, ,, ,

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引言

T/R組件是有源相控陣天線的關(guān)鍵部件，與傳統(tǒng)磚式T/R相比，片式T/R組件具有低廓線結(jié)構(gòu)特點，易于進(jìn)行天線的共形設(shè)計。片式T/R組件在減輕重量，減少體積方面具有明顯的優(yōu)勢[1]。

在ka頻段實現(xiàn)寬角掃描，輻射單元的間距非常小，片式組件在在兩個方向上均受格距限制。垂直互聯(lián)技術(shù)可實現(xiàn)射頻信號和低頻信號在多個亞層間傳輸，是實現(xiàn)片式組件的關(guān)鍵[2]。相控陣組件內(nèi)通常需要集成移相、衰減、功率放大、電源調(diào)制等功能，只有采用高密度裝配工藝才能在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)大量不同功能芯片集成。

一體化發(fā)射組件將天線陣列和發(fā)射模塊綜合考慮，最大限度的減少輻射單元與發(fā)射模塊輸出間的損耗，改善不同輻射單元幅度相位的一致性。采用垂直互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)輻射單元與發(fā)射模塊垂直互聯(lián)，射頻信號的垂直饋入，低頻信號的層間互聯(lián)。通過多功能芯片技術(shù)、多芯片組件技術(shù)將功率放大、功分、移相、衰減、串并轉(zhuǎn)換等芯片集成在一個組件內(nèi),使傳統(tǒng)的磚式組件的體積大大縮小,從而實現(xiàn)組件高性能、小型化、輕量化[3]。

1 一體化發(fā)射組件結(jié)構(gòu)及原理

ka頻段片式一體化發(fā)射組件對輻射陣要求包括：±35°掃描、26±0.5 GHz工作頻率、圓極化、低副瓣，綜合考慮以上指標(biāo)本設(shè)計采用微帶貼片天線。對于微帶貼片天線帶寬窄的缺點，采用介質(zhì)支撐的特殊結(jié)構(gòu)，使得天線的工作帶寬有效展寬。通過陣面綜合及考慮輻射單元間的互耦效應(yīng)，確定輻射單元間距為10 mm。

將具有同樣的功能和接口的通道集成在同一封裝中，共用電源和控制信號，可以提高單元面積的使用效率。圖1為一體化發(fā)射組件原理框圖，該組件將16個通道集成，每個通道包括了功分器、驅(qū)動級放大器、數(shù)控移相衰減器、末級功率放大器以及串并轉(zhuǎn)換電路。

圖1 一體化發(fā)射組件原理框圖

圖2為組件結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次為輻射層、金屬冷板散熱層、射頻層，控制與供電層以及機(jī)構(gòu)套框和結(jié)構(gòu)底板。輻射層采用微帶貼片實現(xiàn)射頻信號的空間輻射；金屬散熱冷板層，既作為射頻層、輻射層的支撐結(jié)構(gòu)，又作為模塊內(nèi)功率器件散熱的通道；射頻層實現(xiàn)射頻信號的驅(qū)動放大、功分、移相衰減、串并轉(zhuǎn)換及末級功率放大；控制與供電層安裝電源調(diào)制芯片、電容等元器件；結(jié)構(gòu)套框和結(jié)構(gòu)底板為鋁制金屬蓋板，保護(hù)內(nèi)部元器件及屏蔽模塊與外界之間的電磁泄露。

圖2 一體化發(fā)射組件結(jié)構(gòu)框圖

2 一體化發(fā)射組件三維垂直互聯(lián)設(shè)計

針對ka頻段片式一體化發(fā)射組件緊湊結(jié)構(gòu)要求，開展一體化組件三維垂直互聯(lián)設(shè)計，包括：射頻層到輻射層低損耗垂直互聯(lián)、射頻饋入信號與射頻層的垂直互聯(lián)、低頻控制供電信號的垂直互聯(lián)。

2.1 射頻層到輻射層低損耗垂直互聯(lián)

射頻層到輻射層垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)位于功放輸出之后，低損耗是實現(xiàn)層間集成的關(guān)鍵[4]，該技術(shù)直接影響到發(fā)射組件的效率。

不同層之間的射頻垂直互聯(lián)方式有：絕緣子、毛紐扣、SMP/mini-SMP、BGA、表貼式等。表貼式、SMP/mini-SMP垂直互聯(lián)盡管成本低，但尺寸較大，不利于模塊的小型化。毛紐扣、BGA的垂直互聯(lián)方式雖然尺寸較小，但裝配成本及裝配要求高。與其它垂直互聯(lián)方式相比，絕緣子的方式同時具有較小的插損，較小的連接尺寸，特別適合采用微帶焊接的射頻饋電形式[5]。

射頻層到輻射層間的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)中上層為射頻板、中層為絕緣子、下層為輻射單元板。絕緣子的外導(dǎo)體燒結(jié)在結(jié)構(gòu)體上，內(nèi)導(dǎo)體上下兩端分別與射頻板和輻射單元板通過焊錫連接。絕緣子與射頻板之間存在一段空氣腔，形成類同軸的結(jié)構(gòu)。

采用絕緣子的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在射頻傳輸?shù)牟贿B續(xù)，這將會增加電路的傳輸損耗并引起電磁輻射導(dǎo)致電路間相互干擾。射頻傳輸?shù)牟贿B續(xù)性引入了寄生變量，在ka頻段絕緣子的引入相當(dāng)于引入一段電感，需要在結(jié)構(gòu)中引入補償電容抵消電感的影響，改善信號傳輸特性[6]?？蓪ξЬ€進(jìn)行拼接引入補償電容，補償電容近似公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中,Z0是微帶線的特征阻抗，L0是微帶線自身的電感量，△L是微帶線和絕緣子互聯(lián)時的等效串聯(lián)電感，C0為微帶線與地之間的等效電容、同軸射頻絕緣子的內(nèi)導(dǎo)體與盒體過外層金屬間形成的等效電容之和。通過上述公式計算出補償電容的初值，補償電容采用環(huán)形微帶線實現(xiàn)。為有效改善改善垂直互連結(jié)構(gòu)在匹配特性，可在微帶線與絕緣子連接處附近增加阻抗變換段。

圖3為絕緣子與微帶線的連接方式示意圖，其中W0為特征阻抗為50 Ω的微帶線寬度，補償電容采用環(huán)形微帶線，其半徑為R1，W1和L1為阻抗變換段微帶線的長度及寬度。采用電磁場仿真軟件HFSS建立模型，為體現(xiàn)絕緣子焊接焊錫的影響，在模型中增加圓錐形焊錫模型。在仿真模型中，需要考慮實際的裝配、加工誤差以及工藝實現(xiàn)合理性?？紤]到以上因素，最終通過優(yōu)化上述參數(shù)，得到垂直過渡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。仿真結(jié)果表明，絕緣子垂直過渡結(jié)構(gòu)中電壓駐波比<1.25，插損優(yōu)于0.3 dB。

圖3 絕緣子與微帶連接方式

圖4 絕緣子垂直互聯(lián)仿真結(jié)果

2.2 射頻饋入信號與射頻層的垂直互聯(lián)

毛紐扣產(chǎn)品通常由鍍金鈹青銅、鍍金鉬銅等高彈、高導(dǎo)金絲模壓形成圓柱狀的彈性連接器。使用時，將毛紐扣兩端壓緊置于一定的結(jié)構(gòu)中，用以達(dá)到良好的射頻和低頻連接效果[7-8]。毛紐扣采用無焊接連接形式用于射頻和低頻互聯(lián)，可減少傳統(tǒng)射頻接插件及低頻接插件的使用數(shù)量，達(dá)到產(chǎn)品小型化，輕量化的目的[9-10]，并便于產(chǎn)品返修。

毛鈕扣連接主要形式：同軸結(jié)構(gòu)和三線結(jié)構(gòu)。同軸結(jié)構(gòu)是將毛紐扣作為信號傳輸?shù)膬?nèi)導(dǎo)體置于介質(zhì)中，采用金屬框作為同軸結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體，形成類同軸的形式[11]。三線結(jié)構(gòu)是將三個毛紐扣置于聚四氟乙烯等介質(zhì)中，中間的毛紐扣作為信號傳輸線，兩邊的毛紐扣起到連接地平面的作用。兩種結(jié)構(gòu)中同軸結(jié)構(gòu)便于與mini-SMP進(jìn)行一體化集成設(shè)計，便于實現(xiàn)小型化垂直連接同時實現(xiàn)氣密封裝。

基于毛紐扣特點，組件采用了一種改進(jìn)型同軸結(jié)構(gòu)小型化高密度的玻璃燒結(jié)mini-SMP前端結(jié)合毛紐扣實現(xiàn)垂直互聯(lián)。小型化毛紐扣連接器由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、玻璃體構(gòu)成mini-SMP。外導(dǎo)體可采用焊料燒結(jié)的形式與盒體固定，從而實現(xiàn)組件的密封。內(nèi)導(dǎo)體的一端與毛紐扣進(jìn)行連接，毛紐扣置于聚四氟乙烯的介質(zhì)中。

為保證毛紐扣連接器射頻信號傳輸?shù)牡耐暾裕捎肏FSS仿真軟件，建立毛紐扣三維傳輸仿真模型。為減少微波輻射，選用背面接地的共面波導(dǎo)傳輸線。共面波導(dǎo)中存在寄生模，可引起微波傳輸性能惡化。采用在基板上增加高密度的接地孔，對共面波導(dǎo)上下地平面進(jìn)行有效的連接，可有效抑制寄生模[12]。與采用絕緣子進(jìn)行垂直互聯(lián)的原理相同，毛紐扣等效在互聯(lián)結(jié)構(gòu)中引入電感，需要在共面波導(dǎo)末端用圓盤微帶進(jìn)行補償。

在HFSS仿真模型中對共面波導(dǎo)接地通孔半徑大小與間距、共面波導(dǎo)末端與毛紐扣接觸的圓盤直徑進(jìn)行仿真優(yōu)化，以改善垂直互聯(lián)的傳輸性能?；ヂ?lián)結(jié)構(gòu)中毛紐扣與共面波導(dǎo)的連接要保證對位精度，同時毛紐扣在結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計上要考慮20%左右的壓縮裕量，確保擠壓下能提供良好的射頻與低頻彈性連接。

小型化毛紐扣垂直互聯(lián)試驗件在測試夾具上測試結(jié)果如下圖所示，其在工作頻段插損小于2 dB,駐波比小于1.5，能夠滿足組件對垂直互聯(lián)的插損及駐波比的指標(biāo)要求。

圖5 小型化毛紐扣產(chǎn)品垂直過渡試驗件測試結(jié)果

2.3 板內(nèi)射頻信號的垂直互聯(lián)

發(fā)射組件在輸入端進(jìn)行射頻信號功分后，局部存在射頻信號交叉?zhèn)鬏?，需要在板?nèi)實現(xiàn)射頻信號的垂直互聯(lián)。

為降低成本，設(shè)計采用微波多層板進(jìn)行板內(nèi)垂直互聯(lián)設(shè)計。微波多層印制板主要由多層微波板通過半固化片多次層壓制作而成。射頻信號在微波多層板內(nèi)垂直互聯(lián)由縫隙耦合和金屬通孔等方式，采用金屬通孔過渡，通孔等效為串聯(lián)電感，因此其射頻傳輸具有低通特性，盡管該結(jié)構(gòu)帶寬寬、損耗小，但需要微波多層板得金屬化過孔具有很高加工精度，隨著頻率的升高金屬通孔會產(chǎn)生寄生效應(yīng)，其在高頻段的特性會迅速惡化，且指標(biāo)一致性能較差?？p隙耦合的形式雖然插損較大，帶寬較窄，但其加工一致性較好，可用于微波多層板實現(xiàn)信號的垂直互聯(lián)。

射頻信號垂直互聯(lián)采用微波多層板實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。多層微波電路包含三層射頻圖形：表層(射頻信號傳輸層)、中間層(縫隙耦合層)和底層(射頻信號底面?zhèn)鬏攲?。

圖6 板內(nèi)射頻信號垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

A端口的信號通過射頻微帶線進(jìn)行傳輸，在表層微帶線下中間層的接地金屬中設(shè)計合適的開口尺寸、開口位置，將射頻信號耦合到底層的射頻微帶線，底層傳輸?shù)纳漕l信號通過上述方式再耦合到表層。由于與C端口進(jìn)入的射頻信號在不同層進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)了射頻信號的交叉?zhèn)鬏敿案吒綦x度。與金屬通孔的垂直過渡的三維互聯(lián)方式相比，該方法易于實現(xiàn)指標(biāo)的一致性。

根據(jù)傳輸線原理，中間縫隙耦合層通過在共面地板上的二分之一波長的槽線諧振器實現(xiàn)電磁信號的過渡。槽線諧振器至微帶線的開路端長度約為四分之一波長，可等效微帶線短路接地，因此射頻信號可耦合到槽線諧振器，再由槽線諧振器耦合到下層微帶線。

上層和下層微帶線端口特性阻抗選擇為50 Ω，對上下層微帶線四分之一波長開路支節(jié)的長度、槽線低阻抗諧振器的長度及寬度進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到最佳的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明板間垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)在±10%加工誤差內(nèi)，工作頻率下的駐波比小于1.3，插損小于2.5 dB，體現(xiàn)了該板內(nèi)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)良好的一致性。

2.4 低頻控制供電信號的垂直互聯(lián)

片式低頻控制供電信號垂直互聯(lián)包含外部互聯(lián)及板間互聯(lián)。外部互聯(lián)需要實現(xiàn)模塊的氣密封裝，采用9針氣密性排針，針間距1.27 mm。低頻排針燒結(jié)在組件結(jié)構(gòu)本體上，一端與外部信號連接，另外一端與組件內(nèi)部的多層電路板連接。發(fā)射組件內(nèi)部需要實現(xiàn)下層多層板至上層射頻板的控制供電信號的連接。如圖7所示，通過結(jié)構(gòu)本體在中間層金屬底板的適當(dāng)位置開腔，露出下層多層板背面的金絲鍵合的鍵合盤，采用深腔金絲鍵合的形式實現(xiàn)下層多層板到上層的多功能芯片及射頻板的小型化連接，與傳統(tǒng)的排針及導(dǎo)線的形式相比極大的節(jié)省了互聯(lián)的面積。

圖7 發(fā)射組件組裝工藝結(jié)構(gòu)圖

3 高密度組裝技術(shù)

3.1 多功能芯片技術(shù)

發(fā)射組件在兩個方向均受格距限制，設(shè)計難度大。高度集成的多功能芯片是實現(xiàn)片式結(jié)構(gòu)T/R組件高密度集成和封裝的關(guān)鍵技術(shù)[12]。高度集成化的多功能芯片技術(shù)可以顯著提高一致性,降低成本,縮小體積,增加可靠性,從而提高整體的系統(tǒng)性能[13-14]。

設(shè)計選用了八通道CMOS集成多功能芯片，利用片上集成的1：8功率分配網(wǎng)絡(luò)(饋電網(wǎng)絡(luò))將1路輸入信號分為同幅度同相位的8路信號，之后8路信號經(jīng)過各自獨立的相位和幅度控制，產(chǎn)生不同相位和幅度的信號，再經(jīng)過片上放大器放大后輸出，驅(qū)動末級的GaAs功率放大器。該多功能芯片的移相器和衰減器分別具有6位相位和5位幅度控制精度，可以在實現(xiàn)移相功能的同時獨立調(diào)節(jié)每個通道的增益。

使用多功能芯片后,射頻鏈路除了射頻信號的功分器芯片外,只用了2只多功能芯片、16只功率放大芯片及電源調(diào)制芯片等便實現(xiàn)了發(fā)射組件的功能，極大的減少了組件內(nèi)芯片的數(shù)量。

3.2 多芯片組裝技術(shù)

組件裝配工藝同樣需要完成多層環(huán)氧板、多層微波電路板燒結(jié)，低頻、高頻接插件的氣密燒結(jié)，功率器件共晶焊接，非功率器件的粘接，芯片間及芯片和電路板間的金絲鍵合，模塊蓋板的氣密封裝等。

組件組裝的工藝如圖7所示，該組件分為上下兩個平行的層面，上層微波板上安裝多功能芯片及功放芯片, 下層是在結(jié)構(gòu)體進(jìn)行局部開腔，并放置環(huán)氧多層板，板上安裝電源調(diào)制芯片、電阻和去耦電容等。小型化毛紐扣連接器燒結(jié)到組件的上層蓋板，低頻排針燒結(jié)到結(jié)構(gòu)本體中，上層和下層蓋板通過激光封焊實現(xiàn)模塊的氣密封裝。圖中射頻板1與蓋板上的毛紐扣彈性接觸實現(xiàn)射頻信號的垂直互聯(lián)，射頻板2通過射頻絕緣子實現(xiàn)與輻射單元的垂直互聯(lián)。

組件的裝配工藝優(yōu)先選擇成熟的工藝路線,并且合理安排裝配順序，拉開選用焊料的溫度梯度,避免裝配過程中的出現(xiàn)焊料二次熔融。

發(fā)射組件中的多功能芯片、電源調(diào)制芯片、單層電容等非功率器件采用導(dǎo)電膠與PCB板實現(xiàn)可靠性電連接。功率放大器共晶焊接到鉬銅襯底上，然后燒結(jié)到殼體，實現(xiàn)充分散熱。組件的平面射頻與低頻信號主要利用金絲鍵合線實現(xiàn)信號連接。

4 測試結(jié)果與分析

片式一體化發(fā)射組件在極小的三維尺寸下(48 mm×48 mm×6.3 mm)實現(xiàn)16通道裝配集成，并且確保了16個通道間射頻信號有效的信號隔離。遠(yuǎn)場測試結(jié)果表明在波束±35°掃描范圍內(nèi)，EIRP>18 dBW,功耗小于13 W。通過測試結(jié)果分析，射頻層到輻射層垂直互聯(lián)損耗優(yōu)于0.3 dB,小型化毛紐扣互聯(lián)結(jié)構(gòu)具有良好的射頻傳輸特性，采用縫隙耦合的形式實現(xiàn)了板內(nèi)射頻信號的垂直互聯(lián)。組件內(nèi)使用的垂直互聯(lián)技術(shù)便于組件裝配集成，實現(xiàn)了組件的小型化，組件質(zhì)量小于100 g的設(shè)計指標(biāo)。圖8為發(fā)射組件產(chǎn)品實物圖。

圖8 一體化發(fā)射組件實物圖

5 結(jié)束語

本文將輻射單元與射頻發(fā)射組件的一體化設(shè)計，采用多功能芯片技術(shù)，利用微組裝工藝實現(xiàn)了片式一體化發(fā)射組件的高度集成化、小型化。本設(shè)計解決了層疊結(jié)構(gòu)高密度裝配的射頻與低頻信號垂直互聯(lián)等技術(shù)問題，該組件集成度高、較傳統(tǒng)組件在尺寸和重量上具有較大的優(yōu)勢,大大減小了相控陣天線的尺寸,使其更好地滿足高性能有源相控陣?yán)走_(dá)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] Schuh P, Rieger R, Fleckenstein A, et al. T/R-module technologies today and possible evolutions[A].International Radar Conference-surveillance for A Safer World[C].2009:1-5．

[2] Abbosh A M. Ultra wideband vertical microstrip-microstrip transition[J].let Microwaves Antennas & Propagation,2007，1(5)：968-972．

[3] 郝金中,張 瑜,周 揚.一種寬帶多通道瓦片式T/R組件的研制[J].電訊技術(shù),2015,55(1):108-112.

[4] 周 駿, 沈 亞, 顧江川．新型三維立體集成接收模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2016(1)：25-29.

[5] 嚴(yán) 偉，吳金財，鄭 偉．三維微波多芯片組件垂直微波互聯(lián)技術(shù)[J].微波學(xué)報，2012，28(5)：1-6．

[6] 董毅敏．基于垂直互連技術(shù)的上下變頻多芯片模塊[J].半導(dǎo)體技術(shù),2015, 40(8)：580-584.

[7] 劉江洪．基于毛紐扣的板級垂直互連技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2016,37(3)：135-137.

[8] 張之光,徐 正,劉 驍,等. 一種用于瓦片式T/ R 組件的垂直互聯(lián)方式[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(4):3104-3108.

[9] 何毅龍. 一種新穎的Ka頻段T/R組件立體混合集成封裝[J]. 電訊技術(shù),2012,52(7):1160-1163.

[10] Bonnet B, et al. 3D packaging technology for integrated antenna front-ends[C].38th European Microwave Conference, 2008: 1569-1572.

[11] 徐 利. 基于毛紐扣的LTCC微波模塊垂直互連技術(shù)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2013，33(6)：538-541.

[12] 周 駿，竇文斌，沈 亞，等．基于LTCC技術(shù)的表貼式微波模塊設(shè)計[J]．微波學(xué)報，2010，26(2)：47-49．

[13] 劉志輝，吳明遠(yuǎn)．微系統(tǒng)功能模塊集成工藝發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)[J].電子工藝技術(shù), 2015, 36(4): 195-198.

[14] Mancuso Y, Gremillet P, Lacomme P. T/R- modules technological and technical trends for phased array antennas[A]. European Microwave Conference[C]. 2006.