X波段MCM T/R组件的系统补偿设计

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                1  引言

                        在目前X波段T/R组件研制中多采用多芯片组装形式，用以满足对X波段组件对体积和重量的苛刻要求，在组件设计过程中由于大量采用MMIC微波单片芯片及各种控制芯片，使得电路密度大大提高，但在芯片互联过程中因安装工艺的限制和要求，也同样引入了很多不确定因素和微波传输上的不连续性。这些问题的累积对级联后的系统性能将产生不利影响，同时会加大批量生产后组件性能的离散性。在诸多因素中芯片间的金丝互联是最为常见的问题。一定长度和粗细的金丝对微波传输性能的影响是随着传输频率的升高而增大的。
                         
                        2  分析和计算

                        在目前微波芯片键合互联中最为常用的是直径25微米和18微米的金丝，在使用中金丝的长度一般不超过0.4毫米，在低于3GHz频率的应用中，这样尺寸的金丝对微波传输性能的影响是微弱的，在电路设计中一般可忽略。但在高于8GHz的高频应用中，其对电性能的影响却是应该加以重视了，尤其在多级系统级联之后，其累积效应对系统性能的影响是明显的。图1和图2是对单根金丝在跨接标准微带时对微波传输性能的影响仿真。计算模型是在微带线之间跨接一根长0.4毫米，直径18微米金丝。
                         
       

               

       

                图1  金丝跨接微带示意图

                         
                        由图2可以看出金丝跨接对驻波和传输特性的影响，驻波可以从1.2恶化到1.9，插损由小于0.3dB恶化到0.7dB。这仅仅是一根金丝对微带传输线的影响，在X波段T/R组件中，一般由限幅器、低噪声放大器、衰减器、移相器、开关和功率放大器等微波元器件组成，这些器件目前均已实现单片化，在组件设计中重点解决的就是器件之间的互联问题，在诸多互联问题中，金丝影响是不可回避的问题。图3是X波段T/R组件接收通道在考虑了互联因素前后的性能变化。
                         
       

               

       

                 

       

               

       

                图2  金丝对驻波和传输性能的影响

                 
                        由图3可以看出，加金丝不加补偿，系统级联性能有相当大的下降，增益约下降2~3dB,输入、输出驻波由1.6恶化到2.3。因此，在组件设计中加入补偿电路是十分必要的。
                         
       

               

       

                图3  X波段T/R组件接收通道在考虑金丝0.4mm长度前后系统级联性能（粗线为加金丝后，细线是加金丝前）

       

                 

                        3  补偿电路仿真分析

                        金丝的电路模型可等效为电感，在T/R组件微波信号通路上可等效为一系列串联电感。消除电感的影响，通常的方法是采用等效电容补偿的方法，在LTCC基板上以图4所示的电路结构来实现，其等效电路模型如图5所示。
                         
       

               

       

                图4  LTCC微带补偿电路

       

                 

       

               

       

                图5  补偿电路等效模型

                         
                        仿真系统采用组件接收通道为基础，建立仿真系统模型，级联系统框图如图6所示，系统包括限幅器、低噪声放大器、衰减器、开关、移相器。加入补偿电路后系统仿真结果如图7所示。
                         
       

               

       

                图6  仿真系统级联框图

                 
       

               

       

                图7  加补偿电路后T/R组件接收支路系统仿真结果
                （金丝长度0.4mm，直径25微米）

                         
                        从图7可以看出加入补偿电路后，驻波小于1.6，增益增加到25～28dB，整个组件级联性能基本达到不考虑金丝直接连接的性能指标。
                         
                        4  结论与分析

                        从金丝补偿电路前后，T/R组件系统级联的性能的比较中，我们可以看出补偿电路的效果是显而易见的。在仿真过程中为了简化仿真过程，将所有金丝尺寸和仿真电路尺寸均设为相同尺寸，没有对每个器件进行单独优化。本文所使用的补偿电路的等效电路为低通电路，这种电路大量运用于阻抗变换和电路匹配，因此，如果将每个单元电路的S参数对补偿电路进行优化，系统级联后的性能指标完全有可能获得更满意的结果。本文所使用的金丝模型直接采用ADS软件中电路静态模型，针对实际电路中金丝可能的拱高以及与前后LTCC微带线的压接位置，在三维仿真软件HFSS中对金丝进行了三维建模仿真，仿真结果表明三维模型与电路静态模型精度相当，权衡仿真速度和精度，采用静态模型更有效。