射频百花潭|毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术( 二 )
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图 2 一体化集成的收发电路与功分网络组装图
多通道收发电路与和差网络在同一介质基板上完成 ， 射频、低频电路走线既有层内也有层间 ， 射频端口和低频端口可通过弹性触碰方式与天线单元和波控器等连接 ， 形成无插拔力的高密度互联 ， 在较薄的介质基板内完成了射频和低频电路的布置 。 作为接收射频输入、发射射频输出的功分端口、合成端口 ， 它们通过介质基板打孔方式形成同轴传输 ， 低频控制及电源接口则通过介质基板间的走线分布到基板四周 ， 多通道收发电路与和差网络之间仅靠介质基板层间走线实现高低频互联 ， 由此完成的多通道收发电路与和差网络的一体化、高密度集成设计 ， 无须接插件 ， 方便多通道收发电路与和差网络设计 ， 节省了收发组件模块与和差网络间的接插件 ， 同时可采用成熟微波印制板加工工艺一体成形 ， 与 LTCC相比工艺更简单、成本更低 。
2 设计分析
针对多通道收发电路与和差网络的一体化集成技术 ， 选用毫米波频段 8×16 阵列作为例子进行详细设计分析 。 由于毫米波频段天线单元间距较小 ， 单通道所占用的平均面积约为 7 mm×7 mm ， 使得多通道收发电路与和差网络的电路走线十分紧凑 ， 采用非等间距形式进行布局 ， 如图 3 所示 。 其中 ， 1 为多通道收发芯片 ， 2 为功分网络 ， 3 为介质基板 ， 4 为低频控制焊盘(pad) ， 5 为电源供电焊盘 ， 6 为与天线连接的射频端口 ， 7 为功分合成端口 ， 8 为低频控制及电源接口 ， 9 为和差网络 ， 10 为金属隔离柱 ， 11为实心接地柱 。
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图 3 一体化集成电路多层印制板图
如图 3(a)所示 ， 器件贴装界面与功分网络的走线层在同一层 ， 四周通过金属隔离柱进行隔离 ， 减小电路走线之间的影响 ， 功分网络与和差网络在不同层 ， 两者通过板内打孔实现射频垂直互联 。 芯片的低频控制及供电采用金丝键合方式与芯片附近的焊盘连接 ， 再由焊盘下方的金属化过孔垂直向下往印制板四周布置 ， 如图 3(b)所示 。 同时 ， 在芯片贴装界面的下面设计实心接地柱 ， 不仅为芯片提供接地 ， 同时也作为芯片的散热通道 ， 将热导到印制板底部 。
3 测试结果及分析
实物加工了上述毫米波频段 8×16 多通道收发电路与和差网络一体化集成电路 ， 尺寸为 114 mm×68 mm ， 厚度仅 3 mm 左右 ， 单通道重量约 2 g 。 为了验证一体化集成电路的性能 ， 将功分器贴装在相应位置后 ， 进行了无源测试 ， 实物与测试装夹图如图 4所示 。 该集成电路 128 个射频通道测试结果如图 5所示 。
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图 4 一体化集成电路多层印制板实物与测试装夹图
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图 5 一体化集成电路多通道幅相测试结果
图 5 中 ， 左上角的图为 S 11， 为公共口反射系数 ， 在 21～23 GHz 频带内 S 11 ≤ －11 dB;右上角的图为插入损耗曲线 ， 各通道间一致性良好 ， 扣除两根测试电缆后 ， 损耗约为 24 dB(包含分损 21 dB);左下角的图为 S 21 的相位 ， 图示通道间一致性良好;右下角的图为 S 22， 是与天线接口端的反射系数 ， 图中 S 22 ≤－10 dB;由以上各图 ， 该高密度集成射频板工作正常 ， 具备优异的通道间幅度和相位一致性 ， 128 个通道在 21～23 GHz 频带内的幅度均方根为 0．8 dB ， 相位均方根为 5° 。 说明其中的核心部分———多通道一体化集成电路工作正常 ， 采用微波印制板加工工艺可行 ， 能够完成相控阵收发组件的电路与和差网络的功能 ， 提高了瓦式相控阵的集成度 ， 可以用于高精度波束扫描的相控阵天线 。
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