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1、X波段双通道T/R组件的LTCC基板电路的设计作者：王周海,李雁,王小陆,郑林华发表时间：2011-09-1816:12:09关键词：双通道T/R组件;低温共烧陶瓷基板1引言现代有源相控阵雷达的快速发展对T/R组件的电性能、体积、重量等提出了高要求,尤其是机载、星载雷达中的T/R组件,其体积、重量更受到严格的限制。目前国内外普遍采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术来研制体积小、重量轻、可靠性高、幅相一致性好的高密度T/R组件[1,2,3,4]。LTCC多层陶瓷基板与其他多层基板相比,具有很多优点[5]。随着雷达技战术指标和元器件集成度的不断提高,LTCC的优点在T/R组件的设计中得到了
2、具体体现[1]。本文用Ferro公司的A6材料设计并制作了基于LTCC多层基板的X波段多芯片双通道T/R组件。与单通道T/R组件相比,双通道T/R组件的结构更加紧凑,而且易于实现双极化、双发双收的多功能型T/R组件。但是,由于集成了更多的微波电路、逻辑控制电路和电源电路,其电磁干扰问题也更加突出。本文通过对LTCC多层基板电路的优化布局和微波电路的优化设计,设计了12层LTCC基板电路,成功地实现了收发双通道T/R组件。2LTCC多层基板的电路设计2.1双通道T/R组件的基本构成双通道T/R组件由2个独立的收发通道组成(见图1),每个收发通道包括微波器件、驱动控制芯片、电源等功能模
3、块。微波器件采用GaAsMMIC电路,包括驱动放大、末级放大、移相器、衰减器、限幅器和场放、收发开关等,环形器采用drop-in形式。驱动控制芯片是用于控制移相器、开关和衰减器的专用集成电路芯片。所有微波器件、控制驱动电路、电源电路均制作在同一块LTCC基板上,实现组件的收发功能。因此,LTCC多层基板是双通道T/R组件中用来集成各个功能模块的载体。图1X波段双通道T/R组件的组成框图在LTCC多层基板电路中,既要传输微波信号,又要传输逻辑控制信号和电源信号。其中,微波信号包括小功率信号和发射时末级高放产生的大功率信号;逻辑控制信号与采用的微波受控器件有关,控制线有52根;电源信号
4、品种较多,本组件采用了5种电源,包括直流电源和高峰值功率的脉冲电源。如此多的信号在同一块基板中传输,如果基板设计不当就会在电路间产生互耦、串扰、辐射等,导致组件内部产生严重的电磁干扰,而这些干扰又极易引起功放和场放的自激。因此,在设计基板电路时应重点考虑电磁兼容问题。2.2LTCC基板的电路布局在进行电路布局之前,应充分了解LTCC基板的基本设计规范[6]、基板的收缩率、加工尺寸、金属导带处理以及板上的开孔工艺、孔边缘的毛糙度等工艺要求。LTCC基板电路包括射频电路和低频电路。射频电路是组件内部各微波器件间信号连接的纽带,进行电路布局时应根据各功能模块的大小、电特性以及受控情况,确
5、定其在基板上的合理位置。布局中需要考虑以下几点:(1)末级功放应尽量靠近输出端口,以减小不必要的传输损耗和对前级电路的干扰;(2)接收场放应尽量远离末级功放,以实现收发之间最大限度的物理隔离;(3)应同时兼顾电源和控制电路的布局,设计合适的压接焊盘位置,不要离芯片太远。功放电源的焊盘不要太大,以免引入大的寄生电抗;(4)应保证大面积微波接地,接地效果与大地的等效性要好;(5)在走线中应尽量减少微波传输线的不连续性,线宽不要突变,导线不要突然拐弯。低频电路包括数字控制电路和电源电路。在LTCC基板中,对低频电路的设计要求和规范与PCB板基本相同,主要应解决好电磁兼容问题[7]。在元件
6、摆放和布线过程中,需要考虑以下几个方面:(1)高速逻辑电路和脉冲电源的使用,使多层板中存在高频分量。为了减小高频电流的分布,设计中应尽量采用低阻抗的高频电流返回线路,以减少高频电流在板中的传播。对于大功率脉冲电源,应采取局部屏蔽措施;(2)高频元件的布局应遵循电流环路面积最小化原则,以尽可能减小共模辐射;(3)应设置合适的接地点,以使电路的环路电流、接地阻抗和转移阻抗最小;(4)应进行合理的分层设计(如图2),使电源、时钟、控制信号之间的干扰最小;(5)应在功放电源的输入口设计滤波电路,尤其是要进行高频滤波。实际设计的LTCC基板共12层,表层为微带线电路,在第4层的背面或第5层的
7、表面设置大面积地,作为微波电路的地。第5层以下7层为控制信号、电源和地的布线,层间用金属填充孔实现信号之间的互连。图2即为LTCC基板的布局示意。图2LTCC基板的分层布局2.3LTCC基板中微波电路的设计微波电路的特性与传输介质的特性密切相关,在已知微波器件的S参数和LTCC基板的物理参数的情况下,可以通过高频仿真软件进行电路的优化设计。T/R组件中用到的微波电路主要有微带电路和带状线电路两种。带状线的上下底面为接地面,故有利于电磁兼容性设计,但馈电困难;微带线位于
