摘要：利用多芯片組件和多層基板技術(shù)，研制了一種新型輕小型化的雷達(dá)接收機(jī)。著重分析接口收機(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) 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、體積小、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)，通過采用單片機(jī)集成電路、微型封裝的表面帖裝器件，利用先進(jìn)的微組裝技術(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)。基于類型有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，用以安裝相位的電子元器件。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)層調(diào)協(xié)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，MCU采用多層基板作襯底。基板中可以有信號(hào)層、電源層和接地層。互連方式有絲焊、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。MCU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)傳輸線無損耗，動(dòng)態(tài)傳輸線上有上升時(shí)間tr的干擾電壓Vin
　　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是耦合長度,τ是傳輸延遲，C11、L11是自身電容和自身電感，C12、L12通過變量Kb、Kr作用于噪聲方程，因?yàn)镵b、Kr正比于耦合噪聲，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)的變幻和將引起電參數(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、允許線長、感應(yīng)、耦合、同步噪聲、開關(guān)噪聲、線路轉(zhuǎn)換等因素。

　　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，在每個(gè)單元電路中將元器件焊接在電路板上，再通過螺釘把電路板裝在盒體上，信號(hào)通過SMA插座輸入輸出，單元電路通過電纜連接。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)通過傳輸線垂直過渡輸入輸出，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，重量僅400克。
　　3．2 雷達(dá)接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　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，盡量離得遠(yuǎn)些；高頻與低頻信號(hào)用地隔開，要交叉的傳輸線和電源線通過中間層過渡，以避開交叉；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
　　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。總的噪聲系數(shù)為：
　　限幅二極管芯片的安裝示意。
　　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。
　　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，輸入輸出用金絲鏈合。MMIC芯片鍵合金絲拱高與跨距對(duì)微波信號(hào)傳輸有效大影響，金絲鍵合在一致性和重復(fù)性非常重要。
　　對(duì)長度為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
　　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（對(duì)單根金絲）；②在同拱高下，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（單片源：+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)采們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。
　　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)。
　　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。