Ku頻段LTCC上變頻模塊設計

余承偉，馮 磊

Ku頻段LTCC上變頻模塊設計

余承偉，馮 磊

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

針對衛星通信系統小型化需求，介紹了一種基于LTCC技術的Ku頻段上變頻模塊設計。采用薄膜微組裝工藝，設計了小型化高性能多工器，利用低溫共燒陶瓷 （LTCC）技術，通過對LTCC微波信號過渡結構進行仿真和優化，以及帶傳輸零點的高抑制度X和Ku頻段LTCC濾波器的設計，使小型化的同時模塊的電性能指標得到保證。最終實現的Ku頻段LTCC上變頻模塊的體積為39.2 mm×33.1 mm×13 mm，約為原來的1/8，LTCC技術有效地實現了產品的小型化。

LTCC；小型化；薄膜；上變頻器；濾波器

引用格式：余承偉，馮 磊.Ku頻段LTCC上變頻模塊設計［J］.無線電工程，2016，46（5）：60-64.

0 引言

近年來電子裝備微型化，輕量化，高可靠性要求越來越強烈，小型化已經成為產品競爭力的一個重要體現。Ku頻段上變頻模塊實現將C頻段（2.5～3 GHz）上變頻至Ku頻段（14～14.5 GHz），并提供一定的增益和增益控制功能，是Ku頻段衛星通信系統中的主要設備之一。但目前Ku頻段上變頻模塊體積仍然偏大，成為制約衛星通信系統體積進一步縮小的一個重要因素。低溫共燒陶瓷（LTCC）技術［1-2］以多層布線三維立體結構為特點，在提高微波電路組裝和互連密度實現小型化方面具有非常顯著的優勢。本文利用LTCC技術，通過對濾波器進行多層設計以及引入傳輸零點、對高頻過渡采用改進的“馬蹄型”結構形式等優化設計手段，最終實現了高性能小型的Ku頻段上變頻模塊。

1 電路構成

Ku頻段LTCC上變頻模塊的電路構成如圖1所示。

圖1　Ku頻段LTCC上變頻模塊電路構成

為了縮小整體體積，將多工器與變頻模塊集成一體化設計，輸入端為C頻段和10 M參考信號合路輸入，經過一個小型的薄膜多工器分離出C頻段信號和10 M參考信號，10 M參考信號經過一個7階低通濾波器濾波后供給鎖相源。鎖相源輸出本振信號經過2個帶通濾波器對本振諧波進行抑制，和一個放大器將本振放大到混頻器所需要的功率，供給混頻器；C頻段信號經過模擬控制和數控衰減器實現對整個變頻模塊進行增益調整，然后經放大輸入給混頻實現上變頻，混頻器輸出的Ku頻段信號經過2次帶通濾波后放大，既保證了對混頻后的本振泄露有足夠的抑制，又使輸出信號有足夠的增益和功率。

2 電路設計

2.1 C頻段電路設計

C頻段電路主要包括薄膜多工器、模擬衰減器、數控衰減器和一個放大器。為了實現更小的體積，薄膜多工器采用芯片式感容替代傳統表貼式感容設計，通過金絲鍵合和導電膠粘結等微組裝工藝實現，其中芯片電感首次以石英基片為襯底，利用石英較低的介質損耗和良好的一致性，設計出的螺旋電感體積小且方便薄膜電路集成，由于傳輸線縮短，寄生參數減小，薄膜多工器較傳統多工器在小型化和性能上均有提升，如表1所示。

表1　傳統多工器與小型化多工器性能對比

模擬衰減控制選用HMC973LP3E，該款衰減器采用0～+5 V單電壓控制即可實現0～26 dB的衰減范圍，主要對變頻模塊在不同溫度環境下的增益變化進行補償。Hittite公司的 6位數控衰減器HMC425能夠實現0.5 dB步進、最大31.5 dB的衰減，滿足對變頻模塊及整機的增益在-55～85℃溫度范圍下進行高精度寬幅度的控制，且為裸片形式，易于在LTCC基板上集成，2款衰減器均通過ARM芯片實現CAN總線控制。

C頻段放大器選用NC1074C-0835低噪聲放大芯片，該芯片在0.8～3.5 GHz可提供27 dB增益，且靜態電流僅為55 mA，減輕了模塊的功耗壓力。

2.2 本振電路設計

本振電路主要由鎖相源PLS11500、2個中心頻率11.5 GHz的LTCC帶通濾波器及一個放大器組成，為了提高集成度，設計中本振電路與混頻電路分在基板兩面布局，因此需要完成11.5 GHz信號在兩面間過渡，具體通過微帶-帶狀-微帶線過渡形式實現。PLS11500為最新款的HTCC小型化鎖相源，內部集成VCO芯片、鑒相器芯片和環路濾波器等，采用HTCC工藝，將電路版圖與管殼一體化，輸出11.5 GHz相位噪聲可達：≤-68 dBc/Hz@100 Hz；≤-80 dBc/Hz@1kHz；≤-87dBc/Hz@10 kHz；≤-97 dBc/Hz@100 kHz。

2.2.1 微帶帶狀線過渡

在傳統電路設計中，受限于介質或工藝的不足，往往無法實現高頻信號在不同層間過渡，而LTCC技術就能很好地解決這一問題，本振電路中，為了實現本振11.5 GHz信號在不同層間的傳輸，首先需要解決微帶-帶狀線間低損耗的轉換。通常情況，可以用金屬通孔模擬同軸結構的方法來完成層間傳輸，為了補償頻率較高時通孔帶來的電感效應，需要在過渡處引入較大的金屬托盤進行容性補償，如圖2（a）所示。為了增強屏蔽，改善過渡效果，本文對同軸型進行改進，采用“馬蹄型”過渡結構代替傳統同軸型，通過延伸微帶地與帶狀線地上的屏蔽孔，加強屏蔽減少過渡結構與外部金屬層間的互擾，如圖2（b）所示。2種過渡結構過渡特性的仿真對比如圖3所示，從結果來看，“馬蹄型”結構的回波損耗要稍優于傳統同軸型，性能更優，滿足過渡要求，回波損耗起伏較大主要是由于器件焊盤過大而微帶線過寬導致阻抗不匹配。

圖2　微帶帶狀線過渡結構

圖3　2種過渡結構仿真對比

2.2.2 LTCC濾波器設計

傳統變頻模塊體積之所以很難做小，一方面是因為沒能采用體積更小或者功能更強的有源芯片，另一個重要方面就是傳統微帶或集總型的濾波器體積無法縮小，本設計中采用全新工藝的LTCC濾波器代替傳統微帶濾波器，大大縮小了濾波器的體積。

為了實現高抑制度的帶通濾波，除了要求濾波器具有良好的矩形系數［3］外，在抑制頻率抑制點引入傳輸零點也是非常有效的手段。

對于理論上的傳輸零點［4-5］是指傳輸函數等于零的頻率點，此時能量完全不能通過網絡而起到隔離作用，通常有2種方式能阻隔能量的傳輸：全反射和能量短路到其他支路（一般為地）。

一般情況下，隨著頻率的升高，集總元件的Q值不斷地降低，微波損耗逐漸增大，再加上頻率較高時集總LC不可避免地寄生耦合效應［6］，集總參數元件已經不適用高頻濾波器的設計。對于分布參數結構，帶狀線和短接線是構成濾波器諧振體2種比較常用的形式，在高頻段，這類結構與低頻段的集總結構相比更為緊湊，體積更小，且更易加工。為實現傳輸零點，可以將電感或者電容與分布參數的諧振體連接起來，如圖4所示，Zc為諧振體的特性阻抗，θ為電長度，Cp、Lp分別為為實現傳輸零點而引入的串聯電容和串聯電感。

圖4 分布型濾波器傳輸零點的引入

圖4（a）所示的阻抗為：

要實現傳輸零點則阻抗必須為零，則

式中，θp為諧振體在傳輸零點頻率處的電長度。同樣，圖4（b）所示的阻抗為：

要形成傳輸零點則阻抗必須為零，于是，

因此，對于分布參數的微波諧振體［7］，無論是引入串聯電容還是串聯電感都會在諧振頻率處產生傳輸零點。本振電路以及Ku頻段電路中的LTCC濾波器正是采用如圖5所示引入串聯電容的方式實現高抑制度的LTCC帶狀線諧振體濾波器。

圖5　帶狀線諧振體濾波器結構

對于微波頻段，一般把帶狀線作為無耗線來處理，當一段帶狀線處于磁導率為μ0，介電常數為ε的均勻介質中時，其單位長度上的分布電容［8］C1和分布電感L1分別為：

式中，w為帶狀線的導帶線寬；b為兩接地板間的距離。LTCC帶狀線諧振體濾波器實質就是埋置在介質內部的帶狀線構成諧振單元，再加上不同介質層上的金屬導帶之間形成的耦合電容而得到，通過設計不同長度和寬度的帶狀線，以及選擇合適的介質，得到不同的分布電容和分布電感，根據諧振頻率［9-10］ω=1/ LC，就能實現在某一中心頻率諧振，同時滿足帶內損耗、帶寬和阻帶等各項技術指標的帶通濾波器。

LTCC帶狀線諧振體濾波器的設計難點在于如何規劃濾波器的層數和不同層金屬導帶的樣式，以及利用LTCC技術的優勢將濾波器的體積盡可能做到更小。一般情況下，分布型濾波器是由1/4或者1/2波長諧振體［11］構成，單根微帶或者帶狀線很難把體積縮小，本文利用LTCC多層設計優勢，采用疊層的形式通過寬邊耦合，電流可等效為自上而下通過2層帶狀線，從而實現在不增加平面尺寸的情況下加長電長度［12］，有效地減小了濾波器體積。

本振電路中的11.5 GHz帶通濾波器采用四階LTCC帶狀線諧振體濾波器，選用的介質材料為介電常數為5.9的Ferro A6M，單層厚度為0.094 mm，損耗角正切為0.002，共分11層設計，內部金屬層采用銀材料，運用三維仿真軟件Ansys HFSS建立的模型和仿真結果分別如圖6所示，整體尺寸為3.1 mm×2 mm×1.1 mm。

圖6　11.5 GHz LTCC帶通濾波器三維模型及仿真結果

從仿真結果來看，11.5 GHz處仿真損耗小于1 dB，由于串聯電容的引入以及各級諧振體之間的電磁耦合效應，LTCC濾波器的上下邊帶均出現了傳輸零點，對8.5 GHz和17 GHz的抑制度均在50 dB以上，二級LTCC濾波器保證對本振輸出雜波有足夠的抑制。加工出來的濾波器實物與原來采用的微帶濾波器對比圖如圖7所示，濾波器體積小于原來的1/10。

圖7　11.5 GHz微帶濾波器與LTCC濾波器實物對比

2.2.3 本振放大器

本振電路的本振放大器選用 Hittite公司的MMIC芯片HMC441，該芯片在8～12.5 GHz提供16.5 dB增益，輸出1 dB壓縮點大于16 dBm，可為混頻器提供足夠的本振驅動電平。

2.3 Ku頻段電路設計

Ku頻段電路包括混頻器、2級放大器和2個14 GHz帶通濾波器，混頻器采用HMC553，HMC553 為Hittite公司的無源雙平衡MMIC混頻器，當本振功率為+13 dBm時，變頻損耗約為8 dB。為了盡量減少器件型號，放大器仍采用HMC441，保證給后級的功率放大器提供所需的驅動電平。

為了減小體積，14 GHz帶通濾波器仍采用上節的LTCC帶狀線諧振體濾波器形式，介質材料還是采用Ferro A6M，因為中心頻率的升高，需要對帶狀線型諧振體的尺寸和傳輸零點重新設計，最終HFSS三維模型和仿真結果如圖8所示。

圖8　14 GHz LTCC濾波器三維模型及仿真結果

從仿真結果看，采用LTCC帶狀線諧振體形式的14 GHz帶通濾波器對11.5 GHz本振信號有高達70 dB的抑制，在14～14.5 GHz帶寬內損耗為1 dB左右，平坦度小于1 dB，很好地滿足了性能要求。這里采用2級濾波，主要為了防止加工誤差造成濾波器零點偏移而導致濾波器抑制度降低，確保雜散指標。

3 模塊設計及測試

Ku頻段LTCC上變頻模塊選用的介質材料為Ferro A6M，共分11層設計，LTCC變頻模塊截面圖如圖9所示，微帶線占3層，為了提高集成度，器件分在上下兩表面布局，層間又分直流信號和控制信號走線，為了保證MMIC器件焊盤和表層微帶線在一個平面上，并且芯片地盡量與微帶地一致，避免地電流造成不穩定，這里采用介質基板上挖腔的處理方法。

圖9　LTCC變頻模塊截面圖

另外，為了保證基板平整，同時增強接地散熱效果，相鄰層間的鋪地設計采用交錯網格形式，如圖10所示，這樣防止金屬分布不均導致基板翹曲的同時，也增強了信號屏蔽效果［13］。

圖10　網格鋪地

Ku頻段LTCC上變頻模塊基板加工完成后，進行器件裝配，所有器件均采用導電膠粘結的方式安裝，MMIC器件與微帶間用金絲鍵合連接，最后將裝配完成的基板焊接在盒體上，裝配完成的模塊的尺寸為：39.2 mm×33.1 mm×13 mm，體積約為采用傳統工藝實現相同功能模塊的1/8。裝配完成后模塊測試結果如下：

增益調整：數控衰減31.5 dB，0.5 dB步進；

模擬衰減電壓逐毫伏可控，衰減幅度大于25 dB

測試結果表明，Ku頻段LTCC上變頻模塊不僅體積得到大大減小，而且各項性能指標均滿足使用要求。

4 結束語

本文在設計Ku頻段LTCC上變頻模塊過程中，一方面采用較小的裸芯片器件設計，減小寄生參數的同時大大提高集成度，另一方面采用LTCC多層設計技術，實現高抑制度超小型的LTCC帶通濾波器，解決濾波器體積過大的問題，通過優化過渡設計和屏蔽結構設計解決高頻信號在層間傳輸以及小型化所帶來的電磁屏蔽的難題，最終使模塊的小型化和高性能均得到保證。

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Design of a Ku-band Up-converter Based on LTCC Technology

YU Cheng-wei，FENG Lei
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In this paper，the design of a Ku-band up-converter based on LTCC technology is presented.By using thin-film micropackaging technology，the multiplexer as one of the sub-circuits becomes smaller and performs well.The microwave signal transition structure in the module is simulated and analyzed，meanwhile，to achieve high rejection，the X and Ku band filters used in the module are designed with transmission-zeros on the stop band.Finally，not only do the test results of the up-converter meet all the design target well，but also the size is reduced to 39.2 mm×33.1 mm×13 mm，as big as 1/8 of the original，which means LTCC technology meets the requirements on miniaturization well.

low-temperature cofired ceramic（LTCC）；miniaturization；thin-film；up-converter；filter

TN73

A

1003-3106（2016）05-0060-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.16

2016-01-28

余承偉 男，（1984—），碩士，工程師。主要研究方向：微波射頻技術。

馮 磊 男，（1987—），助理工程師。主要研究方向：微波射頻技術。