基于硅基MEMS工艺的Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统

基于硅基微电子机械系统(MEMS)工艺设计了一种Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统，实现四通道收发及功率合成功能。器件每个通道具备6 bit数控移相、5 bit数控衰减、电源调制等功能。该T/R微系统由两层硅基MEMS模块堆叠而成，每层硅基模块内部异构集成多个单片微波集成电路(MMIC),内部采用硅通孔(TSV)实现垂直互连，层间采用植球互连，器件尺寸为18 mm×19.5 mm×3 mm。经测试，在33～37 GHz频段内，器件单通道饱和发射功率大于30 dBm,接收增益约为35 dB,噪声系数小于4.6 dB。器件兼顾高性能和高集成度，可应用于雷达相控阵系统。     

基于异构集成技术的相控阵T/R组件微系统

基于硅基微电子机械系统(MEMS)工艺和三维异构集成技术,研制了一款硅基X波段2×2相控阵T/R组件.该组件采用收发一体多功能芯片方案,将所有器件封装于两层硅基中.其中上层硅基集成了低噪声放大器、功率放大器、开关、电源调制驱动器和PMOSFET等芯片,下层硅基集成了多功能芯片、串/并转换芯片以及逻辑运算芯片;两层硅基封装之间通过植球进行堆叠.最终样品尺寸仅为20 mm×20 mm×3 mm.实测结果显示,在8～ 12 GHz内,该T/R组件饱和输出功率约为29 dBm,接收增益约为21 dB,接收噪声系数小于3 dB,在具备优良射频性能的同时实现了组件的小型化.     

一种基于MEMS体硅工艺的三维集成T/R模块

采用微电子机械系统(MEMS)体硅三维异构集成技术,设计了一种应用于雷达的四通道瓦片式三维集成T/R模块.该模块由三层硅基封装堆叠而成,每层硅基封装内部腔体异构集成多个单片微波集成电路(M MIC),内部采用硅通孔(TSV)实现互连,层间通过焊球互连.模块最终尺寸为8 mm×8 mm×3.5 mm.装配完成后对该模块进行测试,测试结果表明,在34～36 GHz内,模块的饱和发射功率为21 dBm,单通道发射增益达到21 dB,接收增益为23 dB,接收噪声系数小于3.5 dB,同时具备6 bit数控移相和5 bit数控衰减等功能.该模块在4个通道高密度集成的基础上实现了较高的性能.     

一种集成环行器的X波段三维异构集成T/R模组

微电子机械系统(MEMS)环行器被广泛应用于射频(RF)T/R微系统中，解决共用天线且收发隔离的问题。基于硅基三维(3D)异构集成工艺，设计了一种集成MEMS环行器的X波段T/R模组。该模组以高阻硅为介质基板，在硅基板上、下表面电镀金属图形，并堆叠多层硅基晶圆，在硅基模组上封装了集成无源器件(IPD)环行器，完成了多种微波芯片和MEMS环行器的系统级封装(SiP),将环行器紧凑集成在硅基T/R模组中。模组尺寸为12.0 mm×11.3 mm×2.0 mm。测试结果表明，在8～12 GHz频带内，模组接收通道增益为27 dB,接收通道噪声系数小于3.2 dB;发射通道增益为33 dB,饱和输出功率大于2 W。     

基于硅基堆叠SIP技术的超宽带T/R组件

传统的超宽带T/R组件采用的是两维砖块式结构,体积和重量已不适应目前小型化、低剖面、易共形的相控阵天线要求。文中提出的基于硅基堆叠系统级封装(SIP)技术,将四通道的射频芯片高度集成在硅基介质基板上,将多层介质基板厚金压合,实现多层堆叠的三维封装。通过采用芯片多功能集成技术和超宽带射频信号的垂直互连技术,设计出三维堆叠的四通道超宽带T/R组件。T/R组件带宽为6 GHz～18 GHz,单通道的发射功率优于23 dBm,接收增益优于20 dB,可实现6位数控衰减及6位数控移相,尺寸仅有13.0 mm×13.0 mm×3.4 mm。该技术可以实现多通道超宽带T/R组件的SIP封装,有利于工程应用。     

小型化封装的四通道多功能电路

基于GaAs E/D赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺、多层陶瓷管壳工艺和芯片微组装工艺技术,设计并制作了一种微波小型化封装四通道多功能电路.该多功能电路集成了通道选择、6 bit移相和4 bit衰减等功能,由低噪声放大器(LNA)芯片、功分开关网络多功能芯片(MFC)、数控移相衰减多功能芯片、3-8译码器芯片和多层陶瓷外壳组成.测试结果表明,在频率为2.0～3.5 GHz时,电路增益大于16 dB,噪声系数小于1.3 dB,端口电压驻波比(VSWR)小于1.5∶1,多功能电路采用+5 V/-5 V供电,工作电流分别为110 mA@+5 V,48 mA@-5 V.多功能电路的封装尺寸为19.0 mm×17.0 mm×3.1 mm.     

基于LTCC的X波段四通道发射SiP模块

面向雷达相控阵系统应用,研制了一款X波段四通道发射封装内系统(SiP)模块。SiP模块采用低温共烧陶瓷(LTCC)基板,共28层,设计最小线宽为150μm,且内置埋阻。模块集成了驱动放大器、低噪声放大器(LNA)、幅相多功能等芯片,并将四功分器和交叉带状线网络设计于基板内部,提高了模块的集成度和通道间隔离度,采用内部互连的LTCC基板实现了多种有源器件和无源结构的三维集成。测试结果表明,在工作频率9～10.5 GHz, SiP模块单通道增益≥37 dB,输出功率可达24 dBm,通道间隔离度≥25 dB。SiP模块尺寸仅为20 mm×20 mm×2.65 mm,质量约3.35 g。实现了X波段多通道SiP模块的高性能、高集成度和小型化,可广泛应用于相控阵雷达的T/R组件中。     

GaAs低噪声放大器的抗静电设计

基于提升GaAs低噪声放大器(LNA)的抗静电(ESD)能力的需求,且实现器件小型化轻量化,设计了一种S波段GaAs低噪声放大器的ESD防护电路,该电路利用1/4波长线的微波特性,通过1/4波长微带线并联在GaAs芯片的输入输出端,瞬态二极管(TVS)并联在芯片的电源端,不改变器件原有封装尺寸的条件下构成保护结构.基于ESD人体模型,运用静电模拟仪器对低噪声放大器进行了模拟试验,并对其性能进行了测试.结果表明,在6.5 mm×6.5 mm×2.4 mm的封装尺寸下,器件的抗静电能力从250 V提高到了1 000 V,在频率为2.6～3.7 GHz,带内增益大于25 dB,增益平坦度小于-±0.5 dB,噪声系数小于1.5 dB,满足高可靠领域应用的要求.     

基于三维集成技术的Ku波段四通道T/R模块

基于三维集成技术研制了一款适用于表面贴装技术的Ku波段四通道T/R模块.模块内部设计成两层层叠结构,层间使用球栅阵列实现互连,仿真分析模块微波垂直互连结构、腔体谐振和散热模型,实现模块的小型化.模块集成了数控移相、数控衰减和串并转换等功能,由幅相控制多功能芯片、开关功率放大器芯片、限幅低噪声放大器和控制芯片构成.测试结果显示,在Ku波段内,单路发射通道饱和输出功率大于30 dBm,接收通道增益大于20 dB,噪声系数小于3.5 dB,模块尺寸为16 mm×16 mm×2.5 mm.     

X波段氮化镓小型化T/R组件的设计与实现

针对高功率T/R组件的小型化问题,提出了一种X波段氮化镓(Ga N)小型化T/R组件的设计与实现方法。在小型化尺寸内实现了4个收发通道,内部包含了318个元器件。对组件复杂功能及由此带来的工艺装配问题和热问题进行了阐述与分析。研制出了采用多功能芯片技术、多层复合基板技术和多芯片组装(MCM)技术的组件,内部高度集成,实现了小型化。测试结果表明,组件尺寸为65 mm×60 mm×8.5 mm,发射输出功率≥30 W,实现了小型化和良好的电气性能。     

高集成X波段收发SiP模块设计与实现

研制了一种高集成、高散热、多功能一体化微波收发系统级封装(SiP)模块。该SiP模块工作频率为8.5～10.5 GHz,内部集成高功率放大、功率限幅、低噪声信号放大和预选滤波等功能。采用高热导率AlN基材实现良好散热,并将滤波器设计于多层AlN内部,实现有源器件和无源结构的三维集成。测试结果表明,该SiP模块接收通道增益≥20 dB,限幅功率达到50 W,噪声系数≤2.8 dB;发射通道输出功率≥20 W。SiP模块尺寸仅为10 mm×10 mm×2.65 mm,质量约1 g,具有很好的滤波预选功能,可以广泛应用于T/R组件前端。     

一种P波段小型化表贴型T/R组件研制

文章介绍了小型化、表贴型雷达T/R组件的设计方法和实现形式,详细阐述了其工作原理及核心电路设计过程,给出了一体化封装方式的实现途径,并通过T/R组件实物的研制验证了其性能指标。研制结果表明该组件尺寸仅为40mm×25mm×4.8mm,重量不到10g,具有小型、轻质、器件化的特质,已经在某雷达中得到了应用。     

基于LTCC技术的Ku波段四通道T/R组件研制

基于相控阵雷达的应用需求,利用LTCC多层基板技术,研制了Ku波段四通道T/R组件。该组件通过三维布局实现了组件的小型化和轻量化,同时也保证了射频、电源和控制的信号完整性。通过微带线变换带状线的优化设计,实现了良好的传输性能,提高了四通道信号间的隔离度。腔体内部做了隔墙设计,避免四通道的信号干扰,保证一致性。最终研制实现的小型化Ku波段四通道T/R组件,尺寸仅为70 mm×37.8 mm×11.5 mm,质量约53 g,组件接收增益大于25 dB,噪声系数小于4 dB,发射功率大于16 W。该T/R组件四通道一致性好,性能稳定,具有较好的应用价值。     

小型化层叠式三维T/R组件

三维收发(T/R)组件具有小型化、重量轻和可扩充等特点,成为T/R组件技术的重要发展方向之一。本文对一种基于低温共烧陶瓷(LTCC)的Ku波段小型化三维T/R组件进行了研究,通过分析优化组件的垂直微波互连技术、电路布局优化及无源等效模型,设计出具有优良电性能(输出功率≥24.5 dBm,接收增益大于≥25 dB,接收噪声系数≤3.5 dB)的小型化三维T/R组件。该组件利用LTCC高密度布线、球栅阵列(BGA)高密度连接优点,把组件设计成三层层叠结构,并且把部分芯片集成于“多功能芯片”,进一步缩小了尺寸,单个组件尺寸为9.5 mm×9.5 mm× 3.8 mm,有效实现了T/R组件的小型化。     

基于QFN封装的X波段GaAs T/R套片设计

基于陶瓷方形扁平无引脚(QFN)封装研制出4款X波段GaAs微波单片集成电路(MMIC),包括GaAs幅相控制多功能芯片(MFC)、功率放大器、低噪声放大器、开关限幅多功能芯片.利用QFN技术将这套芯片封装在一起,组成2 GHz带宽的QFN封装收/发(T/R)组件,输出功率大于1W,封装尺寸为9 mm×9 mm×1 mm.通过提高GaAsMMIC的集成度、放大器单边加电、内部端口匹配,创新性地实现了微波T/R组件的小型化.这几款芯片中最复杂的X波段幅相控制多功能芯片集成了T/R开关、六位数字移相器、五位数字衰减器、增益放大器及串转并驱动器.在工作频段内,收发状态下,增益大于5 dB,1 dB压缩输出功率(P-1)大于7 dBm,移相均方根(RMS)误差小于2.5.,衰减均方根误差小于0.3 dB,回波损耗小于-12 dB,裸片尺寸为4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm.     

C波段高集成高功率GaN T/R模块研究

采用ADS软件仿真设计了一种基于GaAs小信号单片微波集成电路(MMIC)、GaN大功率MMIC和多层复合介质板的C波段小型化发射/接收(T/R)模块,实现了微波信号的放大、收发控制、数字幅相控制及+28 V高压电源调制的一体化,具有小体积、轻量化、低噪声、高功率、高效率等特点.TR模块尺寸为33 mm×65 mm×10 mm,在C波段实现指标为:发射功率50 W,功率附加效率28％,接收增益37 dB,噪声系数3 dB.     

一种基于硅基MEMS三维异构集成技术的T/R组件

基于硅基微电子机械系统(MEMS)三维异构集成工艺,设计并制作了用于相控阵天线系统的三维堆叠式Ku波段双通道T/R组件。该组件由两层硅基结构通过球栅阵列(BGA)植球堆叠而成,上下两层硅基封装均采用5层硅片通过硅通孔(TSV)、晶圆级键合工艺实现。组件集成了六位数控移相、六位数控衰减、串转并、电源调制、逻辑控制等功能,最终组件尺寸仅为15 mm×8 mm×3.8 mm。测试结果表明,在Ku波段内,该组件发射通道饱和输出功率大于24 dBm,单通道发射增益大于20 dB,接收通道增益大于20 dB,噪声系数小于3.0 dB。该组件性能好,质量轻,体积小,加工精确度高,组装效率高。     

基于叠层SIW滤波器的高集成硅基毫米波收发前端

提出了一种基于硅基晶圆级封装技术的小型化Ka频段收发前端,实现了接收通道、发射通道与本振产生电路的一体集成。该收发前端采用嵌入叠层型基片集成波导(SIW)滤波器结构实现高选择性预选滤波与低损耗垂直互连过渡的一体化设计。测试结果表明,该Ka频段滤波器中心损耗1 dB,1 dB带宽4.02 GHz,中心频偏5 GHz处抑制度优于35 dB,仿真与测试结果吻合良好。在前端模组设计中,通过采用硅基微腔屏蔽实现紧凑尺寸下各功能单元的隔离,通过采用1/4波长短路传输线结构抑制电源、控制等低频信号对接收中频的干扰,最终实现了该毫米波收发前端的小型化集成,其尺寸仅为20 mm×20 mm×1.25 mm,主要电性能满足设计要求。     

5～40GHz CMOS衰减器的设计与实现

基于GF 8HP 0.12 μm BiCMOS工艺设计并实现了一款应用于相控阵系统的具有低幅度均方根(RMS)误差的单片集成5～40 GHz5 bit数控衰减器.该衰减器采用桥T和单刀双掷(SPDT)开关结构,其中的NMOS开关管通过采用体端悬浮技术,改善了衰减器在全部衰减态下插损的平坦度,降低了衰减器的插损,提高了衰减器的线性度.测试结果显示,在5 ～ 40 GHz频段内,该5 bit数控衰减器的插损最小值为5.7 dB,最大值为14.2 dB,幅度均方根误差小于0.39 dB,相移均方根误差小于5.7°,1 dB压缩点输入功率大于+11 dBm,芯片核心面积为0.86 mm×0.39 mm.     

MMIC在T/R组件中的应用

采用单片微波集成电路(MMIC)芯片技术和多芯片组件(MCM)微组装工艺,设计了一款小尺寸双通道发射接收(T/R)组件.组件由环形器、限幅器芯片、低噪声放大器(LNA)芯片、幅相控制多功能芯片、驱动放大器芯片和功率放大器芯片(PA)等部分构成.基于GaAs的LNA MMIC芯片具有更低噪声系数,基于GaN的PA MMIC芯片具有更高的输出功率及功率附加效率.组件接收通道采用基于GaAs的LNA芯片,发射通道采用基于GaN的PA芯片,设计了针对发射通道驱动放大器与功率放大器的协同脉冲调制电路.研制的T/R组件在8～12 GHz的频带内:接收通道在工作电压+5 V连续波的条件下,小信号增益大于20 dB,噪声小于3 dB;发射通道在周期1 ms,脉宽10％的调制脉冲条件下,脉冲发射功率大于46 dBm.T/R组件外形尺寸为70 mm×46 mm×15 mm.