CN105245270A - 一种小型化星载8mm频段发射通道 - Google Patents

Abstract

一种小型化星载8mm频段发射通道，采用基于MCM(多芯片集成)技术的射频通道，将多芯片集成在一个模块内，射频通道在模块正反面立体布局，通过射频绝缘子垂直互联技术连接正反面的射频电路以获得较小的产品体积，提出的功放芯片装配工艺，消除了功放管壳与机壳间的接触热阻，减少了由此带来的功放芯片散热问题，提出的新型微波模块材料解决星载高可靠模块封装问题，适用于批量生产，具有广阔的应用前景。

Description

一种小型化星载8mm频段发射通道

技术领域

本发明涉及一种发射通道，特别是一种小型化星载8mm频段发射通道，属于微波电路技术领域。

背景技术

星载8mm频段发射通道主要功能是将输入的S频段中频信号通过谐波混频上变频至8mm频段，并经过滤波，驱动放大以及功率放大后输出至天线。目前，国内有部分单位完成了小型化发射通道研制，但仅局限于地面应用。星载应用没有相关研制记录及报道。国外从公开渠道了解有两家公司具有星载研制应用记录和成品，分别是德国的RPG公司和日本的NTS公司。

8mm发射通道主要由中频电路、本振放大电路、混频滤波电路和射频放大电路组成。为满足小型化需求，在设计中所有放大器、混频器、衰减器等全部采用MMIC芯片，同时滤波电路采用MEMS芯片。由于在8mm频段砷化镓芯片的功率放大器的工作效率较低(小于20％)，而为满足输出功率要求，需要较大的直流功耗，因此在工作过程中功放芯片会产生大量热耗。同时由于产品为星载应用，需满足MMIC芯片气密性封装。因此设计的核心问题是：1)解决小型化结构与热耗散的矛盾；2)小型化结构、发射通道散热、材料工艺与星载高可靠应用的矛盾。

在公开刊物及公开渠道上了解到的小型化星载发射机设计方法的主要有：

比如RPG公司的上变频发射通道是将整个射频面布局在一个平面内，上变频发射通道混频滤波完成后仅进行二级放大至15dBm输出。与本专利方法相比，具有如下不同点：1)由于该单机射频面在一个平面内，而本方法将射频面通过射频绝缘子垂直互联，二者布局实现方法不同；2)该单机输出功率仅为15dBm，而本专利设计单机输出功率大于33dBm，二者不仅滤波后高频端增益差距较大，同时发射通道热耗差异很大，本单机设计难度远大于该单机；3)RPG公司采用微带线耦合波导腔输出，而本发射通道采用微带-探针-波导腔的输出结构。由于输出差异，RPG公司的单机无法完成模块腔体气密性封装，星载应用可靠性低于本单机提出方法。综上所述，RPG公司的小型化上变频通道与本专利方法有本质上不同。

比如NTS公司的小型化上变频发射通道是将几个功能芯片封装在一个单独的小模块内，该模块通过射频绝缘子垂直互联完成输入输出。存在如下区别：1)该单机单独的微波模块封装后通过螺钉固定在机壳上。而本方法直接将芯片装配在机壳上，不存在微波模块与机壳间装配工艺，不仅避免了由于模块装配不良造成的性能下降因素，同时消除了微波模块与机壳间接触热阻；2)该发射通道微波模块为实现气密性封装采用可伐材料，机壳采用铝合金材料，发射通道较重。而本专利方法由于要同时实现气密性封装与高效散热、轻量化的要求，采用了硅铝合金材料，二者的使用材料与实现工艺完全不同。综上，NTS公司的上变频通道与本专利方法有本质不同。

东南大学申报的专利《多芯片集成E波段发射模块》，专利号CN201310035066.X，公开了一种多芯片集成的工作在E频段的发射电路，包括：中频滤波低通电路、本振电路及上变频电路。该发明的基于MCM技术的模块电路具有结构紧凑、集成度高的特点，但是它输出功率很小且采用微带线耦合波导腔输出。该电路不存在发射通道散热处理，同时由于该方法不能完成气密性封装，因此不能完成星载高可靠应用。上述专利与本专利有本质上的不同。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种小型化星载8mm频段发射通道，采用基于MCM(多芯片集成)技术的射频通道，将多芯片集成在一个模块内，射频通道在模块正反面立体布局，通过射频绝缘子垂直互联技术连接正反面的射频电路以获得较小的产品体积，提出的功放芯片装配工艺，消除了功放管壳与机壳间的接触热阻，减少了由此带来的功放芯片散热问题，提出的新型微波模块材料解决星载高可靠模块封装问题，适用于批量生产，具有广阔的应用前景。

本发明的技术解决方案是：一种小型化星载8mm频段发射通道，所述发射通道包括芯片、微带线、金带和射频绝缘子，固定安装在发射腔体上，所述芯片固定安装在发射腔体上，多个芯片构成一个处理模块，每个处理模块通过微带线和金带与射频绝缘子连接，所述处理模块安装在发射腔体的上表面和下表面，射频绝缘子自上而下穿过发射腔体，位于上表面的微带线通过金带与射频绝缘子顶部搭接，位于下表面的微带线通过金带与射频绝缘子底部搭接。

所述发射通道还包括微带-同轴-波导转换和波导隔离器，所述微带-同轴-波导转换将发射通道的输出接口由微带形式转换为波导形式后通过波导隔离器实现信号的最终输出。

所述芯片固定安装在发射腔体上，具体为：将芯片焊接在热沉上，然后将热沉直接焊接在机壳上，完成所有芯片安装后，通过激光封焊一次性完成封装。

所述热沉的材料为CuW。

所述腔体材料为AlSi。

所述芯片为衰减器、混频器、放大器、倍频器或滤波器。

所述衰减器、混频器、放大器、倍频器采用MMIC芯片。

所述滤波器采用MEMS芯片。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过将多芯片集成在一个处理模块内，通过射频绝缘子垂直互联技术完成射频电路的双面布局，完成了腔体的立体结构复用，有效的减小了发射通道的体积与重量且提高了产品可靠性。

(2)本发明通过将芯片直接焊接在机壳上，简化装配工艺并减少芯片接触热阻，提高分机温度增益稳定性等电性能，提升功放芯片散热性能，减小产品调试时间并大幅改善产品一致性。

附图说明

图1为射频绝缘子垂直互连原理图；

图2为射频绝缘子平面连接原理图；

图3传统星载芯片装配剖面图；

图4为本专利芯片装配剖面图；

图5为小型化8mm发射通道原理框图；

图6为矩形腔体示意图；

图7为本专利大尺寸芯片腔体结构设计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

典型的8mm频段发射通道详细原理框图如图5。从图5可知，8mm频段发射通道的电路结构包括：中频链路1、本振链路2和射频链路3；其中中频链路1包括：第一固定衰减器4、温补衰减器5、S频段控制衰减器6和第二固定衰减器7；本振链路2包括第三固定衰减器8、Ku频段放大器9、第四固定衰减器10、Ka频段二倍频器11、第五固定衰减器12、Ka频段带通滤波器13、第六固定衰减器14、Ka频段放大器15；射频链路3包括射频链路混频器16、第七固定衰减器17、8mm带通滤波器18、第八固定衰减器19、第一8mm频段放大器20、温度补偿衰减器21、第二8mm频段放大器22、第九固定衰减器23、8mm频段驱动放大器24和8mm频段功率放大器25。

输入的S频段中频信号中频链路1输入信号依次经过第一固定衰减器4、温补衰减器5、S频段控制衰减器6和第二固定衰减器7后送至射频链路混频器16的中频输入端，其中第一固定衰减器4是为了匹配输入端驻波，温补衰减器5是补偿高低温下中频通道1的输入电平变化，S频段控制衰减器6的作用是接收外部输入控制信号，控制输入电平从而实现射频输出电平的可调节。本振链路2输入信号依次经第三固定衰减器8、Ku频段放大器9、第四固定衰减器10、Ka频段二倍频器11、第五固定衰减器12、Ka频段带通滤波器13、第六固定衰减器14、Ka频段放大器15后送至射频链路混频器16的本振输入端，其中第三固定衰减器8是匹配本振输入端口的驻波，Ku频段放大器9是将本振输入小信号进行放大，第四固定衰减器10不仅可以完成Ku频段放大器9和Ka频段二倍频器11间的阻抗匹配，同时可以调节Ka频段二倍频器11的工作电平，使其工作在稳定状态。Ka频段带通滤波器13作用是通过倍频后的有用信号，将倍频后的其它杂波分量进行滤除，第五固定衰减器12和第六固定衰减器14是匹配Ka频段带通滤波器13的端口阻抗，避免其工作频段因端口阻抗失配偏离。射频链路混频器16的作用是将S频段信号转换至8mm频段，第七固定衰减器17与第八固定衰减器19是匹配8mm带通滤波器18的端口阻抗，第一8mm频段放大器20与第二8mm频段放大器22完成对8mm频段小信号的增益放大，温度补偿衰减器21是补偿高低温下射频链路增益的变化，第九固定衰减器23是匹配8mm频段驱动放大器24的输入阻抗并调节其输入电平，8mm频段功率放大器25的作用是将输入信号完成高功率放大。

放大后的信号再经过微带-探针-波导转换26后将射频输出接口由微带形式转换为波导形式，最后再通过波导隔离器27实现信号最终输出。微带-探针-波导转换26的作用是将输出接口由微带形式转换为波导形式，并且可以实现发射通道的气密封装。波导隔离器27的作用是匹配8mm频段功率放大器25的输出阻抗，并且可以防止由于天线驻波恶化而导致的大信号反向输入至8mm频段功率放大器25。

衰减器、混频器、放大器、倍频器采用MMIC芯片，滤波器采用MEMS芯片。所述的各个固定衰减器采用TGL4201型衰减芯片完成，S频段温补衰减器采用CHA3091温补电调衰减芯片，S频段控制衰减芯片采用中电13所NC1315C型控制衰减芯片，其内部集成控制信号的串-并转换电路。本振链路2所用Ku频段放大器9为CHA3666放大芯片，Ka频段带通滤波器13采用微带滤波器，Ka频段二倍频器11采用HMC578芯片。射频链路3中混频器采用HMC329型芯片，8mm带通滤波器18采用MEMS滤波器，第二8mm频段放大器22和24均采用CHA2194放大器芯片，8mm频段驱动放大器24采用中电55所中功率放大芯片WFD320370-P25，8mm频段功率放大器25采用TGA4516型功率放大芯片。

本发明的发射通道包括芯片、微带线、金带和射频绝缘子，固定安装在发射腔体上，所述芯片固定安装在发射腔体上，多个芯片构成一个处理模块，每个处理模块通过微带线和金带与射频绝缘子连接，所述处理模块安装在发射腔体的上表面和下表面，射频绝缘子自上而下穿过发射腔体，位于上表面的微带线通过金带与射频绝缘子顶部搭接，位于下表面的微带线通过金带与射频绝缘子底部搭接，实现方式如图1所示。该方法与传统的方法(如图2所示)相比，有3个优点：1)省去了模块间过渡微带线，缩小产品体积；2)信号走向在正反面两个平面，完成了信号流向的腔体结构复用，布局灵活且缩小体积；3)省去了1个射频绝缘子，由此在两个模块连接上减少了2个焊点，发射通道可靠性得以提升。采用本发明设计完成的发射通道体积缩小至原发射通道的1/3，重量缩小至原来的40％。

本发明将芯片焊接在热沉上，然后直接粘接在腔体下表面，完成多芯片集成后，通过激光封焊一次性完成封装。该方法与传统的方法相比，有3个优点：1)工艺流程简洁。传统星载单机装配图如附图3，芯片焊接在热沉后，再将热沉焊接在管壳载体，再将该管壳通过平行封焊工艺封装为单独微波模块，再将微波模块通过螺钉紧固或焊接在机壳上。而本方法芯片装配图如图4，与图3相比，省去了管壳载体装配在机壳上操作流程；2)提高了产品温度增益稳定性与稳定性。传统的装配方式由于模块与机壳间存在装配或加工因素导致的接地不良，将导致模块输入输出驻波恶化、进而造成整机幅频性能下降或自激现象。本发明通过将热沉直接焊接在机壳上，不存在模块与机壳装配，降低了导致产品性能下降的因素；3)提高了产品的散热性能。附图3所示中，管壳载体与机壳间存在接触热阻7.7℃/W，而本专利方法采用的焊接间热阻小于0.3℃/W，因此采用本发明更有利于降低功放芯片的结温。

此外，本发明提出了一种新型星用机壳材料AlSi及功放芯片装配工艺，解决了星载高可靠微波模块封装及功放芯片散热问题。传统星载单机是将芯片封装在可伐材料的单独微波模块内，再将各单独微波模块安装在铝合金机壳上。本方法由于将芯片统一装配在一个机壳内，因此只能选用一种材料。可伐材料密度为8.17g/㎝³，热导率为20W/m·K；AlSi材料密度为3.2g/㎝³，热导率为160W/m·K；铝合金材料由于密度为2.7g/㎝³，热导率为188.4W/m·K。由于可伐材料密度较大且热导率过低，因此无法实现单机轻量化且无法有效传递芯片热耗散，而铝合金材料无法实现模块密封从而实现星载高可靠应用。SiC由于其密度较小、热传导率相对较高且可实现模块密封，不仅可解决单机轻量化与传热问题，同时亦可实现星载使用。

为满足发射通道小型化需求，本振链路与射频链路间未采用微带隔离器而采用衰减器进行阻抗匹配，采用MEMS滤波器代替微带滤波器缩小体积。根据8mm频段发射通道原理框图(如图5所示)完成发射机初步布局，再将内部腔体结构代入HFSS仿真软件完成腔体谐振频率。由于功放芯片结构尺寸较大，为2.79×2.315×0.1mm，且该芯片供电焊盘很多，需要多个匹配电容，如采用的矩形腔体设计方案(如图6所示)传统完成功放芯片布局，图6中腔体谐振频率为：据此计算矩形腔体的第一谐振频率(TE101模)仅为16.3GHz，且在工作频率附近存在几个谐振频率，极易造成腔体谐振而导致产品自激。因此需改变腔体谐振频率并在工作频段内避开谐振点，采用图7的异型腔体设计，模块内腔体在中间局部加宽用于装配所用芯片及供电绝缘子，在芯片输入和输出端用于传递信号的微带线处，内腔体快速收拢变窄以减小公式1中表征腔体宽度的参数a，使腔体第一谐振频率提高至43.1GHz，解决了功放芯片腔体设计问题。

根据末级功放芯片热耗与装配工艺等参数代入发射机结构进行热仿真，进行迭代直至完成产品结构设计。根据发射通道腔体布局及工作频段完成垂直转换射频绝缘子匹配电路仿真。

本发明发射通道中频输入接口与本振输入接口均采用SMA-K型接口，射频输出接口采用BJ320波导接口。低频二次电源接口为J30J型低频接插件。

最终本发明的能够达到下列性能参数及指标，如表1所示：

表1

项目	技术指标
		中心频率	34.825GHz
信号带宽	800MHz
		带内起伏	±0.5dB
输出峰值功率	32.5±0.5dBm
		带外杂波抑制	≥50dB
输入输出驻波比	≤1.2:1
		体积	65mm×42mm×15mm
重量	130g

本专利已应用于CE-5测距测速敏感器的测距测速发射通道单机设计中，通过该方法设计完成的小型化8mm发射机完成了单机的小型化与轻量化，同时提高了单机的温度增益稳定性及可靠性，大幅缩短单机调试时间，同时提出了新的星载管壳材料与芯片工艺装配方法，对于以后的单机小型化、大功率散热设计奠定了基础，同时对于研究星载高可靠微波模块的选用材料与工艺也提供了一个新的选择。

本发明基于MCM的设计思路，提出了一种新的进行多芯片集成方法，给出了设计流程与步骤，进行了仿真分析，并成功应用到CE-5测距测速敏感器的测距测速发射通道设计中。该设计方法为开展小型化微波毫米波单机设计奠定了基础，可广泛应用于各类小型化微波单机分析与设计中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种小型化星载8mm频段发射通道，所述发射通道包括芯片、微带线、金带和射频绝缘子，固定安装在发射腔体上，所述芯片固定安装在发射腔体上，多个芯片构成一个处理模块，每个处理模块通过微带线和金带与射频绝缘子连接，其特征在于：所述处理模块安装在发射腔体的上表面和下表面，射频绝缘子自上而下穿过发射腔体，位于上表面的微带线通过金带与射频绝缘子顶部搭接，位于下表面的微带线通过金带与射频绝缘子底部搭接。

2.根据权利要求1所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述发射通道还包括微带-同轴-波导转换和波导隔离器，所述微带-同轴-波导转换将发射通道的输出接口由微带形式转换为波导形式后通过波导隔离器实现信号的最终输出。

3.根据权利要求1所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述芯片固定安装在发射腔体上，具体为：将芯片焊接在热沉上，然后将热沉直接焊接在机壳上，完成所有芯片安装后，通过激光封焊一次性完成封装。

4.根据权利要求3所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述热沉的材料为CuW。

5.根据权利要求1所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述腔体材料为AlSi。

6.根据权利要求1所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述芯片为衰减器、混频器、放大器、倍频器或滤波器。

7.根据权利要求6所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述衰减器、混频器、放大器、倍频器采用MMIC芯片。

8.根据权利要求6所述的一种小型化星载8mm频段发射通道，其特征在于：所述滤波器采用MEMS芯片。