CN102200574A

CN102200574A - 高性能低成本小型化ltcc收发组件

Info

Publication number: CN102200574A
Application number: CN2010101320649A
Authority: CN
Inventors: 费元春; 纪建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-09-28

Abstract

本发明涉及一种微波毫米波收发组件装置，由发射支路、接收支路及微带线、芯片馈电网络、控制网络、输入输出接口、金属盒体构成；各功能电路模块集成在LTCC(低温共烧陶瓷)多层介质基片中共同组成小型化的微波三维立体结构。带通滤波器、低通滤波器和微带线、馈电网络、控制网络、输入输出接口由不同形状金属导带印刷在不同层LTCC基片构成；除环行器、带通滤波器、低通滤波器外的功能模块由MMIC芯片电路实现。MMIC芯片馈电网络的近端由馈线焊盘和网格状金属导带组成，金属导带将馈线焊盘中心围绕成闭合结构。三维立体结构至少包含三层地平面，三层地平面通过金属化通孔短路连接。本发明装置具有高性能、低成本、小型化的优点。

Description

高性能低成本小型化LTCC收发组件

技术领域

本发明涉及一种高性能低成本的微波毫米波收发组件，特别是由LTCC(低温共烧陶瓷)多层介质基片集成的收发组件。本发明属于微封装技术领域。

背景技术

收发组件是雷达的重要组成部分之一。现代有源相控阵雷达的快速发展对收发组件提出了更高的要求，如何研制高性能、低成本、小型化的收发组件是关键。在微波、毫米波频段，天线单元间的间距非常小，这使得收发组件的电路模块在二维尺寸下难以容纳，收发组件的三维封装无疑是今后的发展方向。目前可行的三维封装技术包括多层薄膜技术、HTCC(高温共烧陶瓷)技术和LTCC技术。薄膜技术的优点是线条精度高，采用Cu、Au等电阻率低的材料作导带，微波损耗小；其缺点是耐功率不足、多层成本高；HTCC的优点是热导率高、成方低，缺点是由于采用的电阻率高的Mo、W等浆料制作导带，微波损耗较大，不适合用于微波毫米波场合；而LTCC成本较低，且具有可靠性高、低损耗、低介电常数和低膨胀系数的优点，尤其是LTCC多层介质基片既可集成有源器件，又可在表面和内部埋置无源器件，使得收发组件的尺寸大大减小。LTCC作为一种有潜力的收发组件三维封装技术，引起了国内外机构对其研究的热潮。1998年，欧盟开始了RAMP计划来研究LTCC的频率和功率特性，建立一个频率高达40GHz的基于LTCC技术的新型系统集成平台。2000年德国教育研究部和德国航天局联合发起的EASTON项目进行了各种LTCC商用基板的测试，比较40GHz以下各类基板的特性。2005年在意大利芬梅卡尼卡集团的框架下，SELEX-SI和Alenia Spazio公司共同研制了C波段和X波段的收发组件。国内基于LTCC技术收发组件的研究才刚刚起步，且Ku波段及其以上微波毫米波段的收发组件尚未见成功的设计。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种LTCC收发组件装置，它以高性能、低成本、小型化的优点展现一种高集成度的微波毫米波收发组件。

本发明公开一种微波毫米波收发组件装置，由发射支路、接收支路及微带线(5)、芯片馈电网络(3)、控制网络(4)、输入输出接口和金属盒体构成；发射支路属于射频部分，由功率放大器(PA)、移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)、环行器(CL)功能电路模块构成；接收支路包含射频、中频两部分。射频部分由低噪声放大器(PA)、带通滤波器(BPF)、移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)、环行器(CL)功能电路模块构成，中频部分由混频器(MX)、低通滤波器(LPF)功能电路模块构成；发射和接收支路共用移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)和环行器(CL)。

功能电路模块集成在LTCC(低温共烧陶瓷)多层介质基片中共同组成小型化的微波三维立体结构。三维立体结构的特征是由LTCC介质基片与金属导带交替构成，三维结构的最上层和最底层为金属导带，其边缘紧密靠近金属盒体。

LTCC介质基片总厚度(h₂)由装置的复杂性、机械结构的稳定性和强度决定。带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)和微带线(5)、芯片馈电网络(3)、控制网络(4)、输入输出接口由不同形状的金属导带印刷在不同层的LTCC介质基片构成。带通滤波器(BPF)分布在L04，低通滤波器(LPF)分布在L11，芯片馈电网络(3)分布在L07，控制网络(4)分布在L02；除环行器(CL)、带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)外的功能电路模块由MMIC芯片(10)平面电路实现。

环行器(CL)和各MMIC芯片(10)嵌入在LTCC介质基片的空腔(2)中。空腔(2)由一定层数的介质基片构成，其形状为长方体，在长方体的基础将其上表面四个顶点修改为扩充的圆弧(20)形式。环行器嵌入的空腔深度与介质基片总厚度(h₂)相等，其它MMIC芯片(10)嵌入的空腔深度(h₁)小于介质基片总厚度(h₂)，其空腔深度(h₁)由微带线(5)的特征阻抗和LTCC基片的介电常数决定。

MMIC芯片馈电网络(3)的近端由馈线焊盘(30)和围绕焊盘的网格状金属导带(32)组成。金属导带(32)将馈线焊盘(30)中心围绕成闭合的结构，馈线焊盘(30)不直接接触MMIC芯片(10)的空腔(2)边缘。馈线焊盘(30)的输入端由馈电金属化通孔(31)连接到远端的电源接口，馈线焊盘(30)的输出端由金丝在空气中形成弧线跳线和MMIC芯片(10)的片上馈电焊盘(11)连接。

三维立体结构至少包含三层地平面，第一层地平面(GND1)是局部地平面，分布在L11层，由网格状的金属导带构成，其作用是电磁屏蔽。金属导带(32)即为第一层地平面(GND1)的一部分。第二、三层地平面(GND2、GND3)由网格状的金属导带和长方形的实心金属导带混合构成，实心金属导带位于MMIC芯片(10)正下方和重要微带线(5)下方。其中第二层地平面(GND2)是微波地，分布在L08层，第三层地平面(GND3)是最底层地，分布在L00层。第二层地平面(GND2)连接MMIC芯片(10)背面金属地和第三层地平面(GND3)。第三层地平面(GND3)连接三维结构的底面和金属盒体。三层以上的地平面位于第二、三层地平面(GND2、GND3)之间。第一、二层地平面(GND1、GND2)通过金属化通孔(60)短路连接，第二、三层地平面(GND2、GND3)通过金属化通孔(61)短路连接。收发组件通过多排金属化通孔(60，61)构成的屏蔽层实现收发隔离。

与其它现行收发组件相比，本发明具有如下优点：

1)高性能：一是功能电路模块之间的互连采用垂直金属化通孔(31，40)，减小了封装、互连所带来的寄生效应；二是由于空腔顶点扩充圆弧(20)的形式，空腔边缘与MMIC芯片距离(21，22)很小，减小了金丝的长度，降低了对MMIC芯片(10)性能的影响；三是MMIC芯片馈电网络(3)极大地抑制了数字、控制电路对电源供电的影响，增强了电源和MMIC芯片的隔离，提高了收发组件装置的电磁兼容性；四是三层地平面间金属化短路通孔(60，61)的使用很好地抑制了多层地平面间的平板波导模式的产生，保证收发组件高稳定的工作。

2)低成本：一是体现在收发支路间移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)和环行器(CL)的共用，极大地减小了收发组件中昂贵的功能电路的数量，降低了收发组件的成本；二是收发组件中无源器件与有源器件相比虽然成本低，但是无源器件的数量多，组装费用占系统成本比例较大。LTCC可以在其内部埋置无源器件，并且一体化共烧了带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)，减少了收发组件中装配的工序和时间，很好地减少了组装成本。

3)小型化：一是在LTCC三维结构中，在不同介质层上的金属导带都可制作无源电路模块的图形，比如带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)的实现；二是由于金属通孔(31，40)的使用，信号走线、焊盘、管脚等的间距和尺寸极大的减小；三是MMIC芯片(10)的尺寸很小，使得收发组件可以高密度的集成各种功能电路模块。以上三个原因最终形成收发组件装置的小型化。

附图说明

图1高性能低成本小型化LTCC收发组件整体框图，其中PA——功率放大器，PS——移相器，ATT——衰减器，SW——开关，CL——环行器，LNA——低噪声放大器，MX——混频器，BPF——带通滤波器，LPF——低通滤波器；

图2收发组件的剖面图，其中10——MMIC芯片，12——钼铜载体，22——空腔(2)边缘与MMIC芯片(10)的横向距离，30——馈线焊盘，31——馈电金属化通孔，4——控制网络，40——控制网络金属化通孔，5——微带，60——连接GND1和GND2的金属化通孔，61——连接GND2和GND3的金属化通孔，h₁——空腔深度，h₂——介质基片总厚度，L00——最底层金属导带，L11——表层金属导带，L01～L10——中间层金属导带；

图3单个典型MMIC芯片在LTCC中集成的局部俯视图，其中11——芯片的片上馈电焊盘，20——扩展的圆弧，21——空腔(2)边缘与MMIC芯片(10)的纵向距离，3——芯片馈电网络，32——网格状金属导带；

图4单个典型MMIC芯片在LTCC中集成的局部仰视图，其中a₁——金属化通孔(60)的横向间距，b₁——金属化通孔(60)的纵向间距，a₂——金属化通孔(61)的横向间距，b₂——金属化通孔(61)的纵向间距。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实例：Ku波段LTCC收发组件

图1是高性能低成本小型化LTCC收发组件整体框图。收发组件由两大部分组成，虚线左边是收发组件的射频部分，虚线右边是接收支路的中频部分，共包含13个功能电路模块。收发信号的传输方向为：发射信号从开关2(SW2)进入发射支路，经过移相器(PS)、衰减器(ATT)和开关3(SW3)到达功率放大器(PA)，信号被放大到一定功率后，进入环行器(CL)并输出到天线接口；回波信号从天线进来，经过环行器(CL)进入接收支路，信号沿着低噪声放大器1(LNA1)、开关1(SW1)、低噪声放大器2(LNA2)、带通滤波器(BPF)、开关2(SW2)、移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关3(SW3)和低噪声放大器3(LNA3)进入中频部分，中频部分包括下变频混频器(MX)和低通滤波器(LPF)，经过滤波的信号宽频输出。在图1中，收发支路共用的模块为开关2(SW2)、移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关3(SW3)和环行器(CL)。发射和接收支路分时工作，由环行器(CL)和开关1、开关2、开关3(SW1、SW2、SW3)来进行信号传输方向的控制。

构成收发组件的LTCC多层介质基片选用Ferro A6M生瓷材料，相对介电常数5.9，烧结后的基片厚度为0.096mm。考虑到基板的机械强度和系统的指标需求，LTCC介质基片层数选择11层，总厚度为1.056mm。

图2是收发组件的剖面图。左侧标识了不同层金属导带的名字，从下往上数，分别为L00到L11，L00是最底层，连接金属盒体，L11是LTCC表层，金属导带的层与层之间即为LTCC介质基片。环行器(CL)采用的是微带接头的drop-in形式，带通滤波器(BPF)采用平行耦合形式，由L04的金属导带实现，低通滤波器(LPF)采用高低阻抗线形式，与微带线一样都由L11的金属导带构成，芯片馈电网络(3)和控制网络(4)分别由L07和L02的金属导带构成。

除环行器(CL)、带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)外的功能电路模块由MMIC芯片(10)平面电路实现，MMIC芯片(10)采用Triquint、Avago、Mimix公司的Ku波段相关产品。收发组件共用了十个MMIC芯片(10)，以其中一个典型的MMIC芯片在LTCC集成为例，来解释其具体设计。图3是收发组件中单个典型MMIC芯片(10)在LTCC中集成的局部俯视图。环行器(CL)和各MMIC芯片(10)嵌入在LTCC介质基片的空腔(2)中。空腔(2)的形状为长方体，其上表面四个顶点采用扩充的圆弧方式(20)可以减小空腔(2)边缘与MMIC芯片(10)的距离，横向距离(22)最小取0.05mm，纵向距离(21)最小取0.075mm。环行器嵌入的空腔(10)深度为11层。50欧姆微带线的宽度大约为0.43mm对收发组件布线有利，根据5.9的相对介电常数和每层介质基片0.096mm的厚度，因此MMIC芯片(10)嵌入的空腔深度(h₁)为3层介质基片。MMIC芯片焊接在0.2mm的钼铜载体(12)上，使得其表面与L11一致。

三维立体结构至少包含三层地平面(GND1、GND2、GND3)，GND1是第一层地平面，位于L11层，GND2是第二层地平面，位于L08层，GND3是第三层地平面，位于L00层。第一、二层地平面(GND1、GND2)通过金属化通孔(60)短路连接，第二、三层地平面(GND2、GND3)通过金属化通孔(61)短路连接。收发组件通过多排金属化通孔(60，61)构成的屏蔽层实现收发隔离。

图4是单个典型MMIC芯片在LTCC中集成的局部仰视图，其中金属化通孔短路(60)分布在MMIC芯片(10)的正下方，金属化通孔短路(61)分布在MMIC芯片(10)和微带线(5)四周。金属化通孔短路(60，61)的直径为0.2mm，金属化通孔短路(60)之间的横向、纵向间距(a₁，b₁)都为0.5mm，金属化通孔短路(61)之间的横向、纵向间距(a₂，b₂)至少小于0.7mm(接近波长的三十分之一)。这样的间距很好地抑制了多层地平面间的平板波导模式，使Ku波段收发组件的无源结构(不供电时)的输入输出隔离度大于40dB。

经过以上设计，收发组件LTCC基片的尺寸为44mm×22mm×1.056mm，装配之后的收发组件装置尺寸为51mm×29mm×15mm。在15～17GHz的宽频带Ku波段，发射支路的功率大于500mW，接收支路的增益大于35dB，噪声系数小于3.5dB。发射与接收支路间具有25dB以上的隔离度(供电时)。

Claims

1.一种高性能低成本的微波毫米波收发组件装置，其特征在于：

(1)所述装置由发射支路、接收支路及微带线(5)、芯片馈电网络(3)、控制网络(4)、输入输出接口和金属盒体构成；

(2)发射支路属于射频部分，由功率放大器(PA)、移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)、环行器(CL)功能电路模块构成；接收支路包含射频、中频两部分。射频部分由低噪声放大器(PA)、带通滤波器(BPF)、移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)、环行器(CL)功能电路模块构成，中频部分由混频器(MX)、低通滤波器(LPF)功能电路模块构成；发射和接收支路共用移相器(PS)、衰减器(ATT)、开关(SW)和环行器(CL)。

2.权利要求1中的所述功能电路模块集成在LTCC(低温共烧陶瓷)多层介质基片中共同组成小型化的微波三维立体结构。三维立体结构的特征是由LTCC介质基片与金属导带交替构成，三维结构的最上层和最底层为金属导带，其边缘紧密靠近金属盒体。

3.LTCC介质基片总厚度(h₂)由装置的复杂性、机械结构的稳定性和强度决定。权利要求1中的带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)和微带线(5)、芯片馈电网络(3)、控制网络(4)、输入输出接口由不同形状的金属导带印刷在不同层的LTCC介质基片构成。带通滤波器(BPF)分布在L04，低通滤波器(LPF)分布在L11，芯片馈电网络(3)分布在L07，控制网络(4)分布在L02；除环行器(CL)、带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)外的功能电路模块由MMIC芯片(10)平面电路实现。

4.环行器(CL)和各MMIC芯片(10)嵌入在LTCC介质基片的空腔(2)中。空腔(2)由一定层数的介质基片构成，其特征是：空腔(2)的形状为长方体，在长方体的基础将其上表面四个顶点修改为扩充的圆弧(20)形式。环行器嵌入的空腔深度与介质基片总厚度(h₂)相等，其它MMIC芯片(10)嵌入的空腔深度(h₁)小于介质基片总厚度(h₂)，其空腔深度(h₁)由微带线(5)的特征阻抗和LTCC基片的介电常数决定。

5.权利要求3中所述的MMIC芯片馈电网络(3)的近端由馈线焊盘(30)和围绕焊盘的网格状金属导带(32)组成，其特征是：金属导带(32)将馈线焊盘(30)中心围绕成闭合的结构，馈线焊盘(30)不直接接触MMIC芯片(10)的空腔(2)边缘。馈线焊盘(30)的输入端由馈电金属化通孔(31)连接到远端的电源接口，馈线焊盘(30)的输出端由金丝在空气中形成弧线跳线和MMIC芯片(10)的片上馈电焊盘(11)连接。

6.权利要求2中所述的三维立体结构至少包含三层地平面，第一层地平面(GND1)是局部地平面，其特征是：分布在L11层，由网格状的金属导带构成，其作用是电磁屏蔽。权利要求5中所述的金属导带(32)即为第一层地平面(GND1)的一部分。第二、三层地平面(GND2、GND3)由网格状的金属导带和长方形的实心金属导带混合构成，实心金属导带位于芯片正下方和重要微带线下方。其中第二层地平面(GND2)是微波地，分布在L08层，第三层地平面(GND3)是最底层地，分布在L00层。第二层地平面(GND2)连接MMIC芯片(10)背面金属地和第三层地平面(GND3)。第三层地平面(GND3)连接三维结构的底面和金属盒体。三层以上的地平面位于第二、三层地平面(GND2、GND3)之间。第一、二层地平面(GND1、GND2)通过金属化通孔(60)短路连接，第二、三层地平面(GND2、GND3)通过金属化通孔(61)短路连接。收发组件通过多排金属化通孔(60，61)构成的屏蔽层实现收发隔离。