1 引言

在目前X波段T/R組件研制中多采用多芯片組裝形式，用以滿足對X波段組件對體積和重量的苛刻要求，在組件設(shè)計(jì)過程中由于大量采用MMIC微波單片芯片及各種控制芯片，使得電路密度大大提高，但在芯片互聯(lián)過程中因安裝工藝的限制和要求，也同樣引入了很多不確定因素和微波傳輸上的不連續(xù)性。這些問題的累積對級聯(lián)后的系統(tǒng)性能將產(chǎn)生不利影響，同時(shí)會(huì)加大批量生產(chǎn)后組件性能的離散性。在諸多因素中芯片間的金絲互聯(lián)是最為常見的問題。一定長度和粗細(xì)的金絲對微波傳輸性能的影響是隨著傳輸頻率的升高而增大的。

2 分析和計(jì)算

在目前微波芯片鍵合互聯(lián)中最為常用的是直徑25微米和18微米的金絲，在使用中金絲的長度一般不超過0.4毫米，在低于3GHz頻率的應(yīng)用中，這樣尺寸的金絲對微波傳輸性能的影響是微弱的，在電路設(shè)計(jì)中一般可忽略。但在高于8GHz的高頻應(yīng)用中，其對電性能的影響卻是應(yīng)該加以重視了，尤其在多級系統(tǒng)級聯(lián)之后，其累積效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響是明顯的。圖1和圖2是對單根金絲在跨接標(biāo)準(zhǔn)微帶時(shí)對微波傳輸性能的影響仿真。計(jì)算模型是在微帶線之間跨接一根長0.4毫米，直徑18微米金絲。

圖1 金絲跨接微帶示意圖

由圖2可以看出金絲跨接對駐波和傳輸特性的影響，駐波可以從1.2惡化到1.9，插損由小于0.3dB惡化到0.7dB。這僅僅是一根金絲對微帶傳輸線的影響，在X波段T/R組件中，一般由限幅器、低噪聲放大器、衰減器、移相器、開關(guān)和功率放大器等微波元器件組成，這些器件目前均已實(shí)現(xiàn)單片化，在組件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的就是器件之間的互聯(lián)問題，在諸多互聯(lián)問題中，金絲影響是不可回避的問題。圖3是X波段T/R組件接收通道在考慮了互聯(lián)因素前后的性能變化。

圖2 金絲對駐波和傳輸性能的影響

由圖3可以看出，加金絲不加補(bǔ)償，系統(tǒng)級聯(lián)性能有相當(dāng)大的下降，增益約下降2~3dB,輸入、輸出駐波由1.6惡化到2.3。因此，在組件設(shè)計(jì)中加入補(bǔ)償電路是十分必要的。

圖3 X波段T/R組件接收通道在考慮金絲0.4mm長度前后系統(tǒng)級聯(lián)性能(粗線為加金絲后，細(xì)線是加金絲前)[!--empirenews.page--]

3 補(bǔ)償電路仿真分析

金絲的電路模型可等效為電感，在T/R組件微波信號通路上可等效為一系列串聯(lián)電感。消除電感的影響，通常的方法是采用等效電容補(bǔ)償?shù)姆椒?，在LTCC基板上以圖4所示的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其等效電路模型如圖5所示。

圖4 LTCC微帶補(bǔ)償電路

圖5 補(bǔ)償電路等效模型

仿真系統(tǒng)采用組件接收通道為基礎(chǔ)，建立仿真系統(tǒng)模型，級聯(lián)系統(tǒng)框圖如圖6所示，系統(tǒng)包括限幅器、低噪聲放大器、衰減器、開關(guān)、移相器。加入補(bǔ)償電路后系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 仿真系統(tǒng)級聯(lián)框圖

圖7 加補(bǔ)償電路后T/R組件接收支路系統(tǒng)仿真結(jié)果

(金絲長度0.4mm，直徑25微米)

從圖7可以看出加入補(bǔ)償電路后，駐波小于1.6，增益增加到25～28dB，整個(gè)組件級聯(lián)性能基本達(dá)到不考慮金絲直接連接的性能指標(biāo)。

4 結(jié)論與分析

從金絲補(bǔ)償電路前后，T/R組件系統(tǒng)級聯(lián)的性能的比較中，我們可以看出補(bǔ)償電路的效果是顯而易見的。在仿真過程中為了簡化仿真過程，將所有金絲尺寸和仿真電路尺寸均設(shè)為相同尺寸，沒有對每個(gè)器件進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化。本文所使用的補(bǔ)償電路的等效電路為低通電路，這種電路大量運(yùn)用于阻抗變換和電路匹配，因此，如果將每個(gè)單元電路的S參數(shù)對補(bǔ)償電路進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)級聯(lián)后的性能指標(biāo)完全有可能獲得更滿意的結(jié)果。本文所使用的金絲模型直接采用ADS軟件中電路靜態(tài)模型，針對實(shí)際電路中金絲可能的拱高以及與前后LTCC微帶線的壓接位置，在三維仿真軟件HFSS中對金絲進(jìn)行了三維建模仿真，仿真結(jié)果表明三維模型與電路靜態(tài)模型精度相當(dāng)，權(quán)衡仿真速度和精度，采用靜態(tài)模型更有效。