CN112751580A - 一种基于时钟屏蔽和电源滤波的p波段ltcc组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，采用二次电源变换和悬浮地，工作电路分别接悬浮地，使电源变换单元的开关噪声经电容滤波，各悬浮地接壳体地，实现供电路径和回地路径唯一、输入和输出电流回路经电容滤波，为每个芯片的供电管脚设置滤波电容，将电容焊盘作为一部分路径串联进电路，电路结构简单，节省空间，适合LTCC等自动贴装设计，有效屏蔽时钟信号对射频信号的干扰，降低组件接收噪声系数指标。

Description

一种基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种噪声过滤技术。
背景技术
未来战争形态正在向信息化快速演变，这种信息化包含探、干、侦、通等多任务的综合统筹和协调同步，要求电子装备最大限度的利用频谱，满足不同的工作环境、目标对象及实施任务的需求。
为了实现探、干、侦、通等多种工作模式，最直接的方式是对电子装备的射频前端和处理后端进行通用模块化的标准设计，并考虑多种平台之间的适装和移植特性，且具备向无人化、微型化平台的发展潜力。
机载、弹载等微型化平台由于配重和能耗限制，要求天线阵面实现减重、降能耗、一体化设计，需要各天线模块大量采用微系统设计，减少体积、重量、能耗，带来供电、冷却甚至阵面口径等方面的得益，获取更好的平台适装性。
在上述趋势和需求下，采用微系统集成技术，将收发T/R前端、射频分配网络以及冷却、结构、电源、数字控制等多种功能电路模块化、一体化、高密度设计装配，实现轻薄化和小型化，提升通用性和灵活性，最终实现高密度、高性能、低成本的收发组件，成为了未来的发展方向。
目前微系统收发组件的设计模式以二维多芯片模块2D MCM为主，穿插三维多芯片模块3D MCM方式。2D MCM把射频微波集成芯片MMIC及其他控制、电源芯片在平面低温/高温共烧陶瓷LTCC/HTCC基板上水平安装，射频路径以微带线或带状线在基板的表面传输，这种高密度、高集成组装令组件重量和体积大大减小。但是，内部基板、器件间的高密度互连极易在狭小空间内发生电磁耦合和腔体效应，使微系统组件具有信号复杂、耦合串扰严重的缺点。由于LTCC技术常用在微波、毫米波频段，射频信号之间的串扰以及射频信号对直流和低频信号的干扰问题更为严重。
在LTCC组件设计中，采用带状线和中间接地屏蔽层，可以改善收发通道之间的隔离度。因为LTCC出现问题后维修的可能性较小，所以需要尽量提高产品的可靠性。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
组件采用二次电源变换和悬浮地，包括输入单元、电源变换单元、控制单元、微波射频单元，输入单元连接外部供电，由电源变换单元进行二次电源变换，经控制单元向微波射频单元供电，工作电路分别接悬浮地，在电源内部变换形成回路，使电源变换单元的开关噪声经电容滤波，各悬浮地接壳体地，实现供电路径和回地路径唯一、输入和输出电流回路经电容滤波，P波段收发组件工作频段低，射频对直流的耦合和干扰更强，为每个芯片的供电管脚设置滤波电容，遵循就近原则，在供电管脚的最近点设置电容焊盘，将电容焊盘作为一部分路径串联进电路。
输入单元包括连接器和滤波电容C101、C201、C301、C102、C202、C302，连接器输入+28V和+12V、壳体地和悬浮地、时钟信号CLK，输出+28V经滤波电容C101、C201、C301并联接壳体地，输出+12V经滤波电容C102、C202、C302并联接悬浮地。
电源变换单元包括双路电源变换芯片、滤波电容C103、C104、C203、C204、C205、C303、C304、C型滤波电容CC1、CC2，双路电源变换芯片输入+12V，输出+5V和-5V，+12V经滤波电容C205接壳体地，+5V经滤波电容C303、C203、C103并联接悬浮地，-5V经滤波电容C304、C204、C104并联接悬浮地，+5V经滤波电容CC1、-5V经滤波电容CC2连接微波射频单元。
控制单元包括控制芯片、转换芯片、波控芯片，滤波电容C206、C207、C208、C209、C210、C211，控制芯片包括4组N通道，转换芯片包括2组N通道，波控芯片包括2组N通道，控制芯片、转换芯片、波控芯片经通道1至通道N连接，控制芯片输入4路+5V，分别经滤波电容C206、C207、C208、C209接悬浮地，转换芯片输入5V经滤波电容C210接悬浮地，波控芯片输入5V经滤波电容C211接悬浮地。
微波射频单元包括限幅低噪声放大器芯片、收发多功能芯片、功率放大器芯片、电源调制芯片、发射调制芯片、滤波电容C105、C212、C213、C214、C215、C216、C217、C218、C305，电源调制芯片连接限幅低噪声放大器芯片、发射调制芯片连接收发多功能芯片，微波射频单元连接一个通道，信号依次通过限幅低噪声放大器芯片、收发多功能芯片、功率放大器芯片处理，电源调制芯片输入+5V经滤波电容C215接悬浮地，发射调制芯片输入+5V经滤波电容C212接悬浮地，收发多功能芯片输入+5V和-5V，+5V经滤波电容C213接悬浮地，-5V经滤波电容C214接悬浮地，功率放大器芯片输入+28V、+5V、-5V，+28V经漏极滤波电容C305、C218、C105并联接悬浮地，+5V经驱放滤波电容C216接悬浮地，-5V经栅极滤波电容C217接悬浮地。
电容C101～C105采用0.1μF，电容C201～C218采用1μF，电容C301～C305采用10μF。
时钟信号CLK包括数个接地孔、屏蔽线、传输线，形成屏蔽电路，接地孔分布于屏蔽线，传输线和屏蔽线的间距为传输线宽度的2～3倍，连接时钟信号的端口或引脚采用过孔过渡到LTCC表面或其他信号层，采用键合或连接。
本发明的有益效果：
提供了一种P波段LTCC组件设计方法，有效屏蔽时钟信号对射频信号的干扰，以及时钟信号对直流电源的干扰，降低组件接收噪声系数指标，提高收发组件接收动态范围，克服现有P波段LTCC收发组件技术中存在的不足。
提供了一种时钟屏蔽和电源滤波降噪设计方法，对控制芯片和射频微波芯片分开供电，对电源输入和输出分别滤波，对时钟电路屏蔽设计，电路结构简单，提高电路综合性能，尤其是接收噪声系数指标改善，满足有源相控阵雷达接收系统要求。
P波段收发组件的工作频率低，对干扰和耦合信号更为敏感，对所有芯片的工作电源增加滤波电容，使用串联焊盘走线的连接方法，将电容焊盘作为信号路径的一部分串联到电源走线中，对所有的电源供电都能起到良好的滤波作用；
组件内部的二次电源变换使用悬浮地设计，使电源内部的变换自身形成回路，与射频层无关，电源与组件负载的互联在输出电容两端，电源变换芯片的开关噪声必须经过输出电容滤波，输出±5V的供电路径唯一，经过负载后的回地路径唯一，输出电流、输入电流回路明确，都经过电源变换芯片的输出滤波电容。
控制芯片和微波射频芯片的+5V/-5V通过CC1和CC2这样的C型滤波电容分开供电，分别为+5V/-5V和+5V_A/-5V_A，由于LTCC电路印制板空间较小，控制信号容易对电源造成干扰，分开供电可以避免受到干扰的电源被微波射频芯片使用，引入杂散和干扰，此电容具有穿越式贯通屏蔽壁，属于可贴片安装的穿心电容，节省空间，适合LTCC等自动贴装设计。
对进入组件的CLK时钟信号，采用屏蔽走线设计，在整个信号走线层，使用双屏蔽接地线对时钟信号隔离，降低它对电源和低频信号的干扰。
附图说明
图1是组件的电路框架图，图2是焊盘串联示意图，图3是时钟信号走线图，图4是悬浮地和壳体地走线图，图5是悬浮地和壳体地连接图，图6是C型滤波电容走线图，图7是微带电路印制板结构图，图8接受端口测试频谱图。
附图标记：GND-壳体地，GND1-悬浮地，CLK-时钟信号，C101～C105-0.1μF滤波电容，C201～C218-1μF滤波电容，C301～C305-10μF滤波电容，CC1、CC2-C型滤波电容，J1-连接器、N1-双路电源变换芯片，U1-控制芯片，U2-转换芯片，U3-波控芯片，LNA-限幅低噪声放大器芯片，F1-收发多功能芯片，PA-功率放大器芯片，M1-电源调制芯片，M2-发射调制芯片，PAD焊盘，1-接地孔，2-屏蔽线，3-传输线。
具体实施方式
以下结合附图，以4通道为例，对本发明的技术方案做具体的说明。
组件的电路框架如图1所示：
输入单元采用连接器J1输入+28V和+12V、连接壳体地GND和悬浮地GND1、时钟信号CLK，输出+28V经滤波电容C101、C201、C301并联接壳体地GND，输出+12V经滤波电容C102、C202、C302并联接悬浮地GND1。
电源变换单元采用双路电源变换芯片N1输入+12V，输出+5V和-5V，+12V经滤波电容C205接壳体地GND，+5V经滤波电容C303、C203、C103并联接悬浮地GND1，-5V经滤波电容C304、C204、C104并联接悬浮地GND1。
控制单元采用控制芯片U1、转换芯片U2、波控芯片U3，经通道1至通道N连接，控制芯片U1包括4组N通道，转换芯片U2包括2组N通道，波控芯片U3包括2组N通道，控制芯片U1输入4路+5V，分别经滤波电容C206、C207、C208、C209接悬浮地GND1，转换芯片U2输入5V经滤波电容C210接悬浮地GND1，波控芯片U3输入5V经滤波电容C211接悬浮地GND1。
微波射频单元连接一个通道，采用限幅低噪声放大器芯片LNA、收发多功能芯片F1、功率放大器芯片PA依次处理信号，采用电源调制芯片M1连接限幅低噪声放大器芯片LNA、采用发射调制芯片M2连接收发多功能芯片F1，电源调制芯片M1输入+5V经滤波电容C215接悬浮地GND1，发射调制芯片M2输入+5V经滤波电容C212接悬浮地GND1，收发多功能芯片F1输入+5V和-5V，+5V经滤波电容C213接悬浮地GND1，-5V经滤波电容C214接悬浮地GND1，功率放大器芯片PA输入+28V、+5V、-5V，+28V经漏极滤波电容C305、C218、C105并联接悬浮地GND1，+5V经驱放滤波电容C216接悬浮地GND1，-5V经栅极滤波电容C217接悬浮地GND1。
所有引脚对应的电源输入或电源输出位置都滤波，容值大小根据工作频段选择，雷达工作在P波段0.23～1GHz阻抗值≤0.001Ω，时钟信号CLK为5MHz，对应阻抗值为0.03Ω，根据阻抗计算公式
Figure BDA0002861220930000041
选取电源滤波电容C201～C218的容值为1μF，对电源中的低频信号起到良好的滤波作用。
+28V和+12V电源输入、二次电源变换芯片的±5V电源输出、微波射频功率放大器芯片的+28V漏极对滤波要求更高，分别增加0.1μF滤波电容C101～C105和10μF滤波电容C301～305，形成带通滤波特性。
每个芯片的供电管脚的滤波电容遵循就近原则，在供电管脚的最近点设置电容焊盘，将电容焊盘作为一部分路径串联进电路，如图2所示。
时钟信号CLK采用屏蔽电路，如图3所示，包括数个接地孔1、屏蔽线2、传输线3，接地孔1分布于屏蔽线2，传输线3和屏蔽线2的间距为传输线宽度的2～3倍，屏蔽整个时钟信号，需要连接时钟信号的端口或引脚，采用过孔过渡到LTCC表面或其他信号层，采用键合或连接。
工作电路分别接悬浮地，在电源内部变换形成回路，使电源变换单元的开关噪声经电容滤波，各悬浮地接壳体地，实现供电路径和回地路径唯一、输入和输出电流回路经电容滤波，如图4所示，GND1和GND通过表面地进行金带键合，如图5所示。
输出电源±5V经C型滤波电容CC1、CC2分流，如图6所示，未经C型电容滤波的向控制芯片供电，经C型电容滤波的向微波射频芯片和其外围芯片使用。
采用介电常数5.9、层厚度0.1mm的陶瓷基板、薄膜工艺，制成微带电路印制板，如图7所示，LTCC总厚度为1.8mm，尺寸为30mm×100mm，其中9层到底层之间为带线结构，带线层为第14层，1层到8层为信号层走线，时钟走线宽度0.2mm，两侧接地线距离时钟走线为2倍，接地线通过均匀分布的0.2mm接地孔与地层连接，接地孔之间的距离为2mm；
对组件的4个接收端口测试噪声系数和接收输入驻波，如图8所示，最小噪声指标1.3，最大不超过1.8，接收输入驻波指标≤1.2dB，考虑到P波段的工作频段和干扰时钟更靠近，组件的接收噪声系数指标良好。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，采用二次电源变换和悬浮地，其特征在于，包括：输入单元、电源变换单元、控制单元、微波射频单元，输入单元连接外部供电，由电源变换单元进行二次电源变换，经控制单元向微波射频单元供电；工作电路分别接悬浮地，各悬浮地接壳体地，为每个芯片的供电管脚设置滤波电容，在供电管脚的最近点设置电容焊盘，将电容焊盘作为一部分路径串联进电路。
2.根据权利要求1所述的基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，其特征在于，所述输入单元，包括：连接器和滤波电容C101、C201、C301、C102、C202、C302，连接器输入+28V和+12V、壳体地和悬浮地、时钟信号CLK，输出+28V经滤波电容C101、C201、C301并联接壳体地，输出+12V经滤波电容C102、C202、C302并联接悬浮地。
3.根据权利要求2所述的基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，其特征在于，所述电源变换单元，包括：双路电源变换芯片、滤波电容C103、C104、C203、C204、C205、C303、C304、C型滤波电容CC1、CC2，双路电源变换芯片输入+12V，输出+5V和-5V，+12V经滤波电容C205接壳体地，+5V经滤波电容C303、C203、C103并联接悬浮地，-5V经滤波电容C304、C204、C104并联接悬浮地，+5V经滤波电容CC1、-5V经滤波电容CC2连接微波射频单元。
4.根据权利要求3所述的基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，其特征在于，所述控制单元，包括：控制芯片、转换芯片、波控芯片，滤波电容C206、C207、C208、C209、C210、C211，控制芯片包括4组N通道，转换芯片包括2组N通道，波控芯片包括2组N通道，控制芯片、转换芯片、波控芯片经通道1至通道N连接，控制芯片输入4路+5V，分别经滤波电容C206、C207、C208、C209接悬浮地，转换芯片输入5V经滤波电容C210接悬浮地，波控芯片输入5V经滤波电容C211接悬浮地。
5.根据权利要求4所述的基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，其特征在于，所述微波射频单元，包括：限幅低噪声放大器芯片、收发多功能芯片、功率放大器芯片、电源调制芯片、发射调制芯片、滤波电容C105、C212、C213、C214、C215、C216、C217、C218、C305，电源调制芯片连接限幅低噪声放大器芯片、发射调制芯片连接收发多功能芯片，微波射频单元连接一个通道，信号依次通过限幅低噪声放大器芯片、收发多功能芯片、功率放大器芯片处理，电源调制芯片输入+5V经滤波电容C215接悬浮地，发射调制芯片输入+5V经滤波电容C212接悬浮地，收发多功能芯片输入+5V和-5V，+5V经滤波电容C213接悬浮地，-5V经滤波电容C214接悬浮地，功率放大器芯片输入+28V、+5V、-5V，+28V经漏极滤波电容C305、C218、C105并联接悬浮地，+5V经驱放滤波电容C216接悬浮地，-5V经栅极滤波电容C217接悬浮地。
6.根据权利要求5所述的基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，其特征在于，所述电容C101～C105采用0.1μF，所述电容C201～C218采用1μF，所述电容C301～C305采用10μF。
7.根据权利要求5所述的基于时钟屏蔽和电源滤波的P波段LTCC组件，其特征在于，所述时钟信号CLK，包括：数个接地孔、屏蔽线、传输线，形成屏蔽电路，接地孔分布于屏蔽线，传输线和屏蔽线的间距为传输线宽度的2～3倍，连接时钟信号的端口或引脚采用过孔过渡到LTCC表面或其他信号层，采用键合或连接。
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