一種寬帶幅相一致變頻組件的設計與實現

王　勇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

?

一種寬帶幅相一致變頻組件的設計與實現

王勇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

摘要：介紹了一種寬帶幅相一致變頻組件的設計思路并給出測試結果。該組件在6～18 GHz工作頻帶內，幅度一致性≤±2.5 dB，相位一致性≤±25°，噪聲系數≤7 dB。該變頻組件采用了微波多芯片組件(MMCM)工藝，具有小型化、模塊化、通用化的特點。

關鍵詞：寬帶；幅相一致；微波多芯片組件

0引言

隨著電子戰技術的不斷進步，對寬帶微波前端變頻系統的指標要求越來越高，體積小、重量輕及可靠性高已成為對微波前端變頻系統的通用要求。

在目前的船用雷達偵察設備中，已開始采用相位干涉儀測向法來代替傳統的多波束比幅測向法。在相位干涉儀測向系統中利用天線及微波前端變頻系統所接收的雷達信號之間的相位差來進行測向，相位差的準確與否對整個測向系統的測向精度影響顯著。因此，實現不同測向單元中天線及微波前端變頻系統的相位一致成了相位干涉儀測向系統的關鍵所在。

本文借助單片微波集成電路(MMIC)及微波多芯片組件(MMCM)集成技術等新器件和新工藝，實現了一種應用于相位干涉儀測向系統的6～18 GHz幅相一致變頻組件。

1組件概述

6～18 GHz幅相一致變頻組件由頻率預選電路、變頻電路和中頻放大電路三部分組成(見圖1)，具體包含限幅器、開關、放大器、濾波器及混頻器等多種類型的集成電路芯片。

2組件的設計考慮

2.1組件的小型化及電磁兼容性設計考慮

6～18 GHz幅相一致變頻組件的小型化設計是本組件實現過程中的主要難點之一。為了實現這個目標，組件充分利用了MMCM微組裝工藝帶來的優勢，盡可能多地使用未封裝的MMIC芯片來實現微波信號的傳輸和處理。組件采用環氧導電膠粘接法將MMIC芯片與組件盒體可靠地粘接。同時采用金絲鍵合的方法實現MMIC芯片與MMIC芯片、片式電容和微帶線間的信號互連。在芯片焊盤尺寸允許的情況下，應盡量同時鍵合2根或3根金絲，以提高微波性能和鍵合的可靠性[1]。

圖1　6～18 GHz幅相一致變頻組件組成框圖

組件的數字控制信號及電源信號復雜，所以組件內容易出現由電源及數字控制信號線引入的低頻干擾信號。為了消除低頻干擾隱患，電源及數字控制信號線需合理布局，同時需在電源及數字信號控制線上加低頻和高頻旁路去耦電容。共用電源及數字控制信號的不同微波器件之間，其偏置電路需串接電磁兼容濾波器或者射頻扼流線圈，避免信號在不同微波器件之間串擾，引入低頻干擾信號[2]。

2.2組件的電性能指標設計考慮

6～18 GHz幅相一致變頻組件的關鍵指標為幅度一致性、相位一致性、噪聲系數和雜散指標。

2.2.1組件的幅度和相位一致性指標

組件的幅度和相位一致性指標一方面取決于所選元器件的幅度和相位一致性指標，另一方面取決于組件裝配過程的一致性。以高頻電路為例，MMIC芯片的幅度和相位一致性較好。下面將以相位一致性為例說明MMIC芯片裝配過程，尤其是金絲鍵合一致性的重要性。

若傳輸頻率為18 GHz的信號，根據公式(1)可知其波長為16.7 mm：

(1)

式中:λ為信號波長(單位：mm)；c為光速(3×108m/s)；f為信號頻率(單位：Hz)。

圖2為高頻電路中金絲鍵合的示意圖。在裝配過程中，每處金絲鍵合點均會引入一定的鍵合誤差。以手動鍵合機WB7476E為例，在鍵合跨距為0.2 mm的情況下，其鍵合金絲的跨度、拱高及精度數據記錄[3]見表1。

圖2　高頻電路中金絲鍵合的示意圖

金絲編號跨度拱高金絲編號跨度拱高金絲編號跨度拱高10.3440.073110.341-210.354-20.351-120.359-220.3630.06130.3320.095130.344-230.354-40.3560.078140.341-240.335-50.3590.036150.346-250.350-60.300-160.346-260.335-70.323-170.326-270.326-80.3570.040180.331-280.3380.03890.3490.089190.366-290.3450.051100.3480.054200.351-300.342-跨度精度試驗中所需鍵合跨度約為0.335mm,實際鍵合跨度最大值為0.366mm,最小值為0.300mm,誤差最大值為0.066mm。拱高精度金絲鍵合的拱高不易控制,最大值為0.095mm,最小值為0.036mm,誤差最大值為0.059mm。

從表1可知，手動金絲鍵合的跨度誤差大致分布在0.03～0.066 mm，每100處金絲鍵合累積的鍵合誤差可達3～6.6mm，即產生64.67°～142.28°相位誤差(18 GHz處)。為了改善和補償金絲鍵合過程中引入的相位誤差，在本組件的設計過程中做了如下工作：

(1) 在組件內部所有金絲鍵合處標記金絲鍵合點，盡量將金絲鍵合跨度誤差降低，如圖3所示。

圖3　金絲鍵合標記點示意圖

(2) 在組件調試過程中，針對已產生的金絲鍵合跨度累積誤差，采用電長度補償法，將相位誤差降低到合理范圍內。電長度補償采用貼裝U型傳輸線的方式，如圖4所示。

圖4　電長度補償U型線示意圖

2.2.2噪聲系數和雜散指標

組件的噪聲系數指標和雜散指標需要進行協同設計。當組件的總增益確定以后，需要對信號鏈路的增益進行合理分配。增益分配首先要考慮組件的噪聲系數，一般來說，變頻電路前的放大增益要高，以減少變頻電路和中頻放大電路的噪聲對組件噪聲系數的影響。但是，若變頻前增益過高，則會影響組件的雜散指標。

根據公式(2)可計算組件的噪聲系數。若設計合理，組件的噪聲系數主要是由第1級放大器的噪聲系數及第1級放大器前的無源電路決定，即：

(2)

綜合考慮，組件在輸入信號動態范圍內，盡量保證進入變頻電路的最大功率小于-10 dBm，這樣可以同時實現較優的噪聲系數和較低的雜散信號功率。

3微波組件的實現與測試結果

6～18 GHz微波變頻組件實物外形如圖5所示。

圖5　6～18 GHz幅相一致變頻組件實物外形圖

經測試，微波組件實現的主要技術指標如表2所示。

表2　微波組件主要技術指標列表

6～18 GHz幅相一致變頻組件具有小型化、模塊化和通用化的特點，適合小型化整機的安裝要求。

參考文獻

[1]嚴偉,符鵬,洪偉.LTCC微波多芯片組件中鍵合互連的微波特性[J].微波學報,2003,19(3):30-34.

[2]廖原,馮恩信.小型化高增益微波發射組件電磁兼容設計[J].火控雷達技術，2011，40(2)：57-60.

[3]李孝軒.微波多芯片組件微組裝關鍵技術及其應用研究[D].南京:南京理工大學,2009.

Design and Realization of A Wideband Amplitude-phase Consistent Frequency Conversion Subassembly

WANG Yong

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces the design thought of a wideband amplitude-phase consistent frequency conversion subassembly and gives the measurement result.For the subassembly,the amplitude consistency is less than ±2.5 dB,the phase consistency is less than ±25° and the noise coefficient is less than 7 dB in the frequency range of 6～18 GHz.Microwave multi-chip module (MMCM) technology is used in the subassembly,and the frequency conversion assembly has many advantages such as miniaturization,modularization and generalization.

Key words:wideband;amplitude-phase consistency;microwave multi-chip module

收稿日期:2010-0-0

中圖分類號：TN61

文獻標識碼：B

文章編號：CN32-1413(2016)02-0071-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.018