（微电子学与固体电子学专业论文）基于ltcc技术的ku波段tr组件设计研究.pdf

摘要 摘要 本文基于l t c c 技术，对高性能、微型化、高可靠性的k u 波段t r 组件设计 进行了探索研究，针对t r 组件的几项关键模块进行了理论分析，模块设计、仿 真验证以及系统优化，实现了整个组件的三维集成。 根据收发机的关键系统参数确定了1 5 5 g h zt r 组件的系统框图，基于l t c c 技术，利用a n s o f th f s s 软件和a g i l e n t a p p c a d 软件设计了滤波器、功率分配器、 传输线互联模型、限幅电路等组件中的无源电路模块。整个组件在1 5 层的l t c c 基板上实现，各个模块的设计充分利用了l t c c 技术的特点并兼顾了整个芯片的 布局结构，有源芯片表贴在l t c c 基板上，无源模块和电源走线主要嵌入在l t c c 基板中，在l t c c 基板的第十层布入整体地并在各模块之间加入l t c c 通孔柱，实 现了各个模块的整体有效隔离，减小了整个系统组件的电磁信号干扰和电磁信号 耦合。 利用a n s o f td e s i g n e r 对整个电路系统进行了联合优化，仿真结果为，接收支 路的噪声系数为3 5 d b ，增益达到2 6 3 d b ，灵敏度达到7 0 d b m ；发射支路的增益 为2 8 5 d b ，谐波抑制达到4 5 d b c ，并且处于绝对稳定区域。收发支路的相对带宽 和设计值相差保持在1 5 以内，整个组件面积为2 5 e r a 3 c m 。 关键字：低温共烧陶瓷收发组件滤波器功率分配器互联结构 a b s t r a c t b a s e do nl o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c s ( l t c c ) t e c h n o l o g y , t h i sp a p e r c a r r i e so u tc e r t a i ne x p l o r a t i o nt oa c h i e v eh i g h e rp e r f o r m a n c e so fk u b a n dt rm o d u l e ， s u c ha sh i g hp e r f o r m a n c e ，m i n i a t u r i z a t i o n , h i g hr e l i a b i l i t y , a n ds oo n s e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e si n c l u d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m o d u l ep r o d u c t i o n , s i m u l a t i o n , v e r i f i c a t i o n a n ds y s t e mo p t i m i z a t i o nf i l ec a r r i e do ni nc o n n e c t i o nw i t ht rm o d u l e t h r e e d i m e n s i o n a li n t e g r a t i o no fe n t i r em o d u l ei sr e a l i z e d 15 5 g h zt rm o d u l es y s t e mb l o c kd i a g r a mi sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e i d e n t i f i e dk e ys y s t e mp a r a m e t e r s a l lt h ep a s s i v ec i r c u i t sa p p l i e dt ot h et rm o d u l e i n c l u d i n gf i l t e r , p o w e rd i v i d e r , i n t e r c o n n e c t i o nm o d u l e ，l i m i t e rc i r c u 吒a r ed e s i g n e d b a s e do nl t c ct e c h n o l o g yb ya n s o f ih f s ss o f b v v a r ea n da g i l e n ta p p c a ds o f t w a r e t h ee n t i r em o d u l ei sa c h i e v e di n15 - l a y e rl t c cs u b s t r a t e i ti sl t c ct e c h n o l o g ya n d t h el a y o u to fe n t i r ec h i pt h a tf i l ec o n s i d e r e dt od e s i g ns y s t e mm o d u l e s a c t i v ec h i p sa r e s u r f a c em o u n t e do nt h el t c cs u b s t r a t e ，p a s s i v em o d u l e sa r em a i n l ye m b e d d e di nt h e l t c cs u b s 仃a t e ，t h eo v e r a l lg r o u n di sp u ti n t ot h et e n t hl a y e r , v i af e n c ei sp u ta m o n g d i f f e r e n tm o d u l e s a l lt h em e a s u r e sa l em a i n l yt oe f f e c t i v e l ya c h i e v ei s o l a t i o na n dt o r e d u c ee m ia n de m co ft h ew h o l em o d u l e t h ee n t i r ec i r c u i ts y s t e mi sc a r r i e do u tc 0 一s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nb ya n s o f t d e s i g n e rs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ，t h en o i s ef i g u r e ，g a i na n d s e n s i t i v i t yo ft h er e c e i v e ri sa b o u t3 5 d b ，2 6 3 d b ，一7 0 d b mr e s p e c t i v e l y ；t h eg a i na n d h a r m o n i cs u p p r e s s i o no ft h et r a n s m i t t e ri sa b o u t2 8 5 d b ，4 5 d b c ，a n di ti sa b s o l u t e l yi n t h es t a b l er e g i o n t h ed i f f e r e n c eo ft h et rf r a c t i o n a lb a n d w i d t hb e t w e e ns i m u l a t i o n a n dd e s i g ni sl e s st h a n15 t h ea r e ao ft h em o d u l ei sa b o u t2 5 c m 牛3 c m k e y w o r d s ：l t c c t rm o d u l ef i r e rp o w e rd i v i d e r i n t e r c o n n e c t i o n s t r u c t u r e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 埠 日期呈9 丝! 多! f 7 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期望里皇：圣! 丛 日期捌! ：三：! ! 第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术的发展不仅对通信设备提出了越来越高要求的通信协议规范， 而且对包括蓝牙( b l u e t o o t h ) 、全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、基站 设备( b a s es t a t i o n ) 等在内的一般民用产品和包括制导系统、雷达系统以及合成 孔径雷达( s a r ) 、侦察系统、卫星系统等在内的军用设备提出了越来越复杂的功 能集成度、高速高精度的信息处理能力、在各种环境下能高可靠性长寿命工作等 方面的性能要求。基于l t c c 技术实现收发组件( t 瓜m o d u l e ) 是一种有效解决这 种对通信电路要求的关键技术之一。 1 1 本文工作的背景和意义 在无线通信领域毫米波微波有着突出的优点，首先极短的波长使得微波射频 系统实现电路设备变得更加微型化；其次极短的波长穿透电离层的能力强，具有 比红外和光更强的穿透烟尘和云雾的能力，传输损失小；再次是具有极宽的频带， 能处理相当大容量的信号。毫米波微波具有波束窄、频带宽、容量大、安全保密 和抗干扰能力强等优点备受各界关注，现代通信、雷达与制导、电子对抗、遥感 探测等系统的工作频率已逐步扩展到毫米波微波波段。 大气中氧分子和水蒸气的谐振对毫米波微波频率产生选择性吸收和散射，如 图1 1 所示，毫米波微波频段信号传输在大气中产生四个由氧分子和水蒸气谐振引 起的吸收峰l l 】( 中心频率分别在2 2 g h z 、6 0 g h z 、1 2 0 g h z 和1 8 3 g h z 附近) 和四 个传播衰减相对较小的大气“窗口”( 中心频率在3 5 g h z 、9 4 g h z 、1 4 0 g h z 和2 2 0 g h z 附近) 。 图1 1 毫米波微波大气衰减特性 2 基于l t c c 技术的k u 波段t r 组件设计研究 从图可以看出，这些“窗口”具有较宽的通带特性，使得通信系统能在这些频段 内传送更多的信息，为更多用户提供互不干扰的通道。在卫星之间的通信、地面 近距离通信或近程雷达通信中，选择非大气窗口具有优良的安全保密性，极强的 隐蔽性。毫米波微波功率合成技术的发展、新型元器件、微波集成电路、新的分 析计算方法、新的工艺等技术的不断发展和提高，大大地推动了无线通信系统向 毫米波、亚毫米波及更高的微波频段方向发展。 在现代毫米波微波通信系统中，尤其是在探测领域、卫星雷达通信领域、信 号情报( e l i n t 、c o m i n t 、s i g i n t ) 领域及特殊要求的点对点通信中，人们对 微波射频电路模块的各项性能包括传输速度( d a t ar a t e ) ，频宽效率( b a n d w i d t h e f f i c i e n c y ) ，字误码率( b i te r r o r ) ，线性度( l i n e a r i t y ) ，功率利用效率( p o w e r e f f i c i e n c y ) ，功率耗散( p o w e rd i s s i p a t i o n ) 等方面提出的要求越来越高，收发组件 ( t 瓜m o d u l e )则是决定整个系统的关键性因素之一，其性能的优劣直接影响整 个通信系统的性能，因此设计高性能的t r 组件，已越来越受到人们的广泛关注。 微波集成电路( m i c ) 可以将有源器件和各种类型的无源器件高集成度地合成高可 靠性、可重复性、高性能的电路系统，从而为t r 组件系统正在向着高集成度和 超小型化方向发展提供了技术前提。微波集成电路( m i c ) 分为混合微波集成电路 ( h m i c ) 和单片集成电路( m m i c ) 。h m i c 将有源和无源电路元件外接在介质衬 底上，可以是薄膜或者厚膜技术制造，也可以采用元件的外贴等；m m i c 则是将 所用的有源和无源电路完全集成在一块半导体基片上，因而就具有了更高的集成 度。 针对不同频段的t r 组件，各种类型的滤波器和耦合器等是必不可少的，然 而由于技术的限制还很难将整个系统做成单片集成电路，用多芯片组装技术 ( m u l t i c h i pm o d u l e ，m c m ) 将单片有源器件和各种无源电路集成在一个高集成 度、高稳定性的基板中来实现整个系统功能已经成为业界的一个重要的研究方向。 低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术就是在这种强烈需求下的产物，相对于传统的印制板 电路( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 而言，利用l t c c 技术实现的功能电路模块( 包 括组件、子系统、系统等) 具有立体式、高密度、高集成度、高性能、高可靠性 等综合性能优点。利用l t c c 技术实现的微波射频模块可以代替通信、电子战、 雷达和军用武器系统等领域内的各种常规形式的微波电路，而且由于其立体化技 术可以不受功率容量的限制。 应用在毫米波微波频段的固态电路实现的各种电路模块( 包括固态雷达、电 子终端设备等) 是现代通信系统的发展方向，也是一项关键技术。基于l t c c 技 术实现的t r 组件是实现整个固态通信系统的一个非常重要的方面，研究意义重 大。本文的工作将在这个前提下展开讨论。 第一章绪论 1 2 国内外相关课题研究的发展和现状 目前t r 组件的实现，还存在诸多的技术瓶颈，包括t r 组件的生产、t r 组件的体积和重量等方面都受到一定的技术限制，特别是在机载、舰载、星载有 源相控阵雷达和合成孔径雷达中。t r 组件是天线阵元的核心，要在很小的体积内 实现微波射频信号的发射和接收，同时要达到一定的功率和灵敏度、减小各模块 之间的电磁耦合，研制难度很大。尤其对于军用设备而言，宽带化、固态化和集 成化的发展方向已经提上议事日程。 2 0 世纪8 0 年代以来，毫米波微波有源器件获得了长足的发展，特别是高电子 迁移率晶体管系列( h e m t ) 和异质结双极晶体管( 船t ) 等器件、毫米波单片集 成电路( m m i c ) 和各种形式的h m i c 的出现，为毫米波微波通信系统的进一步发 展创造了良好的基础。由于我国目前g a a s 技术不论是在电路设计还是工艺制作方 面与国际水平存在着相当的差距，尤其是毫米波微波频段m m i c 的优良设计几乎 很难达到，还无法提供m m i c 的有源放大、倍频、混频等一系列产品，这就在相 当程度上影响到我国在该领域的发展，因此通过采用混合单片集成技术来研制t r 组件是一种现实而可行的方案。 l t c c 技术是一种新型的电路组装技术，属于科技前沿产品并广泛的应用于微 电子各个领域，具有十分广阔的应用和发展前景。采用l t c c 技术实现的混合集 成电路( h m i c ) 是解决微波射频电路的小体积、轻重量、高可靠性、宽频带、低 价格等高性能的有效途径之一。目前基于l t c c 技术实现的包括合成孔径雷达 ( s a r ) 、无线局域网( w l a n ) 、全球定位系统( g p s ) 等各种模块已经进入更新 的应用阶段。例如，村田( m i t s u b i s h ie l e c t r i c ) 、t d k 、h i t a c h i 、e p c o s 等开发 的手机无线开关组件，m u r a t a 、n e c 等开发的蓝牙模块都是利用l t c c 技术制 作而成。同样，国内外对t r 组件的研究在逐步向微型化、宽带化、固态化和集 成化方向发展，例如中电集团第三十八研究所研制的基于l t c c 基板的多联收发 模块1 3 j ，发射功率大于5 w ，接收通道的噪声系数小于3d b ，双通道隔离度达到 5 0 d b 。尽管如此，由于受到材料、工艺和技术方面的限制，国内关于l t c c 收发 模块的研究仍处于起步阶段。 现今，包括m u r a t a 、k y o c e r a 、h i t a c h i 、村田( m i t s u b i s h ie l e c t r i c ) 、 东光( t o k o ) 、t d k 、双信电机( s o s h i n ) 等在内的日本的厂商和b o s c h 、i m s t 、 c m a c 、e p c o s 等在内的欧洲厂商以及包括摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、国家半导体 ( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) ，c t s 、g e 、c o m i n g 等在内的美国厂商都在致力于从 事于l t c c 技术及其相关模块电路的设计研究并有批量的生产和销售。图1 2 所示 的是e n d w a v ec o r p o r a t i o n 于2 0 0 8 年推出的利用l t c c 技术两次集成实现的6 0 g h z 基于l t c c 技术的k u 波段讯组件设计研究 t r 组件圈”i ，该模块提供内置的贴片天线阵列或波导输入与输出，并允许全双工 操作，具有灵活的调制机制，需要时还可以工作在各种雷达模式。在6 0 g h z 处具 有5 d b 的接收器噪声系数，+ 5 d b 以上的发送器输出功率( p i d b 点) ，在2 g h z 工 作带宽内具有l0 d b 的平坦度，在1 0 m h z ( d c ) 到i g h z 基带频率范围内的相位 好于i o 度。 幽l 2 e n d w a v e c o r p o r a t i o n 推出的6 0 g h z t r 组件 图1 3 是m d i c d 利用l t c c 技术实现的k a 波段的t ，r 组件唑如图所示该 模块将多元件、多层、多功能块全部整合到l t c c 基板上，真正体现了l t c c 技术 的h m i c 优越性。 u q a la r t 衄蚰o ri n 2f i l t 叮 霉圈 国】3 m d i c d 制作的l t c c t r 纽件 图l4 欧洲r m a p 项目中( b e 一9 7 - 4 8 8 3 ) 研究的一个k a 被段的基于l t c c 技 术的收发组件嘲，该组件应用于l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ) 的 点对点通信中，工作在2 6 g h z 总共只采用了5 层f e r r o a 6 陶瓷制作而成的l t c c 基板，其中嵌入了1 2 个g a a s m m i c 裸芯片和一系列包括滤波器在内的无源元件， 在l t c c 基板的顶层表贴了一蝗s m d 元件。该组件包括发射支路( t x ) ，接收支 路( r x ) 和本振盘路( l o ) ，可以按e p r o 和e r o 标准分别工作在终端和基站的 第一章绪论 模式。整个模块以遁孔栅( v i af e n c e ) 实现各个模块之间的有效隔离，芯片的整 体尺寸( s i z e ) 6 1x 7 7 x 2 1 m m 3 。输入输出以s m a 的形式从两边馈电。而直流偏置 则以排线的形式从上下侧接入。发射支路输出功率为4 - 2 8 d b m ，由于功率附加效 率( p a e ) 引起的热耗约为1 4 w 为在发射支路为了解决功放电路引起的散热问 题，在功放电路的l t c c 基板下加入通孔阵列( v i a a r m y ) 增加l t c c 基板的熟导。 该收发组件发射支路增益为5 6 d b ，接收支路的输入功率为一1 8 1 6 d b m ，接收支路 增益为6 5 血，谐波抑制达到3 0 d b e 以上。 图14 应用于l m d s 的k a 波段的t r 组件 日本n e c 公司研制的应用于无线接入系统的7 2 0 中频自差式l t c c 收发组 件【7 l ，为了减小振荡器的相位噪声，采用中频自差式传输结构，整个芯片面积为 8 9 m m x 8 3 m m 。德国j o h a n n h e y e n 等人提出了一种带新型封装结构的l t c c 毫米波 收发组件p j ，该组件的以f l i p - c h i p 方式将m m l c 直接与基片相连，省去了金丝线， 非常有利于整个组件的密封封装。 1 3 本文的研究工作 本文首先介绍l t c c 技术的概念与制造工艺流程及其在通信领域的应用前景， 然后在l t c c 工艺技术的前提下设计了应用在1 5 5 g h z 处的t r 组件，该组件采 用的是超外差结构，其中像低噪放( l n a ) 、混频器( m i x e r ) 、本地振荡器( l o ) 、 驱动放大器( d r i v e r ) 、功率放大器( p a ) 等有源器件主要采用的是h i t t i t e 公司的 苍片，在此基础上设计了包括滤波器、功率分配器等各种无源器件，传输线过渡 模型和连接芯片的金丝线模型，接收电路的限幅电路等，通过软件a l a s o f t d e s i g n e r 和a n s o t th f s s 进行设计仿真最终在l t c c 基板上实现整个t r 组件。 全文共分为六章，第一章为绪论，简要介绍本论文研究的背景、应用前景和 本论文的基本框架。 第二章简要地介绍了l t c c 技术的概念、制造工艺及其特点，并对l t c c 技术 6 基于l t c c 技术的k u 波段t r 组件设计研究 在通信、遥感传感等领域的应用前景进行了简要的介绍。 第三章介绍了应用在1 5 5 g h z 处的t r 组件所采用的系统架构，给出了t r 组件的所采用的l t c c 基板的指标参数，同时给出了t r 组件的设计指标并讨论 了其关键的性能参数。 第四章介绍了各种无源模块的设计。首先设计了应用在该t r 组件中的一系 列滤波器的设计，包括耦合形式的滤波器、交指状滤波器以及缺陷地结构形式的 滤波器；其次介绍了应用在l o 支路的窄带功率分配器的设计；再次介绍了t r 组 件的互联模块，包括直流加载模块( d cb l o c k ) ，应用在l t c c 基板上的传输线高 频信号过渡模型以及表贴在l t c c 基板上的m m i c 芯片的金丝线模型，以实现高 频信号的平稳过渡。最后介绍了应用在整个组件中的限幅器的设计工作。 第五章在以上各章设计工作的基础上给出了整个t r 组件关键参数的仿真结 果及其在l t c c 基板上的布局实现结构。 第六章为结论，在对全文工作进行总结的同时对该t r 组件设计研究做了一 些展望。 第二章l t c c 技术 第二章l t c c 技术 单一平面布局，各单元子电路逐级、多层次集成的实现手段，已逐渐成为制 约毫米波收发组件向小型化、轻量化、高性能、高可靠性方向发展的技术瓶颈。 而采用l t c c 技术则能有效地减小系统的体积和重量、提高系统性能。l t c c 技术 作为一种h m i c 技术是目前微波集成电路的一种较好的实现方法，由玻璃陶瓷基 片通过印制布线和填充工艺及专门的低温共烧技术制成在其内部可以安置传输 线、电阻、电感、电容、无源混颓器等无源元件，在其表面可以安放有源元件， 层间遥过通孔链接，其剖面图如图2l 所示。 图2l 基于l t c c 技术实现的电路剖面图 2 1l t c c 的特点 l t c c 即低温共烧陶瓷( l o w t e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c s ，l t c c ) 是于1 9 8 2 年由休斯公司开发的新型材料组装技术。l t c c 技术诞生以来，最早被用于多层基 板和多芯片组装。最近几年，由于新型电子系统功能模块对组装密度和功能复杂 度等方面的要求不断增加，尤其是射频无线通讯技术飞速发展，l t c c 技术因其众 多优点而被各界给予极大的重视州。 l t c c 技术是将低温烧结陶瓷材料通过流延技术制成厚度精确而且致密的生 瓷带( g r e e nt a t 弛) 切成一定的尺寸后，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、 精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中 然后叠压在一起，成形后经过一次性低温( 8 0 0 c 9 0 0 c ) 烧结，制成三维电路网 络的无源集成维件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装 l c 和有源器件，制成无源，有源集成的功能模块，最后对端电极进行镀镍。其基本 工艺流程如图22 所示。在设计的灵活性、布线密度和可靠性等方面提供了相当大 基于l t c c 技术的k u 波段t 佩组件设计研究 的潜能 图2 2l t c c 的工艺流程 利用l t c c 技术主要可以实现以下四类技术产品，包括高精度片式元件，如高 精度片式电感器、电阻器、电容器等，以及这些元件的阵列：包括无源集成功能 器件，如l c 滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率台成器、b 蛆皿、天线、 延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列，e m i 抑制器等；包括无源集成基板和封 装，如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基扳等；包括功能模 块，如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块等。 利用l t c c 技术实现各种模块可以获得如下优点t g - 。i i ： 1 ) 多层互连，提高了模块可靠性，减少了体积一次成型，提高了生产效率， 适应批量生产。 2 ) l t c c 所采用的基板陶瓷材料具有优良的高频、高q 特性，使用频率可高 达几十g h z 。 3 ) 可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提 高电路的组装密度，可表贴有源芯片实现系统的多功能化。 4 ) 可适应大电流及耐高温等特性要求，比一般的p c b 电路基板具有更优良的 抗大电流能力和良好的热传导特性。 5 ) 具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数，较小的共振频率温度系数。 6 ) 使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子， 高频性能好，速度响应快，极其适应于高频通信组件。 7 ) 可以制作细线结构，线宽间距可达1 0 0 , u m 2 0 0 p m ，甚至可达5 0 m a 。 8 ) 能集成的元件种类多、参量范围大，除l 、r 、c 外，还可以将敏感元件、 e m i 抑制兀件、电路保护元件等集成在一起，可以直接作为v l s i 、l s i 、i c 的封 第二章l t c c 技术 9 装基板。 9 ) 制作工艺一次烧结成型，印制精度高，多层基板生瓷带可进行逐步检查， 有利于生产效率提高，降低成本，同时避免多次高温烧结，以及制造过程中因中 间错误而带来产品性能降低与废品率增大。 1 0 ) 可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境。 综上所述，l t c c 技术是m c m 中的一种多层布线基板技术，一方面在l t c c 多层布线基板上将m m i c 芯片直接组装；另一方面将无源元件埋置在l t c c 多层 基板中并通过通孔互连，使芯片之间靠得更近，互连线变短，从而大大提高了组 装密度，改善了频率特性和传输速度。同时，由于采用通孔互连减小了互连寄生 参量，有利于增加系统的带宽和性能。因此l t c c 技术在军事、航天、航空、电 子、计算机、通信、汽车、医疗等领域均获得了越来越广泛的应用。 2 2l t c c 技术的应用 l t c c 产品的应用领域日趋广泛，目前通讯产品中采用l t c c 技术制作的多组 件芯片有功率放大器( p a ) 、天线( a n t e n n a ) 、滤波器( f i l t e r ) 等，同时其它诸如 军事、航天卫星、无线通信、传感器、汽车、医疗及微波频率器件领域等也正逐 步采用该项技术。目前l t c c 技术已经进入更新的应用阶段，包括无线区域网络、 地面数位广播、全球定位系统接收器组件、数位信号处理器等及其他电源供应组 件甚至数位电路组件基板已经进入了批量生产阶段，例如，村田、三菱电工、京 瓷、t d k 、e p c o s 、a v x 等十多家开发的手机无线开关组件。现在g s m 和c d m a 手机上的滤波器已被利用l t c c 技术设计的声表面滤波器取代或埋入模块基板中。 此外l t c c 组件因其结构紧凑，高耐热和耐冲击性，目前在军工、航天和卫星设 备中广泛应用，未来l t c c 技术在汽车电子系统上的应用也会非常普遍。 图2 3 是k e r a m i s 应用在2 0 g h z 卫星通讯上的频率综合器i l2 ，其中综合器 采用的b i c m o s 和c m o si 艺实现的s i g ev c o 。该模块由于采用了l t c c 技术 使得整个电路具有较高的功能复杂度并可以在比较恶劣的环境下长寿命的可靠工 作，诸如紫外辐照、低温等情况下。 图2 4 是i m s t 在一个德国b m w i d l r 项目中应用的k a 波段的收发组件中利 用l t c c 技术实现的开关矩阵组件。整个组件在p t f e 的l t c c 基板上实现，该组 件包括了一个4 x 4 的开关矩阵，集成了p i n 二极管和带有宽带匹配传输线的s p 4 t 开关i c 芯片以及信号分布网络。在1 8 g h z 至2 7 g h z ，回返损耗大于2 0 d b ，插入 损耗小于6 d b ，隔离度大于5 0 d b ，芯片面积为2 5 x 2 5 x l c m 3 ，总量大约为2 0 9 。 为了检测整个系统的工作状态该模块中增加了数字控制器、功率检测器、温度传 感器等模块。 基于l t c c 技术的k u 波段t r 组件设计研究 图2 3 应用在卫星上的频率综台器 鹫2 4i m t s 利用l t c c 工艺实现的开关矩阵 图2 5 足该项目中应用在k a 波段的收发组件的整体结构，该收发组件可以成 功豹应用于s 波段和勋波段。该t r 组件利用l t c c 技术二次集成了混频器、信 号源、功率放大器等模块，实现了町靠性的工作。 图2 5t m t s 利月jl t c c 技术实现的收发机 第二章l t c c 技术 在w l a n 的下一代应用中，元件将会朝集成式无源元件和模块化设计方向发 展，而且许多元件基于l t c c 技术实现以获得更高的性能和更小的外形。由于l t c c 基板具有体积小、高频特性好及整合度高的优点，主要利用l t c c 技术实现天线 模块、p a 模块及r f 模块等。目前，很多供应商已提高像功分器、低通和带通滤 波器等器件的产量以满足基于l t c c 技术的w l a n 应用模块中对表面贴装、小外 形和低重量元件的需求。如美国j a r oc o m p o n e n t s 公司就提供了范围广泛的基于 l t c c 技术的低通滤波器、带通滤波器、2 4 5 g h z 天线、复用器和b a l u n 等器件。 在无线通信系统中，射频前端组件对系统性能起着关键性的决定性作用。采 用l t c c 技术制作多层形式的毫米波微波收发机前端电路，能有效地减小收发前 端的体积和重量，减小整个收发组件的电磁波泄漏问题，实现高的可靠性，可以 比利用m m i c 技术实现的收发组件前端电路有更高的功能复杂度。因此，在无线 通信、军事航空、s a r 、m e m s 、传感器等领域，l t c c 获得了空前的发展空间。 第三章收发机方案 第三章收发机方案 3 1 各种收发机结构及其特点 随着通信行业的需求和发展，无线通信设备越来越小型化、便捷化、高性能 化、低成本化，在设计收发机方面就迫切需要更低的功率耗散、更宽的带宽、更 高的灵敏度选择、更宽的动态范围及更优的可移植性能。不仅要求各元件和各子 系统有更高性能的处理信号能力，更重要的是要对整个收发机的架构进行优化整 合。为了更高性能的处理高频信号接收和发射，收发机的结构主要分为：超外差 接收机、零中频接收机和镜像抑制宽频接收机【蛉r 7 1 。 3 1 1 超外差结构 超外差接收机如图3 1 所示，从天线接收到的微波射频信号经过带通滤波器进 行频段选择( b a n ds e l e c t ) ，然后进入低噪声放大器( l n a ) 可以将整个系统的噪 声最大优化，从l n a 输出的信号通过镜像抑制滤波器滤除频段中的镜像信号，并 对经过混频器( m i x e r ) 之后的中频信号进行一定的补偿，之后通过信道选择 ( c h a n n e ls e l e c t ) 滤波器选出所需要的中频信息输出。 图3 1 超外差接收机的基本结构 这种结构在灵敏度和选择性方面有一个折中关系，如果中频频率很高，则镜 像频率离中心频率较远，从而可以很容易地通过带通滤波器的截至特性滤除镜像 信号，但要求滤波器具有高的q 值( q = 椰w 3 西) 以实现高灵敏度的信道选择， 这就增加了高q 滤波器的实现难度；反之如果中频频率很低，信道选择性很容易 得到满足，但是镜像抑制却很难得以实现。为了有效地解决这种镜像抑制( i m a g e r e j e c t i o n ) 和邻近频道抑制( s e l e c t i v i t y ) 之间的矛盾，一般可以通过超外差结构 的两次或者多次变频在多个频率上逐步滤波放大来实现。 依靠周密的中频频率选择和高品质的滤波器的设计，超外差结构实现的收发 机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围，并且由于该种结构实现的简洁性 长久以来成为了高性能接收机的首选。 1 4 基于l t c c 技术的k u 波段t r 组件设计研究 3 1 2 零中频结构 零中频接收机结构如图3 2 所示，通过混频器直接一步将微波射频信号降到零 频率直流频段，然后通过低通滤波器滤除高频部分得到所需要的频段信息。该结 构主要优点是不存在信号镜像频率的干扰以及其整个系统具有的简易的特点，并 且电路结构相对简单易于集成、功耗相对低。但是这个系统会受到本地振荡器( l o ) 自身的泄漏和干扰，混频输出会受到直流信号偏置漂移的影响( d co f f s e t ) 1 1 6 】， 可能会引起后级电路的不匹配和饱和。同时由于该系统后级处理的是直流低频信 号，会引入较大的1 f 噪声。 图3 2 零中频接收机结构 3 1 3 镜像抑制结构 为了缓解系统对滤波器的要求，采用镜像抑制接收机结构。图3 3 为镜像抑制 h a r l e y 结构，将微波射频输入信号和l o 及其正交的l o 混频，再通过低通滤波器 在正交支路加入9 0 0 的相位延迟，然后将两路叠加即可实现两路信号以数学方式抵 消。但该结构对两支路的相位不匹配很敏感，很难移除收发支路的镜像频率，同 时会增加整个系统的相位噪声，因此为了获得较好的镜像抑制特性就对移相器提 出了宽带高性能的更高要求。 图3 3h a r l e y 镜像抑制结构 另一种镜像抑制接收机结构是图3 4 所示w e a v e r 结构，该电路通过两路正交 信号的一次混频后进入低通滤波器，然后再通过正交支路的第二次混频，即完成 二次正交混频，最后将两路信号叠加产生中频信号输出。和h a r l e y 结构类似，如 果两个支路的相位不完全吻合，镜像频率很难移除，但是一般说来w e a v e r 结构由 于采用了二次混频技术，具有比h a r l e y 结构更宽的带宽、更优的选择性和更高的 中频射频隔离度。 第三章收发机方案 图3 4w e a v e r 镜像抑制结构 为了获得较高性能接收机特性，可以根据不同的应用场合将上述介绍的几种 接收机组合以整合各自的优点。发射机结构与接收机结构相类似，只需将各种接 收机结构逆向即可实现相应的发射机结构。 3 2 基于l t c c 技术的t r 组件系统 l t c c 多层三维立体结构为毫米波收发组件的设计提供了一种更优的设计方 法：一方面将m m i c 裸芯片直接组装在l t c c 基板上；另一方面将无源元件埋置 在l t c c 基板中并通过通孔互连，使芯片之间靠得更近，互连线变得更短，从而 大大提高了组装密度，改善了频率特性和传输速度。同时由于采用通孔匹配互连 电路可以减小非理想寄生参量的影响，有利于增加系统的带宽和性能。 3 2 1t r 组件系统架构的确定 对于发射机，由于移动台的远近效应，在通信过程中必须对移动台的发射功 率进行调整，以保证通信质量而不至于对其他信道通信产生影响。对射频输出频 谱的要求主要是避免对邻信道产生干扰，同时包括优化杂散辐射( s t r a yr a d i a t i o n ) 、 互调衰减( i n t e r m o d u l a f i o na t t e n u a t i o n ) 、相位误差( p h a s ee r r o r ) 、频率精度 ( f r e q u e n c ya c c u r a c y ) 等参数【2 1 1 。对于接收机而言，灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 、动态 范围( d r ) 以及对各种干扰的抑制是主要设计指标。因此低噪声放大器必须由很 低的噪声系数( n f ) 、合适的增益( g a i n ) 、较高的三阶互调截点( o i p 3 ) 以及较 低的功耗( p o w e rd i s s i p a t i o n ) ；混频器应具有较高的三阶互调截点( o i p 3 ) 、较低 的插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 以及较低的噪声；频率合成器应具有较低的相位噪声 ( p h a s en o i s e ) 、快的切换速率( s w i t c h i n gr a t e ) ；滤波器的中心频率的热飘移要 小、频率响应误差要小。为了保护整个系统免受大功率输入信号的损害，应该引 入限幅电路( 1 i m i t e rc i r c u i t ) 模块。 基于对整个系统的要求以及对各种收发机的结构及其特性的分析，结合l t c c 的二次集成技术的特点将该l t c ct r 组件的系统结构确定如图3 5 所示。 1 6 基于l t c c 技术的k u 波段t r 组件设计研究 图3 5 收发机的整体结构 从系统框图中可以看到，接收支路高频载波信号经天线通过滤波器波段选择 后进入l n a 放大信号，再通过滤波器进行信道选择进入m i x e r 下变频至基带信号， 通过滤波器滤除各项杂波后进入a d c 做后续信号处理；发射支路则是将d a c 输 出的基带信号经m i x e r 上变频到微波射频频段，经过l n a 和p a 两级放大，经滤 波器选出信号频段后通过天线发射出去。d r i v e r 对l o 支路功率驱动以满足m i x e r 的功率要求，由于放大器的单向性使得本振、中频及射频之间具有更高的隔离度。 3 2 2t r 组件的整体设计指标 该t r 组件的关键设计参数、l t c c 基板参数以及选用h i t t i t e 公司的一系列芯 片的主要参数分别如表3 1 、表3 2 和表3 3 所示。 表3 1t 瓜组件关键支路参数 输入输出输入输出噪声带外 频率 频率 功率功率 增益 系数 抑制 接收 l5 5 g h z _ j ：0 8 g h z 士 1 0 d b m 2 5 d b 5 支路5 0 0 m h z5 0 0 m h z d b 发射 o 8 g h 灶 1 5 5 g h 灶 3 5 0 d b m 2 7 d b m 2 7 d b 支路 5 0 0 m h z5 0 0 m h z d b c 中频l o 频率：1 4 7 g h z 支路支路输出功率：1 9 d b m 表3 2l t c c - i - 艺技术参数 相对介电 损耗正切介质层金属最小最小线基板 常数( 曲 ( t a n s ) 厚度厚度 线宽 间距层数 5 9 0 0 0 28 4 5 u r n 1 2 u m1 0 0 u m1 0 0 u m1 5 层 第三章收发机方案 1 7 表3 3 选用h i t t i t e 公司有源芯片主要性能参数 g a i nn fp l d bo i p 3 c a t e g o r y m o d e lt y p e s i z e ( m m 3 ) ( d b )( d b )( d b m )( d b m ) l