CN103117754A - 多芯片集成e波段发射模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多芯片集成E波段发射模块，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置中频低通滤波电路、本振电路及上变频电路；中频输入端采用标准SMA接头，本振输入端为标准波导法兰结构，射频输出端为标准波导法兰结构。该模块中波导与微带电路之间的信号耦合通过过渡结构实现，低损耗基片电路及各功能砷化镓芯片通过金丝键合实现电气连接。本发明基于多芯片集成技术，具有结构紧凑、集成度高的特点；同时具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种多芯片集成E波段发射模块。
背景技术
微波是常见的无线通信技术，以其远距离、大容量、部署快捷、抗损强的特点被广泛应用于各类通信系统的中继和回传。持续的移动宽带的承载需求，常规6GHz～38GHz的微波频谱资源已经被迅速消耗殆尽，微波通信向更高频段扩展已成为必然趋势。E波段微波早在2001年和2003年被国际电联无线组织（ITU-R）所发布，主要包括60GHz和80GHz的高频段微波通信，60GHz免费频段较早为军方和行业客户使用，对运营商来说，80GHz微波频段将会是重要的无线传输手段。
E波段微波频段由71G～76G/81G～86G频谱资源构成的，既是目前民用微波通信领域发布的最高传送频段，也是迄今为止ITU-R一次性发放的频谱资源中波道间隔最大的一次。从图1可以看出，80GHz E波段频段拥有10GHz的收发间隔（TR间隔），以及总共5GHz的可调制带宽。按照1Hz传送1bit这样最基本的传送能力计算，5GHz的频带宽度使得G比特（Gbps）级高速率传输成为可能，这是以往常规低频段的微波无法实现的。
E波段具有更宽的可调制波道间隔，故E波段频段的微波通信系统天然具有传输G比特以上业务容量的能力。以欧洲电子通信委员会（ECC）对80GHz频段的定义为例，其建议的最小波道间隔为250MHz，整个5GHz的可用调制频段划被分成了19个子频段，传输业务时使用的波道间隔可以是1～4个250MHz子频段的组合，当最多4个250MHz子频段组合在一起时，可调波道间隔最大可以达到1GHz，采用一定的更高阶调制方式后，E波段微波可以实现1～5Gbps的高容量传输。
近年来，随着无线通信网络从GSM、UMTS发展到LTE，回传网络所需要的承载带宽需求大幅增长。对电信运营商而言，E波段微波的应用无疑拓宽了无线传输紧张的频率资源，特别是对于无线网络未来大量部署的LTE基站，E波段能以更宽的频谱资源满足其超大带宽的承载需求。目前，许多国家已经开放了E波段频段的使用限制，各国纷纷开始进行E波段微波用于无线下一代无线回传网络的研制及试验。目前应用面临的困难主要在于毫米波模块的集成度低，造成系统电路复杂，体积大，从而影响整体性能。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于多芯片集成技术的E波段发射模块，用做E波段信号发射前端。它是在一个模块中实现了E波段到X波段的上变频功能，能够克服现有技术中毫米波模块集成度低、系统电路复杂、体积大的不足。
技术方案：一种多芯片集成E波段发射模块，包括电路和外部封装盒体，外部封装盒体包括金属上基座和金属下基座；金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置SMA到微带过渡和中频低通滤波电路，简称为第一电路；本振电路，包括本振放大芯片、微带耦合传输线、微带波导过渡结构、键合金丝及直流偏置电路；上变频电路，包括微带波导过渡结构、驱动放大芯片、上混频芯片、键合金丝及直流偏置电路；第一电路的输出端分别连接本振电路的输入端和上变频电路的输入端；基片上各电路与各功能芯片通过键合金丝实现电气连接；
金属下基座底部腔体内设有直流电源电路板，直流电源电路与第一直流偏置电路和第二直流偏置电路分别通过直流绝缘子相连；直流电源电路和第三直流偏置电路通过直流绝缘子相连。
金属上基座和金属下基座组成的腔体侧面分别设置标准SMA接头的中频输入端、标准波导法兰结构的本振输入端以及标准波导法兰结构的射频输出端。
金属上基座和金属下基座由铜、铝或其他金属材料制成，且先由精密机床做精密数控铣，然后在表面镀金或银；两者通过定位销连接。
第一电路为SMA到微带过渡和中频低通滤波电路，通频带DC～18 GHz。
本振电路本振放大芯片本体的输入端和输出端分别通过键合金丝与微带耦合传输线和波导微带过渡实现电气连接；
本振放大芯片本体一侧的直流端由键合金丝分别与第一芯片电容和第二芯片电容实现电气连接，上述芯片电容由键合金丝分别与第二直流偏置电路实现电气连接，第二直流偏置电路由键合金丝与直流绝缘子实现电气连接；放大芯片本体另一侧与第一直流偏置电路的电气连接情况与上述连接方式相同。
上变频电路中的上混频芯片的本振输入端通过键合金丝与微带耦合传输线实现电气连接；上混频芯片本体的射频输出端通过键合金丝与驱动放大芯片实现电气连接；上混频芯片本体的中频输入端通过键合金丝与中频低通滤波电路实现电气连接；驱动放大芯片本体的输入端和输出端分别通过键合金丝与微带耦合传输线和微带波导过渡实现电气连接；
驱动放大芯片本体一侧的直流端由键合金丝分别与第一芯片电容和第二芯片电容实现电气连接，上述芯片电容由键合金丝与第三直流偏置电路实现电气连接，第三直流偏置电路由键合金丝与直流绝缘子实现电气连接；驱动放大芯片本体另一侧与第四直流偏置电路的电气连接情况与上述连接方式相同。
微带波导过渡结构包括扇形探针和输出波导结构，输出波导结构包括降高波导和标准波导，该微带波导过渡结构具有宽带特性，覆盖70GHz～90GHz频率范围。
低通滤波电路、微带耦合传输线和微带波导过渡结构的厚度为127～254μm，所用材料是复合介质基片、陶瓷基片或石英基片。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明基于多芯片技术，具有结构紧凑、集成度高的特点，输入端采用标准SMA接头，输出端采用标准法兰盘，易于外接各类测试线缆及测试设备。所采用的混频发射功能分别由上混频芯片、驱动放大芯片和波导过渡实现，具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点。本发明具有端口性能好的特点，在进行输出电路设计时，综合考虑端口匹配与其它电路结构的协同设计，明显减弱了端口驻波，端口性能大幅提高。
附图说明
图1为现有技术中ITU-R建议的微波通信频段示意图；
图2为本发明实施例的第一种放置状态三维结构示意图；
图3为本发明实施例的第二种放置状态三维结构示意图；
图4为本发明实施例的金属下基座的俯视图；
图5为本发明实施例的金属下基座的仰视图；
图6为本发明实施例的本振电路结构示意图；
图7为本发明实施例的上变频电路上混频芯片结构示意图；
图8为本发明实施例的上变频电路驱动放大芯片结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图2、图3、图4和图5所示，本实施例包括金属上基座61和金属下基座62，金属上基座61和金属下基座62形成的腔体内分别设置SMA到微带过渡1和中频低通滤波电路2，简称第一电路；本振电路，包括本振放大芯片4、微带波导过渡结构42、微带耦合传输线41、键合金丝及第一直流偏置电路71和第二直流偏置电路72；上变频电路，包括微带波导过渡结构42、驱动放大芯片5、上混频芯片3及键合金丝及第三直流偏置电路73和第四直流偏置电路74。模块中频端口为标准SMA接头65，射频及本振端口为标准波导法兰结构63和64，第一电路的输出端连接本振电路的输入端和上变频电路的输入端；基片上电路与各功能毫米波砷化镓芯片通过金丝键合实现电气连接。
金属下基座62底部腔体8内设有直流电源电路板81，直流电源电路81和第一直流偏置电路71和第二直流偏置电路72分别通过直流绝缘子494相连；直流电源电路81和第三直流偏置电路73通过直流绝缘子494相连。金属上基座61和金属下基座62通过第一定位销91和第二定位销92连接。
本实施例中，金属上基座61和金属下基座62，是通过精密数控铣(CNC Milling，ComputerizedNumericalControl Milling)的方式得到。金属上基座61和金属下基座62由铜制成，其他实施例中可以选择铝或其他金属材料，先由精密机床做精密数控铣，然后表面镀金或银得到。
如图6所示，本实施例本振电路包括本振放大芯片本体4，波导微带过渡结构42及微带耦合传输线41。本振放大芯片4的输入端和输出端分别通过键合金丝43与微带耦合传输线41和波导微带过渡42实现电气连接；本振放大芯片本体4一侧的直流端由键合金丝43分别与第一芯片电容47和第二芯片电容48实现电气连接，上述芯片电容由键合金丝43分别与第二直流偏置电路72实现电气连接，第二直流偏置电路72由键合金丝43与直流绝缘子494实现电气连接；放大芯片本体4另一侧与第一直流偏置电路71的电气连接情况与上述连接方式相同。直流绝缘子494与金属下基座62底部腔体8内直流电源板81相连。
如图7及图8所示，本实施例上变频电路结构，主要包括上混频芯片3、驱动放大芯片5及微带波导过渡42。上混频芯片3的本振输入端通过键合金丝43与微带耦合传输线41实现电气连接；上混频芯片3的射频输出端通过键合金丝43与微带耦合传输线41实现电气连接；上混频芯片3的中频输入端通过键合金丝43与中频低通滤波电路2实现电气连接；驱动放大芯片本体5的输入端和输出端分别通过键合金丝43与微带耦合传输线41和微带波导过渡42实现电气连接；
驱动放大芯片5一侧的直流端由键合金丝43与第一芯片电容47和第二芯片电容48实现电气连接，上述芯片电容由键合金丝43与第三直流偏置电路73实现电气连接，第三直流偏置电路73由键合金丝43与直流绝缘子494实现电气连接；驱动放大芯片5另一侧与第四直流偏置电路74的电气连接情况与上述连接方式相同。直流绝缘子494与金属下基座62底部腔体8内直流电源板81相连。
本实施例中，低通滤波电路2、微带耦合传输线41及微带波导过渡42的制作工艺选用蚀刻方式在厚度为127～254μm的低耗介质材料上制成，后经表面镀金、打孔、冲模等工序得到。本实施例的上混频芯片3、驱动放大芯片5及本振放大芯片本体4为砷化镓芯片，根据应用也可采用氮化镓、磷化铟芯片或硅基芯片，可根据具体指标要求，优选出合适类型芯片，从而实现更好的发射性能。
该实施例的电气特征为：输入射频信号频率范围70GHz～80GHz，中频输出频率范围0GHz～10GHz，输入本振信号功率0dBm；
该实施例的另一种电气特征为：输入射频信号频率范围80GHz～90GHz，中频输出频率范围0GHz～10GHz，输入本振信号功率0dBm。
作为优选，整个模块所需电源电压小于5V，电源电流小于200mA。
Claims (9)
1.一种多芯片集成E波段发射模块，包括外部封装盒体，外部封装盒体包括金属上基座（61）和金属下基座（62）；其特征在于，
金属上基座（61）和金属下基座（62）形成的腔体内设置有电路，所述电路包括SMA到微带过渡（1）和中频低通滤波电路（2）、本振电路以及上变频电路；其中将SMA到微带过渡（1）和中频低通滤波电路（2）简称为第一电路；
所述本振电路包括本振放大芯片（4）、微带耦合传输线（41）、微带波导过渡结构（42）、键合金丝及第一直流偏置电路（71）和第二直流偏置电路（72）；所述上变频电路包括微带波导过渡结构（42）、驱动放大芯片（5）、上混频芯片（3）、键合金丝及第三直流偏置电路（73）和第四直流偏置电路（74）；所述第一电路的输出端分别连接本振电路的输入端和上变频电路的输入端；
所述金属下基座（62）底部腔体（8）内设有直流电源电路板（81），所述直流电源电路（81）与第一直流偏置电路（71）和第二直流偏置电路（72）分别通过直流绝缘子相连；直流电源电路（81）和第三直流偏置电路（73）通过直流绝缘子相连。
2.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述金属上基座（61）和金属下基座（62）组成的腔体侧面分别设置标准SMA接头（65）的中频输入端、标准波导法兰结构（63）的本振输入端以及标准波导法兰结构（64）的射频输出端。
3.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述金属上基座（61）和金属下基座（62）通过第一定位销（91）和第二定位销（92）连接。
4.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述金属上基座（61）和金属下基座（62）由铜或铝制成，且先由精密机床做精密数控铣，然后在表面镀金或银。
5.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述第一电路为SMA到微带过渡（1）和中频低通滤波电路（2），通频带DC～18 GHz。
6.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述本振电路的本振放大芯片本体（4）的输入端和输出端分别通过键合金丝与微带耦合传输线（41）和波导微带过渡结构（42）实现电气连接；
所述本振放大芯片本体（4）一侧的直流端由键合金丝分别与第一芯片电容（47）和第二芯片电容（48）实现电气连接，第一芯片电容（47）和第二芯片电容（48）由键合金丝分别与第二直流偏置电路（72）实现电气连接，第二直流偏置电路（72）由键合金丝与直流绝缘子实现电气连接；所述放大芯片本体（4）另一侧与第一直流偏置电路（71）的电气连接情况与上述连接方式相同。
7.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述上变频电路中的上混频芯片（3）的本振输入端通过键合金丝与微带耦合传输线（41）实现电气连接；
所述上混频芯片（3）的射频输出端通过键合金丝与驱动放大芯片（5）实现电气连接；所述上混频芯片（3）的中频输入端通过键合金丝与中频低通滤波电路（2）实现电气连接；
所述驱动放大芯片（5）的输入端和输出端分别通过键合金丝与微带耦合传输线（41）和微带波导过渡（42）实现电气连接；
所述驱动放大芯片（5）一侧的直流端由键合金丝分别与第一芯片电容（47）和第二芯片电容（48）实现电气连接，第一芯片电容（47）和第二芯片电容（48）由键合金丝与第三直流偏置电路（73）实现电气连接，第三直流偏置电路（73）由键合金丝与直流绝缘子实现电气连接；所述驱动放大芯片（5）另一侧与第四直流偏置电路（74）的电气连接情况与上述连接方式相同。
8.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述微带波导过渡结构包括扇形探针和输出波导结构，所述微带波导过渡结构具有宽带特性，覆盖70GHz～90GHz频率范围。
9.根据权利要求1所述的多芯片集成E波段发射模块，其特征在于：所述低通滤波电路（2）、微带耦合传输线（41）和微带波导过渡结构（42）的厚度为127～254μm，所用材料是复合介质基片、陶瓷基片或石英基片。
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