W波段64通道相控陣微系統設計與實現

曹 佳， 李冠霖， 陳鵬偉， 劉勁松， 李 超， 李 君

(1. 中國航天科工集團防御技術研究院， 北京 100039；2. 北京無線電測量研究所， 北京 100854；3. 中國科學院微電子研究所， 北京 100029)

0 引 言

W波段頻率高、波長短，能夠獲得很高的分辨率，又具有透射率高的大氣窗口和大帶寬，使得W波段相控陣雷達在汽車雷達、回程通信和毫米波成像等領域得到了廣泛應用。

片上雷達指的是將雷達收發機集成到單個芯片上的技術，早期的片上雷達大多由GaAs工藝實現。近年來，硅基工藝下晶體管的特征頻率與最高振蕩頻率顯著提升，基于硅基工藝的射頻相控陣系統集成技術已經成為高性能毫米波雷達的一個重要的研究方向。針對二維集成來說，從最早的單片4通道、8通道陣列，很快發展為單片16通道、32通道與64通道陣列。最早的芯片相控陣大多不包含天線，因此在單元硅芯片與平面天線陣之間有傳輸線饋電網絡。這就需要在硅芯片與饋電網絡之間有毫米波轉換：通常采用倒裝焊技術結合多層基板，或者采用在硅芯片表面的聚酰亞胺(Polyimide, PI)再布線層(Redistribution Layer, RDL)實現晶圓級封裝(Wafer-Level Package, WLP)或芯片級封裝(Chip-Scale Package, CSP)。然而，轉換以及饋電網絡附加了較大的損耗，在60～80 GHz的16通道損耗約為2～4 dB，又容易引入電磁耦合從而降低天線方向圖性能。并且，由于多余損耗和復雜的饋電網絡使得通道數不易擴展。多層特氟隆和低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)基板在毫米波頻段價格與硅芯片差不多，會使前端系統價格翻倍。三維集成晶圓級相控陣可解決復雜的分布網絡問題，晶圓級天線層直接覆蓋在硅基片上，每個天線均由相對應的相控陣單元直接激勵，這種方式可使有源部分和天線單元在空間分布上屬于層疊結構，所占面積可約等于硅芯片面積，從而可以擴展至更大規模數量的單元。另外，具有通道的相控陣系統能夠讓天線的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP)增加至20logdB，削弱了相控陣系統整體對單通道的輸出功率依賴。因此，大規模集成相控陣微系統能夠充分發揮硅基芯片集成度高、成本低的優勢，也很大程度上彌補了硅基多功能芯片功率低的短板，展現出了低成本和高性能的解決方案。

本文介紹了一款W波段的片上封裝天線相控陣微系統模塊。該相控陣天線系統采用硅基三維集成的方式將16個四通道多功能芯片與64個天線單元集成在一個微系統模塊中，具有高集成度、高性能、低成本的特點，可滿足無人機等平臺對小型化、高分辨率通信、成像設備的需要。

1 毫米波收發芯片設計

圖1、圖2分別是W波段四通道接收/發射芯片的系統框圖和芯片照片，每個芯片包含4個通道；對于接收芯片，接收到的信號由低噪聲放大器放大并抑制噪聲，再由移相器處理獲得相移并產生相對延遲。功率合成器將四路信號進行合成處理；對于發射芯片，射頻輸入信號先由功率分配器將一路信號分配到四路，信號經移相器進行相移處理后，再由功率放大器對其進行放大。此外，還集成了具有高低溫溫度補償功能的偏置電路和串行外設接口(Serial Peripheral Interface, SPI)，以分別提供所需要的偏置電壓和數字控制信號。為提升毫米波收發芯片的性能，采用了如下關鍵技術:

(a) 系統框圖

(b) 芯片照片圖1 四通道接收芯片

(a) 系統框圖

(b) 芯片照片圖2 四通道發射芯片

1) 電感峰化型低噪聲放大器設計：低噪聲放大器是接收前端天線之后的第一個模塊，其噪聲系數對接收系統整體噪聲系數起著最主要的影響。本設計采用三級級聯的共射共基結構。第一級通過電感7引入射級負反饋，配合電感6，實現輸入阻抗和噪聲的同時匹配。并采用T型電感做負載，在工作帶寬上引入了兩個諧振點，拓展了帶寬；第二、三級采用了不對稱抽頭電感做負載，不對稱抽頭電感的抽頭端等效為負值電感，負值電感將第二、三級頻帶上的諧振點往工作頻率上牽引，提升了放大器整體的增益和帶寬。電路結構圖如圖3(a)所示。

2) 基于功率合成結構的功率放大器設計：作為發射前端的最后一個有源級，決定了整個系統的輸出功率、效率和線性度。所提出的功率放大器采用三級偽差分共射共基放大器級聯。輸入端采用變壓器巴倫實現信號的單端到差分以及阻抗匹配。級間變壓器及差分傳輸線實現級間的阻抗匹配。輸出端采用基于變壓器的四路并聯功率合成器，其結構對稱性好，輸出端表現出更好的幅相一致性，提升了功率合成的效率。三級放大器晶體管尺寸的選擇符合功率放大器的推動比要求，有效避免了功率被前一級放大器壓縮的同時保證了功率的最佳傳輸。每一級放大器采用偽差分結構，降低了毫米波頻段地平面非理想因素的干擾，提高了放大器的穩定性。電路結構圖如圖3(b)所示。

3) 高精度有源移相器設計：移相器管控著相控陣收發芯片中的波束控制，它必須以高相移分辨率覆蓋整個360°相移范圍。提出了采用大規模數字校準的有源移相器，實現了6位高精度、低誤差移相。設計采用了變壓器巴倫以產生差分信號，Lange耦合器產生正交信號，二者級聯匹配能產生低幅度誤差和相位誤差的正交信號。可變增益放大器給予正交信號不同的增益，并將四路信號矢量合成為一路，以獲得所需的增益和相移。本設計中的4個可變增益放大器由4個5位數字模擬轉換器(Digital-to-Analog Convertor, DAC)獨立控制，配合自動化校準腳本，64(2)個最終的移相態從1 048 576(2)個中間移相態中選定，極大程度上克服了工藝誤差，有效地提升了移相器的精度。電路結構圖如圖3(c)所示。

4) 高低溫溫度補償設計：為了保證低噪聲放大器能夠具有較好的溫度特性，其偏置電壓由可進行高低溫溫度補償的偏置電路提供，可補償低溫時異質結雙極晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)增益的下降、高溫時HBT增益的上升。在-45～125 ℃的工作范圍內可以極大地提升增益的平坦度。溫度補償電路如圖3(d)所示，利用兩個串聯的二極管接法的HBT，形成負溫度系數電壓，作為放大管的偏置電壓。

(a) 電感峰化型低噪聲放大器

(b) 基于功率合成結構的功率放大器

(c) 高精度有源移相器

(d) 溫度補償偏置電路圖3 收發芯片各模塊電路結構

在片測試采用矢量網絡分析器加擴頻模塊實現，測試環境如圖4所示，其關鍵性能參數總結于表1中。相較于砷化鎵工藝的多功能芯片，所設計的硅基工藝的芯片在集成度、功耗、成本、幅相控制精度等方面展現出了明顯的優勢。

表1 多功能收發芯片測試結果總結與對比

圖 4 芯片在片測試環境

2 相控陣封裝天線設計

圖5為相控陣陣列剖面圖。其包含了16顆4通道發射/接收芯片，可實現微波信號的相位配置和放大。16顆芯片分別與64個天線單元(8×8排列)相連接，天線單元間距為2 mm。此外，集成了電源控制與數字控制網絡，提供給相控陣芯片所需的電源和控制指令。考慮天線指標要求和硅基工藝制作特點，應用了以下關鍵技術完成了相控陣封裝天線設計。

圖5 相控陣陣列剖面圖

1) 多元法旋轉饋電與圓極化天線單元設計

本文所研制的79～81 GHz二維電掃描相控陣，天線為圓極化形式。微帶貼片天線模型簡單易于實現，在實現圓極化方面有著天然的優勢。通常可以用單饋法和多饋法來實現圓極化天線。此外，還可以用多個線極化的微帶天線單元構成一個天線系統來實現圓極化功能，這種方法稱為多元法；圓極化波的場是等幅旋轉場，有左旋向和右旋向之分。任意圓極化入射波都可以看作兩個在空間和時間上都正交化的幅度相同的線極化波的疊加。要獲得圓極化波,疊加的兩線極化波的電場必須滿足：兩電場矢量幅度相等，兩電場矢量空間上相互垂直，兩電場矢量相位差π/2。所以實現圓極化的方法可以是構造兩個空間正交等幅度的線極化波，同時保持相位差為 90°。綜合天線指標要求和硅基工藝制作特點，本文采用多元法旋轉饋電實現圓極化：4個依次旋轉的線極化單元，以等幅、相位依次相差90°饋電來獲得圓極化。

由于旋轉布陣大大降低了交叉極化電平，使陣面在法向方向具備優良的圓極化性能。同時，旋轉饋電方式還能提升天線帶寬。但是，當波束指向逐漸偏離陣面法向時，天線軸比會惡化，線極化單元形式的旋轉圓極化陣列天線寬角掃描時增益下降，后瓣電平增大，限制了旋轉圓極化陣列天線形式在相控陣領域的應用。圓極化單元同樣適用于旋轉圓極化陣列天線形式，與線極化單元形式旋轉圓極化陣列天線相比，該形式在天線掃描時具備更加優異的圓極化性能。為了增加帶寬同時還能改善波束掃描引起的天線增益下降和后瓣電平增大現象，本文采用圓極化天線單元作為旋轉饋電圓極化陣列天線陣元。所提出的多元法旋轉饋電與圓極化天線單元，結構如圖6所示。

圖6 2×2天線單元結構圖

考慮到微帶貼片天線表面波，在饋電線周圍和天線單元四周進行模式消除過孔設計。模式消除過孔技術可以使天線掃描時，在較大的掃描范圍消除盲點。

2) 硅基三維高密度微系統疊層結構設計

如圖7所示為提出的硅基三維微系統高密集成結構示意圖。三維微系統采用硅基三維堆疊方案，一共由3層200 μm高阻硅基轉接板結構組成。通過RDL將微帶天線制作在晶圓1上的PI層內部。PI層作為天線罩隔絕了部分外界環境的影響；晶圓1和晶圓2采用晶圓級鍵合工藝，設計了深度250 μm的深腔，為接收/發射芯片和鍵合線提供了空間，并增強了射頻信號路徑之間的隔離；接收/發射芯片采用引線鍵合的方式組裝在底部硅基晶圓3上，實現芯片間以及芯片與天線間的電氣互連。晶圓3的下表面還設計有BGA陣列，可以與底板實現互連。為了保證互連高頻性能，三維微系統采用電阻率相對較低的高阻硅材料進行制備。為了降低垂直互連的損耗，采用深度較低的TSV互連，并且轉接板間采用低矮的Cu-Sn凸塊進行互連。

圖7 收發芯片與天線一體化封裝(單顆芯片)結構示意圖

64通道相控陣實物如圖8所示。其通過BGA與波控母板進行連接，波控母板不僅實現波束控制和供電功能，同時也通過底部的散熱翅片將相控陣產生的熱量及時帶走以確保系統正常工作。整個相控陣微系統體積為16 mm×15 mm×1.4 mm。在微波暗室進行近場校準后，在遠場測試了64通道相控陣方位面和俯仰面波束掃描方向圖。接收微系統模塊在80 GHz頻點處的波束在±40°、±30°、±20°、±10°和法向的方向圖如圖9所示，根據測試結果可以得到，在掃描角度為±20°時，天線增益降低小于1.8 dB，在掃描角度為±40°時，天線增益降低小于3.0 dB。完整的測試結果總結在表2中。性能指標滿足實際工作的需求。

(a) 相控陣正面實物照片

(b) 相控陣背面實物照片圖8 64通道發射相控陣

(a) 80 GHz方位面方向圖測試結果

(b) 80 GHz俯仰面方向圖測試結果圖9 64通道相控陣方位面和俯仰面波束掃描方向圖

表2 相控陣測試結果總結及對比

3 結束語

針對目前相控陣天線陣列和毫米波收發芯片存在的集成度低、成本高等問題。本文通過采用電感峰化型低噪聲放大器設計、基于功率合成結構的功率放大器設計、高精度有源移相器設計、高低溫溫度補償設計等創新技術，研制了一款高性能毫米波收發芯片。并通過多元法旋轉饋電與圓極化天線單元設計、硅基三維高密度微系統疊層結構設計，將多功能芯片、天線陣列集成在一個微系統模塊中。該微系統具有高集成度、高性能、低成本的特點,可以為高精度探測和成像等應用提供一個較優的技術路徑。