多通道接收系統中。

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