基于HTCC的小型化下变频电路设计∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

超外差式接收机是将射频信号下变频到中频后进行解调的一种电路形式,因此,下变频是超外差式接收机的核心电路之一。接收机的下变频链路主要是从自由空间接收下来的信号中选出有用信号,在放大并混频之后送到下端的调制解调器解调出需要的信息,最终实现将射频信号变为基带信号[1]。

与大多数机械扫描雷达相比,相控阵雷达接收系统的一个主要特点是:它是一个多通道的接收系统,即整个接收系统中有多个接收通道[2]。随着相控阵雷达技术推广应用到机载、球载和星载等平台上,为了在平台日渐有限的载荷、空间、功耗条件下实现高集成、小型化、低功耗的多通道下变频电路,设计中应大量应用微波单片集成电路及新材料、新工艺。

本文介绍了一种基于高温共烧陶瓷(HTCC)的微波多芯片模块(MMCM)的方式来实现下变频电路的设计方法。采用该技术后大大降低了下变频电路的体积、重量和功耗,并且使电路的一致性、可靠性和可制造性得到提高。

1 电路设计

1.1 电路结构

下变频电路的功能是将经限幅低噪放放大滤波后的回波信号频率搬移到适合A/D处理的中频频率并进行滤波放大。对L波段的回波信号进行变频,有一次混频和二次混频两种方式,如图1所示。

图1 下变频电路原理框图

采用二次混频方式有以下优点:

1)可以选到合适的频率窗口,使两次变频的射频和本振信号之间的低次交调分量不会落入中频信号带宽之内,只是会有少量一、二本振之间的互调分量落入一中频和二中频中,其最低次组合为(2,6),利用双平衡混频器对偶次谐波的抑制作用可以很好地解决这一问题。

2)二中频可以选到较低频率。由于目前大部分高精度的A/D变换器中频频率越高,信噪比指标会恶化,因此较低的二中频频率可以提高系统的信噪比,能有效增加动态范围。

缺点是设备量增加。对于下变频电路本身来说,需要大量混频放大和滤波器件,对于整个系统来说,需要一、二本振以及各自的功分网络。

采用一次混频方式最大的优点是节约设备量,简化系统复杂度,在平台有限的载荷、空间条件下有较大优势,并且只有一次本振,避免了二次本振之间的互调。但是也存在以下缺点:

1)为了将镜像频率尽量远离工作频带以达到滤波器可抑制的范围,中频频率高于二次混频的中频,带来信噪比的恶化,但是仍能满足系统使用要求。

2)一次变频窗口的本振将会有一段落入或靠近射频信号带内,选择合适的混频窗口没有低次交调落入射频带内,对于下变频电路就不会产生影响,而在上变频电路中本振将会直接落入信号带内,影响发射信号的输出频谱。但是由于本系统工作在L波段,优化系统设计方案,发射频率由DDS直接产生,不需要上变频电路,在发射期间将下变频的本振信号关掉,可以解决这一问题。

所以对于有限载荷空间平台下的L波段多通道接收系统,采用一次混频方式无疑是更优的选择。

1.2 电路板设计

1.2.1 高温共烧陶瓷

基于高温共烧陶瓷(HTCC)技术的多层基板是实现电路小型化、轻量化、高可靠的有效手段[3]。受平台有限载荷空间的限制,下变频电路采用基于HTCC的微波多芯片模块(MMCM)的方式来实现。

氧化铝高温共烧陶瓷技术是一种较成熟的封装技术,是由92%～96%氧化铝外加4%～8%的烧结助剂在1 500～1 700℃下烧结而成。该基板技术成熟,介质材料成本低,热导率和抗弯强度较高[4]。并且由于其烧结温度高,可以与可伐等金属材料进行一体化烧结,大大节约了布线空间。HTCC一体化管壳作为HTCC基板的衍生产品,已广泛应用于军品微电路封装[5]。

1.2.2 可靠性和可制造性

在使用陶瓷基板以及Ga As芯片进行设计时,需要特别注意各个材料之间的热匹配,防止因热失配而造成陶瓷或者GaAs的开裂现象。下变频电路内部各种材料的热膨胀系数如表1所示。

表1 材料热膨胀系数

由表1可见,下变频电路中各材料之间的热膨胀系数十分相近,可以减小芯片与基板、基板与管壳间的热应力,从而提高下变频电路的可靠性。

由于下变频管壳采用金属壳体与陶瓷基板一体化烧结,在装配过程中仅须进行贴片键合等工艺流程,简化了工艺装配步骤,大大提高了电路的可制造性,适应相控阵雷达批量生产的需求。

但是当一体化管壳焊接在印刷电路板或微波介质板上使用时,因为陶瓷与印刷电路板或微波介质板的热膨胀系数差异较大,易因应力导致管壳瓷体裂纹失效。需要采用ANSYS有限元软件对其进行建模分析。通过优化管壳结构,特别是引脚的结构设计,提高管壳在工艺过程、环境试验中对应力冲击的耐受力,以及优化瓷体材料,提高瓷体本身的强度[6]等方式进行优化。最终仿真结果如图2所示,关键部位的应力在安全范围内,可满足二级安装的可靠性要求。

图2 下变频电路二级安装后在温循中的应力模拟示意图

1.3 端口仿真

由于采用HTCC与可伐合金壳体一体化烧结,射频端口由壳体引脚输入到HTCC基板的Bottom层,再垂直过渡到Top层布线,形成“微带线-传输通孔-微带线”的三维垂直互连传输模型。另外,陶瓷基板内部也须进行多层布线,垂直过渡的通孔参与射频信号传输。需对端口的过渡传输线进行微波仿真,以保证电路的射频性能。

利用Ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS对陶瓷板上的“微带-VIA”垂直过渡进行建模并改进[7],优化出最佳的信号传输方式,将结果代入布板软件中进行设计布板。

图3和图4分别为三维仿真模型以及仿真出的驻波和插损结果。

图3 三维仿真模型

图4 驻波和插损仿真结果

从仿真结果可以看出,管脚垂直过渡设计在下变频工作的频段指标可以满足使用要求。

1.4 电路布局

1.4.1 电路布局分析

下变频电路的裸芯片部分封装在金属陶瓷一体化管壳中,滤波器等封装器件只能安装在微组装电路以外,需要将滤波器前后电路在管壳中断开从引脚上过渡出来。同时,下变频电路内部有限的空间里需要传输射频、本振和中频等多种微波信号,以及电源和收发时序等低频信号,因此,必须对陶瓷多层电路布板中的高密度布线进行优化,合理分配内部布局。主要措施如下:

1)不同频率的射频信号之间、滤波前后的信号之间均要拉开距离,并用地隔开,防止信号之间各自串扰;射频信号与数字信号分开布局,之间尽量用地隔离;

2)放大链路进行直线布局,相邻放大链路之间进行隔离,防止形成环路引起电路振荡;

3)由于本系统是收发一体化的综合电路,为防止发射工作时收发环路增益过高造成电路振荡,对下变频电路的中频放大器的电源进行调制,发射期间关断接收的放大器电源。

依据以上措施对电路进行合理布局,下变频电路的引脚分布如图5所示。

1.4.2 信号完整性分析

下变频电路中的信号完整性问题主要表现为两类:一类是单条传输线的信号完整性问题,即在信号传输路径上由于拐角、过孔、参考平面不连续造成阻抗突变而引起的反射与失真;另一类是相邻传输线之间的信号串扰问题[8]。

图5 下变频电路引脚分布

依据图5的接口定义,布板时本振信号与中频信号不可避免地会产生交叉走线。由于中频信号频率相对较低,因此交叉的中频信号采用垂直互联的方式从中间层布线。从使用最少图层实现微波高密度互联的原则出发,该版图用四层介质、五层布线来实现,图层分配方案如表2所示。

表2 下变频电路图层分布

另外,本振信号幅度较大,与中频信号交叉走线后,需要考虑二者之间的串扰。

对中频信号垂直过渡建模进行仿真,在中频工作频段,端口的回波损耗小于-25 d B,本振信号和中频信号的隔离度大于75 dB,满足电路使用要求。垂直过渡和隔离度的仿真结果如图6所示。

图6 信号完整性仿真结果

1.5 电路制作

通过以上理论分析和仿真结果,采用陶瓷基板与金属外壳一体化烧结工艺制作成一体化管壳,通过微组装装配于高集成的封装内。下变频电路的最终外形如图7所示。

图7 下变频电路最终外形

2 电路测试

2.1 测试夹具设计

针对相控阵雷达批量生产的需求,对下变频电路的指标进行自动测试。设计一款简洁、方便、可靠的测试夹具,才可以将测试过程中夹具引起的误差减到最小,并最大限度提高测试效率。

测试夹具由限位底座、压腿绝缘衬垫、锁紧螺栓和弹簧等组成[9]。外形如图8所示。

图8 测试夹具外形

夹具的面板上安装了4个拨动开关,分别控制电源输入和三级放大器供电的电源,电路工作不正常时可以通过开关各级放大器电源来定位故障。整个夹具采用可视化测试窗口设计,测试时能够完整看到被测件内部情况。

2.2 测试系统设计

该一次混频方式的下变频电路测试系统由以下仪表组成:信号源两台,提供射频和本振信号;程控电源和脉冲发生器各一台,提供工作所需的电源和控制信号;频谱仪一台,用于测试电路指标;计算机一台,用于给仪表发指令以及记录测试数据。测试系统组成如图9所示。

图9 测试系统组成

2.3 测试结果

该测试系统可以对下变频电路的增益、带内起伏、本振泄露等指标进行测试,由计算机自动生成测试报表。增益和带内起伏测试结果如图10所示。

图10 增益和带内起伏测试结果

3 结束语

基于HTCC技术设计下变频电路,选取合适的变频方案,对陶瓷基板垂直转换进行仿真,并合理布局内部电路,实现了电路的小型化,并且各项指标均满足系统要求,电路的可靠性和可制造性也得到大幅度提高,可以广泛应用于相控阵雷达的多通道接收系统中。

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