一种HTCC三维立体收发组件

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种HTCC三维立体收发组件。

背景技术

雷达是利用电磁波探测目标的设备，用发射机对目标发射电磁波照射，用接收机接收回波，以此获得目标的距离，速度，方位等信息。现有雷达按照扫描方式分类有：机械扫描雷达和相控阵雷达。早期雷达主要是机械扫描雷达，优点是结构简单和成本较低，缺点是体积大、扫描速度慢、跟踪精度不高和波束单一。相控阵雷达分为无源相控阵雷达和有源相控阵雷达。无源相控阵雷达只有一个发射机和接收机，依靠波控单元控制移相器改变每个阵元相位。而有源相控阵雷达每个阵元都有独立的T/R模块实现收发和幅相控制，相比无源相控阵雷达，其发射功率大、噪声系数低、可靠性高和实现多波束发射和接收。

限制相控阵雷达应用的重要因素之一是收发组件尺寸，收发组件的尺寸随着封装方式的进步在不断缩减。其中SIP(System In Package)封装是目前的主流之一，SIP将多种功能不同的芯片集成在一个封装内，实现电源模块，波束控制模块和收发模块，减小系统尺寸，减小传输损耗，降低能量损耗。SIP的实现方式有砖块式封装和瓦片式封装。

砖块式子阵纵向集成各种芯片形成一个独立的T/R子阵，横向装配相同的T/R模块，元器件方向垂直于天线平面，适用于较高频、小间距阵元，缺点是纵向尺寸较大。

瓦片式子阵采用分层结构，将不同功能芯片集成在多个平行放置的瓦片上，然后垂直互连，大幅减小了纵向高度、重量和成本。缺点是高密度封装引入了散热困难问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在立方体的六个面均放置有芯片，能够有效地利用基板面积，减少系统尺寸和重量，将射频收发链路放置在立方体的四个侧面，使主要热源间距增大，增加了系统散热能力的HTCC三维立体收发组件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种HTCC三维立体收发组件，为一顶部设有凹槽的立方体结构，立方体的四个外侧面上均设有用于完成射频信号接收和发射的射频收发电路；立方体下底面外侧设有用于实现电源转换和脉冲电源控制的电源调制电路；立方体腔体内设有实现四路通道的功分网络的一分四功分器芯片。

进一步地，所述射频收发电路包括幅相多功能芯片和设置在幅相多功能芯片周围的接收支路电源旁路电容、公共端电源旁路电容、发射支路电源旁路电容和栅极电源旁路电容；

幅相多功能芯片的发射输入端/接收输出端和一分四功分器芯片输出端通过微带线-带状线和类同轴连接，其发射输出端/接收输入端分别与位于该侧面对应的立方体上表面的射频接口连接。

所述电源调制电路包括有发射支路脉冲电源调制模块、接收支路脉冲电源调制模块和负电源调制模块；发射支路脉冲电源调制模块包括发射支路电源V1、四路驱动芯片、四路驱动芯片电源旁路电容、PMOS管、小电阻和大电阻；

发射支路电源V1分别与四路驱动芯片和四路驱动芯片电源旁路电容相连，四路驱动芯片包括四个输入端与四个输出端，每个输入端分别与幅相多功能芯片的T信号输出端相连；四路驱动芯片的每个输出端通过小电阻与PMOS管栅极相连、通过大电阻连接PMOS管的源极；PMOS管的源极还与发射支路电源V1连接；PMOS管的漏极连接幅相多功能芯片的VT信号，为幅相多功能芯片内的发射链路提供电源；

接收支路脉冲电源调制模块包括接收支路电源V2、电源驱动芯片、电源驱动芯片的电源旁路电容，接收支路电源V2分别连接电源驱动芯片和电源驱动芯片的电源旁路电容，电源驱动芯片的输入端连接幅相多功能芯片的R信号，电源驱动芯片的输出端接幅相多功能芯片的VR端；

负电源调制模块包括负电源V3、负基准芯片、负基准芯片电源输入端的旁路电容；负电源V3分别连接负基准芯片和负基准芯片电源输入端的旁路电容，负基准芯片的输出端接幅相多功能芯片的栅极VG。

进一步地，所述负基准芯片电源输入端的旁路电容包括两个并联的电容，并联电容的一端与负电源V3连接，另一端接地。

进一步地，所述发射脉冲控制信号TP和接收脉冲控制信号TR的输入端，幅相多功能芯片的发射输出/接收输入端，发射支路电源V1、接收支路电源V2和负电源V3的输入端，收发组件的数据输入端(包括有时钟信号CLK，锁存信号LD、数据有效位SEL、串行数据输入DATA和串行数据输出SO)，以及一分四功分器芯片的输入端在立方体的上表面。

进一步地，所述立方体的腔壁为中空结构，各器件相连的信号走线位于中空的腔壁内。所述立方体腔壁采用HTCC工艺的ALN基板制成。

本发明的有益效果是：本发明的收发组件集成度高，充分利用多层板特点进行设计；重量轻，在立方体内部挖空腔，散热性能好。四个收发组件模块分布于立方体的四个侧面，功分器芯片和负基准电源芯片放置在基板正面，四个PMOS管、四路驱动芯片等放置在基板背面，在立方体的六个面均放置有芯片，能过有效地利用基板面积，减少系统尺寸和重量，将射频收发链路放置在立方体的四个侧面，使主要热源间距增大，有效增加了散热面积，增加了系统散热能力。

附图说明

图1为本发明的HTCC三维立体收发组件的正视图；

图2为本发明的射频收发电路的示意图；

图3为多功能芯片内部收发链路结构图

图4为本发明的电源调制电路的电路图；

图5为本发明的HTCC三维立体收发组件的俯视图；

图6为本发明的收发组件的侧壁仿真模型图；

图7为图6的仿真模型的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1，本发明的一种HTCC三维立体收发组件，为一顶部设有凹槽的立方体结构，立方体的四个外侧面上均设有用于完成射频信号接收和发射的射频收发电路；立方体下底面外侧设有用于实现电源转换和脉冲电源控制的电源调制电路12；立方体腔体内设有实现四路通道的功分网络的一分四功分器芯片4。

如图2所示，所述射频收发电路包括幅相多功能芯片7和设置在幅相多功能芯片7周围的接收支路电源旁路电容8、公共端电源旁路电容9、发射支路电源旁路电容10和栅极电源旁路电容11；接收支路电源旁路电容8、公共端电源旁路电容9、发射支路电源旁路电容10和栅极电源旁路电容11分别与幅相多功能芯片7的VR、VD、VT、和VG端口相连，这些旁路电容起着抑制电源纹波的作用，对射频性能稳定性有着重要影响；

幅相多功能芯片7内集成有射频收发链路，采用常用的幅相多功能芯片即可，其链路结构如图3所示，射频收发链路包括接收支路低噪声放大器、发射支路功率放大器、收发共用衰减器、移相器和收发开关等结构；幅相多功能芯片7的发射输入端/接收输出端RF1和一分四功分器芯片输出端通过微带线-带状线和类同轴连接，其发射输出端/接收输入端RF2分别与位于该侧面对应的立方体上表面的射频接口连接。

本发明在立方体每个侧面均有一个射频收发电路，采用这样的设计可以大大地减少布板面积，减小射频损耗。

如图4所示，本发明所述的电源调制电路包括有发射支路脉冲电源调制模块、接收支路脉冲电源调制模块和负电源调制模块；

发射支路脉冲电源调制模块包括发射支路电源V1 14、四路驱动芯片21、四路驱动芯片电源旁路电容15、PMOS管19、小电阻17和大电阻18；

发射支路电源V1 14分别与四路驱动芯片21和四路驱动芯片电源旁路电容15相连，四路驱动芯片21包括四个输入端与四个输出端，每个输入端16分别与幅相多功能芯片7的T信号输出端相连，幅相多功能芯片的T信号是发射支路的脉冲调制信号，由串行数据的D25和控制信号TP共同控制，只有这两位同时为高位时，T才输出高位，故脉冲控制实则是控制TP信号的方波占空比，此处选用10％占空比；

四路驱动芯片21的每个输出端通过小电阻17与PMOS管19栅极相连、通过大电阻18连接PMOS管19的源极；小电阻17起着改善方波过冲的作用；大电阻18用以泄放PMOS管断电后贮存的电荷，保护PMOS管；PMOS管19可提供最大10A电流，作为发射支路的驱动芯片(图中只列出了一路输入输出电路图，其他三路相同)；PMOS管19的源极还与发射支路电源V1 14连接；PMOS管19的漏极20连接幅相多功能芯片7的VT信号，为幅相多功能芯片内的发射链路提供电源；

接收支路脉冲电源调制模块包括接收支路电源V2 22、电源驱动芯片24、电源驱动芯片的电源旁路电容25，接收支路电源V2 22分别连接电源驱动芯片24和电源驱动芯片的电源旁路电容25，电源驱动芯片的输入端23连接幅相多功能芯片的R信号，R信号调制方式与T信号类似；电源驱动芯片的输出端26接幅相多功能芯片的VR端，为幅相多功能芯片内的接收链路提供脉冲驱动电源；电源驱动芯片24可提供100mA电流，满足接收支路电流要求；

负电源调制模块包括负电源V3 27、负基准芯片30、负基准芯片电源输入端的旁路电容；负电源V3 27分别连接负基准芯片30和负基准芯片电源输入端的旁路电容，负基准芯片的输出端31接幅相多功能芯片的栅极VG；负基准芯片电源输入端的旁路电容包括两个并联的电容28和29，并联电容的一端与负电源V3连接，另一端接地。

发射支路脉冲电源调制模块和接收支路脉冲电源调制模块都是放大调制信号R和T的电流，不改变其方波波形和电平。

如图5所示，所述幅相多功能芯片7的发射脉冲控制信号TP和接收脉冲控制信号TR的信号输入端1，幅相多功能芯片的发射输出/接收输入端(6是幅相多功能芯片的发射输出/接收输入端，一共有四个，分别位于立方体的四个上表面上)，幅相多功能芯片的数据输入端3(包括有时钟信号CLK，锁存信号LD、数据有效位SEL、串行数据输入DATA和串行数据输出SO)，上述脉冲控制信号以及数据输入端通过腔壁13内部的走线直接与幅相多功能芯片相对应的pad(焊盘)通过金丝键合；发射支路电源V1、接收支路电源V2和负电源V3的输入端2，以及一分四功分器芯片的输入端5均在立方体的上表面。

进一步地，所述立方体的腔壁13为中空结构，各器件相连的信号走线位于中空的腔壁内。本发明在立方体上方挖深腔是为了减小整个组件的重量。整个收发组件的腔壁材料采用HTCC工艺的ALN基板，一共有45层，包括三部分，如图1所示：第一部分是顶层的3层，作为加装盖板的台阶；中间挖腔22层，以减小基板的重量；底部20层。HTCC工艺相对于LTCC工艺成本较低，且散热性能优异，通常适用于大功率组件。

射频收发电路的侧壁射频收发电路的键合仿真模型如图6所示，其中32是一短导带，其一端与立方体上表面的接口连接，从立方体侧面引出，另一端经由走线33金丝键合到34幅相多功能芯片上的pad，完成信号传输。图7是其仿真结果，S11是输入回波损耗，S22是输出回波损耗。由图7可以看到，模型的回波损耗均优于16dB，可以满足射频要求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。