Ku频段高集成度瓦片式有源天线前端设计

王元源 张山杉 马汉清 武华锋 雷国忠

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

日益复杂的战场环境和各类载体平台苛刻的安装条件对射频系统的多功能、集成一体化设计技术提出了紧迫的要求[1-2]，尤其是在武器平台传感器功能多元化、轻量化、模块化的发展趋势下，研究体积小、重量轻、集成度高的标准化集成式前端势在必行。

同时，随着射频/数字集成电路及高密度封装技术[3]的不断进步，以一体化有源前端为基本功能模块的有源相控阵系统将成为传感器与通讯系统的主流硬件方案。

在各种集成封装系统(System in Package，SiP)中，多层瓦片式系统的先进性与集成度最高，该类系统在天线单元横向尺寸严格受限(通常为工作频率高端半波长)的情况下，将各种复杂的功能电路沿垂直于阵面的方向，以类似“三明治”式的夹层结构压缩排布在一起，形成标准化、低剖面、可扩展的集成前端。其对于机载、弹载、星载等资源与空间十分紧张的平台，具有巨大的吸引力。但同时，由于设计与实现难度大，应用领域敏感，国内外关于多层瓦片式有源前端研究成果的报道均十分有限[4-6]。

在这一背景下，本文以低温共烧陶瓷技术(LTCC)[7]为基础，设计构造了高度集成的Ku频段瓦片式有源天线接收前端，并首次给出了其内部详细的实现细节。在小于5mm的剖面高度内，瓦片式有源天线前端包含了辐射天线、射频接收电路、本振分配网络、中频合成网络、电源控制网络等部分。其中，射频、本振、控制及中频网络对应的传输线均采用内埋于LTCC基板内的封闭式带状线方式实现，同一层内不同种类的信号线通过金属化过孔阵列互相隔离屏蔽；不同层之间则通过由内部金属化过孔构成的准同轴结构实现信号互联[6]。接收电路裸芯片组则安装于阵列背面的空腔之内。整个前端结构的尺寸仅为50mm×50mm×4mm。

1 系统概述

瓦片式有源前端共包含16路辐射天线单元及接收通道，按照4×4矩形栅格状排列(如图1、2所示)。整个瓦片式结构采用35层Ferro-A6M陶瓷基片材料烧结构成，共包含四个功能层，由前至后依次为多层贴片天线层、本振功分网络层、射频放大与变频层(限幅、低噪放、混频)、电源与中频信号合成层。

2 多层贴片天线

天线单元的结构如图4所示。其采用双层贴片形式[8]，由金属化过孔强制对下层主贴片馈电，并通过内部空间将能量耦合至顶层的寄生辐射贴片，整个天线单元辐射结构由共计10层LTCC基板层叠而成，剖面高度仅为1mm。

主贴片与寄生辐射贴片四周由多层方形金属环及金属化过孔阵列形成内外隔离墙,阻断沿介质内部及表面传播的表面波，提高相邻通道间的隔离度。考虑到抗氧化及多层结构间的焊接温度要求，内外层的金属图形及过孔连接均选用金(Au)材料。

图5、6分别给出了天线单元的仿真驻波曲线及辐射方向图。从图5中可以看出，天线单元的驻波在工作频带内小于1.45；而图6中，天线单元的主极化增益约为6.2dB，交叉极化分量在-20dB以下，E面及H面的波束宽度分别为75°与82°，具有优良的辐射性能。

3 射频电路

射频电路部分布置在整个前端的背面(相对于天线辐射阵面)，在50mm×50mm面积的陶瓷基片上制作出16个14mm×5mm×1mm的矩形表面空腔，将限幅器、两级低噪放、混频器芯片置于空腔内的芯片槽内，由天线输入的射频信号(过孔及微带)及由本振网络馈入的本振信号(过孔及微带)在这里完成混频后将中频信号送入下一功能层。

图7给出了射频放大与变频层的位置分布与芯片排列图。由图可知，本层是各个不同频率信号的汇集区。表面腔体下方的地板上排列着连接天线、本振、中频及电源网络的准同轴结构。本文在设计过程中，通过对芯片、腔体间相对位置及传输线参数的全波仿真优化，有效解决了小空间内集成有源电路的互耦、干扰、电源调制等一系列问题。

4 本振网络

本振网络的主体为1∶16的内埋式带状线威尔金森功分器(如图8所示)。

考虑到内层带状线的宽度与工艺标准要求的限制(主要是线宽)，所采用的单个威尔金森功分器选择主馈线25Ω、阻抗变换段35Ω、隔离电阻50Ω的配置。这样的设计可避免因带状线宽度过细对工艺和容差带来的额外压力。

图9给出了1分16本振功分网络的回波损耗曲线。从图中可以看出，在11.6GHz～13.9GHz的频段范围内，本振网络的回波损耗均小于-15dB。

如图10中本振功分网络的传输系数曲线可知，在11.5GHz～14.5GHz的频段范围内，各端口传输系数均处于-12～-12.5dB的变化区间内，并且在实际工作频带内，输出端口的插入损耗均小于0.3dB。

5 中频合成输出链路

每个接收通道的中频信号是由镜像抑制混频器输出的两路正交IQ信号构成，这两路信号的合成在中频需要借助90°度电桥，电桥布置在前端底部，位于射频放大与变频层下方的陶瓷盖板上。但由于中频电路尺寸较大，要完成16路接收电桥，采用分布式的微带延迟线方法，绕线过于复杂，且由于面积有限，无法形成有效隔离，最终会造成各通道中频干扰严重。因此本文采用了通过线圈缠绕实现移相的中频合成芯片，单个芯片封装后尺寸为10mm×8mm×5mm，能够满足结构要求。

图11中详细给出了中频网络的走线，由混频器输出的两路正交信号，通过BGA焊球输入陶瓷盖板上的电桥芯片内，电桥将两路正交信号合成后输出至立式排线插座。图12则给出了16个位于盖板上的电桥芯片(白色部分)的具体位置。

每路中频信号从混频器输出后，需要经过三段带状线及两段准同轴结构组成的传输通道，图13给出了通道的S参数仿真结果。由图可知，中频传输结构的回波损耗小于-29.35dB，而其传输损耗几乎可以忽略不计。

6 直流控制信号链路

整个射频前端内的直流控制信号的布局如图14所示(深色部分)。

直流供电的输入与中频输出共用位于前端中线的立式排线插座，单个插座的可用针脚数可达60个，完全能够满足同时传输中频与直流信号的条件。

直流信号为5V的控制电压，总输入电流为2.08A(两级低噪放控制电流分别为70mA、60mA)。为防止流过单个管脚和金属化过孔的输入电流过大，设计中采用了5个管脚及5个过孔进行分流。

直流信号由排线插座馈入后，由不同的管脚引出带状线控制信号，再通过金属化过孔的准同轴结构，由盖板与下层的连接处导入芯片下方，经带状线传输后馈送至低噪放芯片旁的电源键合区，再由金丝跳接至两个100pF的旁路电容(主要作用为滤除高频毛刺)。电容与相应低噪放芯片间同样通过金丝键合。这一连接方式如图15所示。

7 内层接地面设计

前端内部的网络均采用带状线形式，内埋在多层LTCC基板中，上下均需要地板覆盖。在LTCC多层结构烧结过程中，金属与陶瓷材料存在收缩与应力作用，大面积的实心金属地存在较大的实现风险(容易造成曲翘、开裂)。

针对这一问题，本文采用了图16(b)所示的网状地结构替代图16(a)的大面积实地。由仿真结果(图17、18)可知，与大面积实地相比，网格地的回波损耗与传输系数曲线只发生了细微的变化，能够满足实际的信号传输与屏蔽要求。

网状地结构的设计关键在于网格大小的选取，不同大小的网格会在不同的频率点产生谐振，严重的情况下会影响到传输线及网络的电气性能，优化的目的是将产生的谐振点尽可能地移出工作频带外，同时兼顾工艺实现中线宽和间距的要求。

8 接口设计

8.1 射频接口

考虑到接收通道本振信号的输入，以及外接测试的需要，必须选择在电气与结构上均能够适合轻薄的多层瓦片结构的高频连接器。因此，采用了能够实现微带/同轴转换的SMP表面贴装连接器(如图19所示)，在完成射频信号传输的同时，兼顾安装焊接的可实现性。这种连接器的接口为微带转探针，安装时不会对脆弱的陶瓷基板产生额外的压力，同时也避免了直接用探针背馈方式容易出现的通孔公差难以控制，及焊点焊接中出现的焊区阻抗无法匹配等问题。

8.2 中频/直流信号接口

中频/直流信号的接口选用0.5mm间距的立式排线插座(如图20所示)，与其相连的阻抗控制排线最高可传输400MHz的中频信号。此外，与SMP类似，它同样采用表面贴装，非常适合用作为低剖面高集成度前端的输出端口。

9 结束语

本文基于低温共烧陶瓷技术(LTCC)设计了高度集成的Ku频段瓦片式有源天线接收前端，能够完成天线接收、射频放大、镜像抑制混频、中频输出等一系列功能。通过对瓦片式前端中不同功能电路的仿真优化，验证了整体设计的有效性。

整个前端结构的尺寸仅为50mm×50mm×4mm，且总重量小于30g，非常适合应用于机载、星载、弹载等体积质量严重受限的平台。其低剖面、标准化、模块化的突出特点代表了未来传感器或通信系统硬件前端的发展趋势。