《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型的輕小型化雷達(dá)接收機(jī)的研制

2008-09-24
作者:陳興國(guó)1,2,,李 佩2,, 劉同懷

  摘 要: 利用多芯片" title="多芯片">多芯片組件和多層基板" title="基板">基板技術(shù),,研制了一種新型輕小型化的雷達(dá)接收機(jī)" title="雷達(dá)接收機(jī)">雷達(dá)接收機(jī)。著重分析接收機(jī)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和避免干擾的措施。介紹了有源混頻放大器MAX2682的功能和應(yīng)用,。測(cè)試結(jié)果表明,,研制的輕小型化接收機(jī)可以有效降低雷達(dá)的體積和重量,提高穩(wěn)定性和可靠性,。
  關(guān)鍵詞: 新型輕小型化 多芯片組件 多層基板技術(shù)" title="多層基板技術(shù)">多層基板技術(shù) 雷達(dá)接收機(jī) MAX2682


  隨著軍事電子技術(shù)的飛速發(fā)展,,對(duì)武器裝備的多功能與小型化、可靠性要求越來(lái)越高,。相控陣?yán)走_(dá),、多通道接收機(jī)、雷達(dá)陣列處理技術(shù)都迫切需要小型化,、可靠性高,、一致性好的雷達(dá)接收機(jī)。
  針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、體積大,、重量重的雷達(dá)接收機(jī),本文提出了一種新型的輕小型化雷達(dá)接收機(jī),,通過(guò)采用單片集成電路,、微型封裝的表面貼裝器件,利用先進(jìn)的微組裝" title="微組裝">微組裝技術(shù)和封裝工藝組裝各種微型化片式元器件和半導(dǎo)體集成電路,,重點(diǎn)解決了接收機(jī)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和干擾等技術(shù)問(wèn)題,研制成輕小型化的雷達(dá)接收機(jī),。
1 多層基板技術(shù)
  多層基板技術(shù)是制作多芯片組件(MCM)的關(guān)鍵技術(shù),。基本類型有MCM-L(疊層型多芯片組件),、MCM-C(陶瓷厚膜型多芯片組件),、MCM-D(淀積薄膜型多芯片組件)等,。
1.1 陶瓷厚膜型多芯片組件(MCM-C)
  MCM-C是在高密度厚膜多層布線或共燒陶瓷多層互連基板上組裝多個(gè)片式元器件和芯片構(gòu)成的。其優(yōu)點(diǎn)是布線層數(shù)多,,布線密度,、封裝效率和性能均較高,可以用于高工作頻率,。MCM-C采用陶瓷多層基板,。陶瓷多層基板分為厚膜多層(TFM)基板與共燒陶瓷多層基板兩類。
1.2 共燒陶瓷多層基板
  共燒陶瓷多層基板可分為高溫共燒陶瓷(HTCC)多層基板和低溫共燒陶瓷(LTCC)多層基板兩種,。陶瓷多層基板技術(shù)的基礎(chǔ)是厚膜技術(shù)和陶瓷多層技術(shù),。陶瓷多層基板包括元器件安裝層(頂層)、信號(hào)層,、電源層,、接地層和對(duì)外連接層(底層)等幾部分,陶瓷介質(zhì)位于各導(dǎo)體層之間,,起電絕緣作用,。
  頂層含各種焊盤(pán),用以安裝相應(yīng)的電子元器件,。為了提高組裝密度,,可以采用雙面安裝多層基板,即在基板的頂面和底面都安裝電子元器件,。多層基板的信號(hào)層設(shè)置在頂層下方,,主要布置元器件之間的互連線,層數(shù)視組件規(guī)模和布線密度而定,。電源層和接地層一般都獨(dú)立設(shè)置,,可按組件電性能的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。陶瓷基板的以上各層由垂直通孔進(jìn)行互連,。
2 多芯片組件(MCM)
  通常,,MCM采用多層基板作襯底?;逯锌梢杂行盘?hào)層,、電源層和接地層?;ミB方式有絲焊,、載帶自動(dòng)焊(TAB)、倒裝焊,、倒裝TAB等,。
  寬頻帶MCM的電設(shè)計(jì)需要選擇合適的圖形參數(shù),如信號(hào)線寬度,、信號(hào)線厚度,、信號(hào)線間距,、介質(zhì)厚度和材料性能(如電導(dǎo)率,、介電常數(shù))等,。這些物理參數(shù)一旦確定,利用電磁模型將參數(shù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)等效電路,。MCM電模型是由適用于一定頻域的電磁轉(zhuǎn)換程序完成,,此程序包含Maxewell方程在此頻域內(nèi)的全波解。一般情況下,,此程序完全可以處理具有非TEM波傳輸?shù)碾娮臃庋b結(jié)構(gòu),。高頻下,由集膚效應(yīng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生的非均勻電流也包括在這個(gè)封裝模型中,。
  通常,,傳輸線的性能由以下六個(gè)主要參數(shù)確定:特性阻抗(ZO)、傳輸延遲(T,。),、容性耦合和感性耦合(C12、L12),、交直流電阻(Rdc,、Rac)。其中容性耦合和感性耦合會(huì)在系統(tǒng)中一對(duì)有終端的耦合傳輸線中產(chǎn)生耦合噪聲,。假定整個(gè)傳輸線無(wú)損耗,,動(dòng)態(tài)傳輸線上有上升時(shí)間為tr的干擾電壓Vin,則有:
  
  NEN和FEN分別代表靜態(tài)傳輸線終端附近和遠(yuǎn)離終端處的噪聲,,Kb,、Kr分別為反向和正向耦合系數(shù)。l是耦合長(zhǎng)度,,τ是傳輸延遲,,C11、L11是自身電容和自身電感,,C12,、L12通過(guò)變量Kb、Kr作用于噪聲方程,,因?yàn)镵b,、Kr正比于耦合嗓聲,所以變量Kb,、Kr被廣泛用于參數(shù)優(yōu)化和設(shè)計(jì)比較分析中,。由于Rdc與傳輸線的直流壓降有關(guān),而Rac是整個(gè)傳輸線電流返回路徑的函數(shù),,也是工作頻率的函數(shù),,所以Rdc與Rac不同,。
  由MCM電模型可知,物理參數(shù)的變化必將引起電參數(shù)的變化,,所以在MCM應(yīng)用中,,要全面考慮傳輸線網(wǎng)絡(luò)延遲、最大允許線長(zhǎng),、感應(yīng),、耦合、同步噪聲,、開(kāi)關(guān)噪聲,、線路轉(zhuǎn)換等因數(shù)。
3 輕小型化的雷達(dá)接收機(jī)研制
3.1 雷達(dá)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  體積小,、重量輕和高可靠性的雷達(dá)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)是研制的關(guān)鍵,。常規(guī)接收機(jī)由各個(gè)單元電路組裝的模塊連接起來(lái),在每個(gè)單元電路中將元器件焊接在電路板上,,再通過(guò)螺釘把電路板裝在盒體上,,信號(hào)通過(guò)SMA插座輸入輸出,單元電路通過(guò)電纜連接,。一般整個(gè)接收機(jī)尺寸約300mm×200mm×25mm,重量約10斤,。
  本文提出了一種新型的封裝結(jié)構(gòu),整個(gè)接收機(jī)封裝在一個(gè)小型的盒體里,,電路板采用多層基板,,直接焊接在盒體上。單元電路用芯片代替,,利用微組裝技術(shù),,將芯片用導(dǎo)電膠粘結(jié)到多層基板上,然后用超聲壓焊的方法將金絲或金帶鍵合到芯片及電路上,。射頻信號(hào)通過(guò)傳輸線垂直過(guò)渡輸入輸出,,大大減小了結(jié)構(gòu)的體積和重量。整個(gè)接收機(jī)尺寸18mm×9mm×3.2mm,重量?jī)H400克,。
3.2 雷達(dá)接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  雷達(dá)接收機(jī)的原理框圖如圖1所示,。


  組件的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足各項(xiàng)電性能指標(biāo)的前提下,盡量做到小型化,、輕型化,,這就要從綜合布局、單元電路的電性能及空間分配,、電磁兼容,、散熱等方面綜合考慮。系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的高低將決定組件性能的好壞。由于元件密度高,、增益高,、大小信號(hào)之間、高頻與低頻信號(hào)之間極易產(chǎn)生相互干擾,。所以在電路設(shè)計(jì)中,,將低噪聲放大器供電的電源線與后面電路相互隔離,在各器件的電源入口加濾波電路以避免電源與微波信號(hào)間的相互干擾,;同時(shí)合理布局,,將大信號(hào)與小信號(hào)分開(kāi),,盡量離得遠(yuǎn)些,;高頻與低頻信號(hào)用地隔開(kāi),要交叉的傳輸線和電源線通過(guò)中間層過(guò)渡,,以避開(kāi)交叉,;中間層上下再布地層以增加隔離度,大大減少了相互干擾,,較好地解決了小型化和干擾的矛盾,。
3.3 接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)
  輸入頻率RF:2.7GHz~3.5GHz
  輸出頻率IF:40MHz~60MHz
  噪聲系數(shù):≤2.5dB
  耐功率:連續(xù)波功率≥1W
  脈沖功率:≥10W
  增益:60dB~65dB
  輸入端口駐波:1.5:1
  帶內(nèi)起伏:≤±1.5dB
  接收機(jī)動(dòng)態(tài):≥50dB
  輸出能力P-1:≥10dBm
3.4 接收機(jī)電路設(shè)計(jì)
3.4.1 接收機(jī)的噪聲系數(shù)

  接收機(jī)的噪聲系數(shù)主要取決于限幅器和低噪聲放大器??偟脑肼曄禂?shù)為:
  
  限幅二極管芯片的安裝示意圖如圖2,。
  限幅二極管芯片在低電平工作時(shí),其等效為一個(gè)寬帶低通濾波器,,如圖3,。


  要降低限幅二極管引入的噪聲,就要精心設(shè)計(jì)連接微帶線和鍵合金絲的長(zhǎng)度,,使總的阻抗等效為50Ω,。
3.4.2 接收前端設(shè)計(jì)
  低噪聲放大器采用單片微波集成電路(MMIC),利用微組裝技術(shù),,將芯片用導(dǎo)電膠粘結(jié)到多層基板上,,輸入輸出用金絲鍵合。MMIC芯片鍵合金絲拱高與跨距對(duì)微波信號(hào)傳輸有較大影響,金絲鍵合的一致性和重復(fù)性非常重要,。金絲鍵合的模型如圖4所示,。


  對(duì)長(zhǎng)度為l、直徑為d的圓形鍵合金絲,,其串聯(lián)電感L和串聯(lián)電阻R可分別表示為:
  
  式中:μ0為空氣介質(zhì)的導(dǎo)磁率,,μr為鍵合金絲的相對(duì)導(dǎo)磁率,ρ和ds分別為鍵合金絲材料的電阻率和趨膚深度,。用ADS軟件對(duì)金絲進(jìn)行分析,,結(jié)果表明金絲加長(zhǎng)時(shí),傳輸損耗(dB(S(2,1))增大,駐波(dB(S(1,1))隨之變差,。通常對(duì)MMIC芯片而言,芯片焊區(qū)到微帶線的最佳距離是20mils~25mils,。
  理論和試驗(yàn)表明, 金絲(帶)鍵合拱高與跨距應(yīng)滿足以下要求:①在同跨距情況下,鍵合金絲(帶)的拱高越低越好,以平直為最佳(對(duì)單根金絲);②在同拱高情況下,鍵合金絲(帶)的跨距越短越好(對(duì)單根金絲);③若芯片焊區(qū)尺寸允許,盡量采用同時(shí)鍵合二根、三根金絲,。
3.4.3 中頻混頻器設(shè)計(jì)
  無(wú)源混頻器需要大的本振功率,,變頻損耗大,電路中需要更多的補(bǔ)償放大器,。為了減小體積,,設(shè)計(jì)采用MAXIM公司的有源混頻器MAX2682。
  它是一個(gè)小型化,、低噪聲系數(shù),、寬電源工作(單電源:+2.7V~5.5V)的下變頻器件。射頻信號(hào)頻率范圍為400MHz~2500MHz,,本振信號(hào)采用雙平衡混頻方式輸出中頻,,中頻信號(hào)頻率范圍為10MHz~500MHz。器件的尺寸僅為:2.8mm×2.6mm×0.9mm,,同時(shí)有關(guān)斷模式控制,。在關(guān)斷狀態(tài)下,僅消耗不到0.1μA的電流,,Z1,、Z2、Z3作為電路的匹配原件,。典型應(yīng)用電路如圖5所示,。


3.5 接收機(jī)的測(cè)試
  利用 Agilent N8975A噪聲測(cè)試儀和頻譜儀E4407B進(jìn)行電路的測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示,。


  由以上可以看出測(cè)試結(jié)果已經(jīng)達(dá)到接收機(jī)要求的性能指標(biāo),。
  由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,利用MMIC和微組裝技術(shù)可以大大減小接收機(jī)的體積,,降低整部雷達(dá)體積,、重量,提高整機(jī)的性能,、質(zhì)量和可靠性,。隨著微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)的迅速發(fā)展,高密度,、高速度,、高可靠的微電子技術(shù)有力地促進(jìn)了接收機(jī)的輕小型化,更能滿足現(xiàn)代雷達(dá)的需求,。

參考文獻(xiàn)
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