CN107622170A - 一种mimo毫米波有源电路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种MIMO毫米波有源电路设计方法，选择满足频段要求的毫米波有源电路方案；将所述毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路；分别对多个所述砖块电路进行3D建模，所述3D建模的模型包括腔体、信号传输线、绑定线、过孔、垂直互联、对外信号接口；将多个所述砖块电路层叠组成完整基板电路。本发明解决MIMO毫米波有源电路的小型化和可靠性问题，能够满足MIMO毫米波有源电路的小型化和高性能指标。

Description

一种MIMO毫米波有源电路设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种MIMO毫米波有源电路设计方法。

背景技术

随着无线通信网络系统的进一步普及，人们对数据业务的需求呈现出爆发式增长。5G通信系统的目标是要实现通信系统吞吐量增加1000倍左右。为了满足未来通信流量的需求，首先需要获得更多的频谱资源，毫米波通信技术的发展为弥补与解决频段稀缺的问题提供了有效的途径。但是频谱资源却又是有限的，而毫米波MIMO系统能在维持当前频谱不变的情况下，又可以极大地提高系统的传输容量和频谱的利用率。

在毫米波MIMO系统中，采用大规模毫米波阵列天线，而天线尺寸受限于波长，毫米波波长为1mm～10mm，所以大规模毫米波阵列天线数量多，体积小，排列紧密。作为与天线直接相连的毫米波有源电路，相应的需要解决自身的小型化和可靠性问题。

发明内容

本申请实施例通过提供一种MIMO毫米波有源电路设计方法，解决MIMO毫米波有源电路的小型化和可靠性问题。

本申请实施例提供一种MIMO毫米波有源电路的设计方法，包括以下步骤：

选择满足频段要求的毫米波有源电路方案；

将所述毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路；

分别对多个所述砖块电路进行3D建模，所述3D建模的模型包括腔体、信号传输线、绑定线、过孔、垂直互联、对外信号接口；

将多个所述砖块电路层叠组成完整基板电路。

优选的，根据裸芯片的尺寸，设计所述腔体，所述腔体用于放置所述裸芯片；

所述腔体包括第一腔体和第二腔体；所述第一腔体的长度为所述裸芯片的长度加上第一长度，所述第一腔体的宽度为所述裸芯片的宽度加上第一宽度，所述第一腔体的深度为所述裸芯片的厚度加上无氧铜载体的厚度；所述第二腔体的深度为开槽总深度减去所述第一腔体的深度；

所述裸芯片固定在所述无氧铜载体上，所述无氧铜载体固定在所述砖块电路上。

优选的，所述砖块电路选用30-40层LTCC陶瓷基板材料，每层所述陶瓷基板材料的厚度为0.088mm，所述陶瓷基板材料的型号为Dupont951、介电常数为7.8。

优选的，所述对外信号接口采用BJ320标准矩形波导。

优选的，所述毫米波有源电路方案包括移相器、衰减器、第一开关、推动放大器、增益放大器、功率放大器、低噪放大器、第二开关；

将所述毫米波有源电路方案拆分为第一砖块电路、第二砖块电路、第三砖块电路；所述第一砖块电路包括移相器、衰减器；所述第二砖块电路包括第一开关、推动放大器、增益放大器；所述第三砖块电路包括功率放大器、低噪放大器、第二开关；

所述对外信号接口包括第一对外信号接口和第二对外信号接口，所述第一对外信号接口与所述第一砖块电路连接，所述第二对外信号接口与所述第三砖块电路连接。

优选的，所述第一砖块电路、所述第二砖块电路、所述第三砖块电路均选用LTCC陶瓷基板；

裸芯片通过金锡合金在380°高温下烧结在无氧铜载体上，所述无氧铜载体通过导电胶粘接在所述LTCC陶瓷基板上；

将所述裸芯片、所述无氧铜载体、所述LTCC陶瓷基板在150°高温下烘干。

优选的，所述第一砖块电路、所述第二砖块电路、所述第三砖块电路从上至下通过BGA焊球连接，层叠组成完整基板电路。

优选的，所述完整基板电路通过导电胶粘贴在金属屏蔽壳体中，并在90°高温下烘干。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，将满足频段要求的毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路，分别对多个砖块电路进行3D建模，再将多个砖块电路层叠组成完整基板电路。本发明基于LTCC(低温共烧陶瓷)技术，采用毫米波裸芯片，并结合以金丝键合、芯片烧结为基础的微组装工艺，再利用HFSS(高频结构仿真)仿真软件对裸芯片腔体、接口过渡结构、垂直互联及过孔等关键技术进行建模仿真，实现单元电路砖块设计，整体电路三维层叠，从而满足MIMO毫米波有源电路的小型化和高性能指标。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路的电路图；

图2为本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路的裸芯片腔体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路的平面布局示意图；

图4为本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路的砖块电路层叠示意图。

其中，1-移相器、2-衰减器、3-第一开关、4-推动放大器、5-增益放大器、6-功率放大器、7-低噪放大器、8-第二开关；

10-裸芯片、20-无氧铜载体、30-第一腔体、40-第二腔体；

100-第一砖块电路、200-第二砖块电路、300-第三砖块电路、400-第一信号接口、500-第二信号接口。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种MIMO毫米波有源电路设计方法，解决MIMO毫米波有源电路的小型化和可靠性问题。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种MIMO毫米波有源电路的设计方法，包括以下步骤：

选择满足频段要求的毫米波有源电路方案；

将所述毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路；

分别对多个所述砖块电路进行3D建模，所述3D建模的模型包括腔体、信号传输线、绑定线、过孔、垂直互联、对外信号接口；

将多个所述砖块电路层叠组成完整基板电路。

本发明基于LTCC(低温共烧陶瓷)技术，采用毫米波裸芯片，并结合以金丝键合、芯片烧结为基础的微组装工艺，再利用HFSS(高频结构仿真)仿真软件对裸芯片腔体、接口过渡结构、垂直互联及过孔等关键技术进行建模仿真，实现单元电路砖块设计，整体电路三维层叠，从而满足MIMO毫米波有源电路的小型化和高性能指标。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明的一种实施方式，以一种4路毫米波有源电路为例，具体的设计方法包括以下步骤：

步骤1：选择满足频段要求的毫米波裸芯片方案。

毫米波频段的频率包括30～300GHz，毫米波器件均有频段限制。不同的频段需要选择不同的器件，而频段又是按具体需求而定。

此实施例中毫米波有源电路方案包括移相器、衰减器、第一开关、推动放大器、功率放大器、低噪放大器、增益放大器、第二开关。

步骤2：将毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路。

将所述毫米波有源电路方案拆分为第一砖块电路、第二砖块电路、第三砖块电路。

其中，所述第一砖块电路包括4路移相器、衰减器，所述第二砖块电路包括4路第一开关、推动放大器、增益放大器，所述第三砖块电路包括4路低噪放大器、功率放大器、第二开关。

具体的，如图1所示，移相器1与衰减器2连接，并组成所述第一砖块电路；第一开关3分别与推动放大器4、增益放大器5连接，并组成所述第二砖块电路；第二开关8分别与低噪放大器7、功率放大器6连接，并组成所述第三砖块电路。

第一信号接口400通过所述移相器1与所述第一砖块电路连接，第二信号接口500通过所述第二开关8与第三砖块电路连接。

所述第一砖块电路中的所述衰减器2与第二砖块电路中的所述第一开关3连接；所述第二砖块电路中的所述推动放大器4与所述第三砖块电路中的所述功率放大器6连接，所述第二砖块电路中的所述增益放大器5与所述第三砖块电路中的所述低噪放大器7连接。

步骤3：分别对多个砖块电路进行3D建模，所述3D建模的模型包括腔体、信号传输线、绑定线、过孔、垂直互联、对外信号接口。

(1)选择砖块电路材料。

所述第一砖块电路、所述第二砖块电路、所述第三砖块电路均选用LTCC陶瓷基板；具体的，砖块电路包括30-40层LTCC陶瓷基板材料，每层陶瓷基板材料的厚度为0.088mm，陶瓷基板材料的型号为dupont951、介电常数为7.8。

dupont951型号的陶瓷基板材料可以工作到毫米波频段，介电常数高能够减小电路尺寸；陶瓷基板材料的厚度薄方便灵活设计电路和腔体。

一种优选的情况，每个砖块电路采用35层LTCC陶瓷基板材料，每个砖块电路的总厚度为3.08mm。

(2)根据裸芯片的尺寸，设计腔体，所述腔体用于放置所述裸芯片。

如图2所示，所述腔体包括第一腔体30和第二腔体40；所述第一腔体30的长度为所述裸芯片10的长度加上第一长度，所述第一腔体30的宽度为所述裸芯片10的宽度加上第一宽度，所述第一腔体30的深度为所述裸芯片10的厚度加上无氧铜载体20的厚度；所述第二腔体40的深度为开槽总深度减去所述第一腔体30的深度；所述裸芯片10固定在所述无氧铜载体20上，所述无氧铜载体20固定在所述砖块电路上。

具体的，以采用35层LTCC陶瓷基板材料的砖块电路为例(砖块电路总厚度3±0.1mm，包括公差范围)，衬底设定1mm以保证基板的强度，开腔总深度设定为2mm以保证腔体的高度小于λ/4，以避免谐振频率和高次模的产生。每个所述裸芯片10单独开腔，保证多个所述裸芯片10之间的相互隔离。所述第一腔体30的尺寸以所述裸芯片10的尺寸为基础，长宽各放大0.5mm，所述第一腔体30的深度为所述裸芯片10厚度加上无氧铜载体20厚度，为0.25mm(其中，所述裸芯片10的厚度为0.1mm，所述无氧铜载体20的厚度为0.15mm)。所述第二腔体40的深度为开腔总深度减去所述第一腔体30的深度，为1.75mm。

所述裸芯片10通过金锡合金在380°高温下烧结在所述无氧铜载体20上，再用导电胶H20E将所述无氧铜载体20粘接在陶瓷基板，并在150°高温下烘干。因为裸芯片是砷化镓基材，和无氧铜的收缩率大致相同，这样做的目的能保证裸芯片不会因高低温的冲击而断裂。

(3)选择连接方式。

本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路的平面布局示意图如图3所示，包括接口部分、毫米波部分、控制部分。

所述接口部分包括第一对外信号接口和第二对外信号接口；所述毫米波部分主要包括放大器、开关、衰减器及移相器等毫米波裸芯片电路；控制部分主要包括常规电源和数字电路。

绑定线为金丝、金带，一种优选的情况，绑定线选择大于25um的金丝或金带；绑定是指使用金属丝(金丝、金带等)，利用热压或超声能源，完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接，即裸芯片与电路或引线框架之间的连接。

毫米波信号传输线与所述裸芯片、所述接口的连接部分采用微带线，其余的连接部分采用带状线。即毫米波信号通过所述接口部分输入输出，通过微带探针转换为微带线传输，再转换为带状线传输，带状线起到屏蔽密封作用，之后再转换为微带线传输。

微带线方便通过绑定线与裸芯片连接；带状线则具有以下优点：一是屏蔽效果好，二是整个电路可以做密封处理。

(4)采用垂直互联和过孔的结构方式。

采用垂直互联和过孔的结构方式能够保证毫米波信号传输线在砖块电路内部不同层之间转换传输，也能保证三个砖块电路之间的连接传输。此外，其它的电源线、控制线也能通过该方式连接。

(5)对外信号接口包括但不限于波导、微带、同轴。针对38G频段，对外信号接口采用BJ320标准矩形波导。

所述对外信号接口包括第一对外信号接口和第二对外信号接口，所述第一对外信号接口与所述第一砖块电路连接，所述第二对外信号接口与所述第三砖块电路连接。

第一砖块电路的波导口(所述第一对外信号接口)朝上，第三砖块电路的波导口(所述第二对外信号接口)朝下。微带-波导转换是一种毫米波信号在矩形波导中传输和在基板上传输的信号转换电路，微带-波导转换采用介质面垂直于波导传输方向的H面探针方式。

步骤4：将多个所述砖块电路层叠组成完整基板电路。

将所述第一砖块电路、所述第二砖块电路、所述第三砖块电路，从上至下通过BGA焊球连接，焊球直径为过孔的80％，三个砖块电路层叠一起组成完整基板电路。

本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路的砖块电路层叠示意图如图4所示，所述第一砖块电路100、所述第二砖块电路200、所述第三砖块电路300从上至下层叠，所述第一对外信号接口400与所述第一砖块电路100连接，所述第二对外信号接口500与所述第三砖块电路300连接。

其中，所述第一砖块电路100的衬底起到所述第二砖块电路200屏蔽盖板的作用，所述第二砖块电路200的衬底起到所述第三砖块电路300屏蔽盖板的作用。

最后将完整基板电路通过导电胶H20E粘贴在金属屏蔽壳体中，并在90°高温下烘干。

将所述第一砖块电路100、所述第二砖块电路200、所述第三砖块电路300从上至下层叠，目的是为了使所述第三砖块电路300与所述金属屏蔽壳体紧密接触，保证功率放大器散热良好。

通过多个砖块电路层叠，相对于平面型的电路布局能够大大减少电路体积，且具有很好的可扩展性，通过增加砖块电路数量可进一步减小电路体积。

本发明通过砖块电路、三维层叠设计解决了MIMO毫米波有源电路的尺寸问题；通过垂直互联、BGA焊球解决了MIMO毫米波有源电路信号之间的传输和连接问题；通过三个砖块层叠在一起，基板衬底作为屏蔽盖板，并把每个裸芯片单独封腔，解决了MIMO毫米波有源电路的屏蔽问题，提高了多路之间的相互隔离，减少了与外界之间的相互干扰，同时解决了MIMO毫米波有源电路中裸芯片的封装问题，提高了裸芯片的使用寿命和产品的可靠性。

本发明实施例提供的一种MIMO毫米波有源电路设计方法至少包括如下技术效果：

在本申请实施例中，将满足频段要求的毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路，分别对多个砖块电路进行3D建模，再将多个砖块电路层叠组成完整基板电路。本发明基于LTCC(低温共烧陶瓷)技术，采用毫米波裸芯片，并结合以金丝键合、芯片烧结为基础的微组装工艺，再利用HFSS(高频结构仿真)仿真软件对裸芯片腔体、接口过渡结构、垂直互联及过孔等关键技术进行建模仿真，实现单元电路砖块设计，整体电路三维层叠，从而满足MIMO毫米波有源电路的小型化和高性能指标。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择满足频段要求的毫米波有源电路方案；

将所述毫米波有源电路方案拆分为多个砖块电路；

分别对多个所述砖块电路进行3D建模，所述3D建模的模型包括腔体、信号传输线、绑定线、过孔、垂直互联、对外信号接口；

将多个所述砖块电路层叠组成完整基板电路。

2.根据权利要求1所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，根据裸芯片的尺寸，设计所述腔体，所述腔体用于放置所述裸芯片；

所述腔体包括第一腔体和第二腔体；所述第一腔体的长度为所述裸芯片的长度加上第一长度，所述第一腔体的宽度为所述裸芯片的宽度加上第一宽度，所述第一腔体的深度为所述裸芯片的厚度加上无氧铜载体的厚度；所述第二腔体的深度为开槽总深度减去所述第一腔体的深度；

所述裸芯片固定在所述无氧铜载体上，所述无氧铜载体固定在所述砖块电路上。

3.根据权利要求1或2所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，所述砖块电路选用30-40层LTCC陶瓷基板材料，每层所述陶瓷基板材料的厚度为0.088mm，所述陶瓷基板材料的型号为Dupont951、介电常数为7.8。

4.根据权利要求1或2所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，所述对外信号接口采用BJ320标准矩形波导。

5.根据权利要求1所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，所述毫米波有源电路方案包括移相器、衰减器、第一开关、推动放大器、增益放大器、功率放大器、低噪放大器、第二开关；

将所述毫米波有源电路方案拆分为第一砖块电路、第二砖块电路、第三砖块电路；所述第一砖块电路包括移相器、衰减器；所述第二砖块电路包括第一开关、推动放大器、增益放大器；所述第三砖块电路包括功率放大器、低噪放大器、第二开关；

所述对外信号接口包括第一对外信号接口和第二对外信号接口，所述第一对外信号接口与所述第一砖块电路连接，所述第二对外信号接口与所述第三砖块电路连接。

6.根据权利要求5所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，所述第一砖块电路、所述第二砖块电路、所述第三砖块电路均选用LTCC陶瓷基板；

裸芯片通过金锡合金在380°高温下烧结在无氧铜载体上，所述无氧铜载体通过导电胶粘接在所述LTCC陶瓷基板上；

将所述裸芯片、所述无氧铜载体、所述LTCC陶瓷基板在150°高温下烘干。

7.根据权利要求5或6所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，所述第一砖块电路、所述第二砖块电路、所述第三砖块电路从上至下通过BGA焊球连接，层叠组成完整基板电路。

8.根据权利要求7所述的MIMO毫米波有源电路的设计方法，其特征在于，所述完整基板电路通过导电胶粘贴在金属屏蔽壳体中，并在90°高温下烘干。