一种K频段数字阵列微系统

技术领域

本发明涉及电气元件技术领域，具体涉及一种K频段数字阵列微系统。

背景技术

数字阵列模块是有源相控阵雷达中的核心组件之一，广泛应用于数字阵列雷达和卫星通信领域。与传统相控阵雷达相比，数字阵列雷达具有大动态范围、低损耗、低副瓣、系统任务可靠性高等优点。

卫星通信是解决偏远地域、海上、空中用户远程通信的最好手段。其中，宽带用户终端是宽带卫星通信系统满足各类用户通信需求的关键设备，目前各系统用户终端主要利用现有的天线、射频和基带实现技术研制，难以满足通用性强、集成度高、外观美、成本低等要求。

数字相控阵优点是利用快速发展的数字技术，提供了更强的波束赋形的灵活性、多域抗干扰和多目标探测的能力。K频段数字阵列微系统采用集成化和数字化技术，将射频收发单元、上下变频模块、数字处理模块等功能电路整合并一体化设计，完成微系统数字化收发、数据预处理及数据传输功能。

传统的数字阵列模块架构采用多个分离模块搭建而成，即首先采用安装在金属屏蔽盒内的MMIC裸芯片构建收发模块、上下变频模块、数字收发模块，然后选择合适性能的子系统模块来构建数字阵列模块。

显然传统数字阵列模块架构对于收发组件、上下变频和数字处理采用分离设计，模块之间互连损耗和系统尺寸、成本都会大大提高，存在成本高、体积大、集成度低的劣势。

发明内容

本发明是为了解决传统多通道数字阵列模块架构中分离设计的收发组件和数字处理模块的互连损耗和系统成本高、体积大、集成度低的问题，提供一种K频段数字阵列微系统，本发明为通过LTCC基板集成收发组件、变频射频功能和数字处理功能的小型化、高集成度的K频段数字阵列微系统架构。

本发明提供一种K频段数字阵列微系统，包括从上到下依次垂直互连的LTCC1转接板、LTCC2转接板、LTCC3转接板，连接在LTCC1转接板上表面的毫米波收发变频芯片，连接在LTCC2转接板正面凹腔和/或背面凹腔、LTCC3转接板正面凹腔和/或背面凹腔的模数混合SOC芯片，连接LTCC1转接板、LTCC2转接板、LTCC3转接板的BGA植球，连接LTCC1转接板与毫米波收发变频芯片，模数混合SOC芯片与LTCC2转接板、LTCC3转接板的微凸点；

LTCC1转接板、LTCC2转接板和LTCC3转接板均包括至少两层金属信号层和连接在金属信号层之间的陶瓷基板，LTCC1转接板、LTCC2转接板和LTCC3转接板均进行射频信号、中频信号、供电信号和控制信号的传输，毫米波收发变频芯片进行中频信号到射频信号的上变频和射频信号到中频信号的下变频，模数混合SOC芯片进行接收信号ADC转换、滤波和发射信号DAC转换、放大和滤波。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，LTCC1转接板中集成无源滤波器，LTCC2转接板和LTCC3转接板中均集成无源巴伦；

毫米波收发变频芯片的每个通道依次连接LTCC1转接板、无源滤波器、LTCC2转接板或LTCC3转接板、无源巴伦和模数混合SOC芯片的一个通道；

无源滤波器的数量与无源巴伦的总数量相同。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，LTCC1转接板包括从上到下依次设置的金属信号层M11～M17和连接在两个金属信号层之间的6层陶瓷基板，无源滤波器与金属信号层M15连接；

金属信号层M11为毫米波收发变频芯片的焊接层和收发信号水平传输层，金属信号层M12为接地层，金属信号层M13为收发变频芯片供电和控制信号层，金属信号层M14为接地层，金属信号层M15和M16为无源滤波器传输层，金属信号层M7为BGA球焊接层，金属信号层M7与LTCC2转接板的顶层通过BGA植球连接；

毫米波收发变频芯片依次与无源滤波器、BGA植球、LTCC2转接板连接，毫米波收发变频芯片与金属信号层M13连接。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，金属信号层M15、M16之间的陶瓷基板和金属信号层M16、M17之间的陶瓷基板中部均设置用于避让模数混合SOC芯片的空腔。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，LTCC2转接板包括从上到下依次设置的金属信号层M21～M2a和连接在两个金属信号层之间的9层陶瓷基板，无源巴伦与金属信号层M22、金属信号层M23连接；

金属信号层M21～M23之间陶瓷基板的中部均进行挖腔，金属信号层M23的表层区域可焊接模数混合SOC芯片，金属信号层M27～M2a之间的陶瓷基板中间均进行挖腔，金属信号层M27的表层区域可焊接模数混合SOC芯片，金属信号层M22和金属信号层M23为无源巴伦层，金属信号层M24和金属信号层M26为差分信号层，金属信号层M5为模数混合SOC芯片的控制信号层和供电层，金属信号层M28和金属信号层M29层为供电和控制信号过渡层，金属信号层M2a为BGA球焊接层；

金属信号层M21左侧接收到LTCC1转接板传出的中频信号、垂直过渡传输到金属信号层M2a层，金属信号层M21右侧收到的LTCC1转接板中频信号垂直传输到金属信号层M22和金属信号层M23层再经无源巴伦输出差分信号至金属信号层M23和金属信号层M26层，差分信号垂直传输模数混合SOC芯片，模数混合SOC芯片的信号控制和供电信号也可由金属信号层M2a垂直传输经金属信号层M25再垂直传输至金属信号层M23和金属信号层M27层的模数混合SOC芯片。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，LTCC3转接板包括从上到下依次设置的金属信号层M31～M38和连接在两个金属信号层之间的7层陶瓷基板，无源巴伦与金属信号层M32、金属信号层M33连接；

金属信号层M31～金属信号层M34之间的陶瓷基板中部挖腔，金属信号层M34表层区域焊接模数混合SOC芯片，金属信号层M38表层区域焊接模数混合SOC芯片，金属信号层M32和金属信号层M33层为无源巴伦层，金属信号层M35和金属信号层M37为差分信号层，金属信号层M36为模数混合SOC芯片控制信号和供电层，金属信号层M38层为BGA球焊接层。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，金属信号层M31层左侧接收到LTCC1转接板传出经LTCC2转接板过渡的中频信号再垂直传输到金属信号层M32和金属信号层M33层，经无源巴伦输出差分信号至金属信号层M35和金属信号层M37层，差分信号垂直传输给模数混合SOC芯片，模数混合SOC芯片的信号控制和供电信号由金属信号层M38层垂直传输经金属信号层M36层再垂直传输至金属信号层M34和金属信号层M38层的模数混合SOC芯片；金属信号层M31层的右侧将得到LTCC2转接板上的输入输出信号、供电控制信号垂直过渡传输至金属信号层M38层。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，还包括与外部互连的电源接口、控制接口和射频接口；

电源接口提供工作所需的供电偏置，供电偏置包括以下任意一种或几种：3.3V电压偏置、1.8V电压偏置、1.3V电压偏置和1V电压偏置；

控制接口输入控制指令和基带信号，控制指令为3.3V的TTL电平，控制指令包括以下任意一种或几种：收发切换信号T/R、SPI时钟信号SCLK、4位芯片信号ID[3:0]、复位信号RST_IN、片选信号SYNC、SPI数据输入信号SDI、IIC复位信号SOC_RST、IIC输入时钟信号SOC-CLK、IIC输入数据信号SOC_SDI、VREF内外参考输入选择信号；基带信号通过Serdes高速接口输入，基带信号包括以下任意一种或几种：外部时钟输入信号SOC_CLK±、Serdes接收端输入信号SERDIN[0:15]±、Serdes输出端输出信号SERDOUT[0:16]±、SYNC输入信号SYNCIN[0:7]±、SYNC输出信号SYNCOUT[0:7]±、SYSREF输入信号SYSREF_IN[0:7]±；

射频接口进行射频信号的接收和发射。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，金属信号层的材质为以下任意一种：Au、Ag、Pd/Ag；

毫米波收发变频芯片和毫米波收发变频芯片的数量为至少两个，每个毫米波收发变频芯片均为四通道硅基毫米波收发变频芯片，模数混合SOC芯片为双通道硅基射频软件定义的模数混合SOC芯片，模数混合SOC芯片的数量为毫米波收发变频芯片数量的2倍；

毫米波收发变频芯片接收K频段输入信号进行放大，毫米波收发变频芯片接收本振信号并进行放大、多分路功率均分与放大后的K频段输入信号混频得到中频信号并经过无源巴伦和无源滤波器后输出至模数混合SOC芯片，模数混合SOC芯片将中频信号进行双通道ADC转换、滤波后输出；

模数混合SOC芯片接收发射信号进行DAC转换、信号放大和滤波后输出中频信号经无源滤波器、无源巴伦输出至毫米波收发变频芯片，毫米波收发变频芯片接收中频信号并经过放大、上变频为K频段信号后发射输出；

毫米波收发变频芯片和模数混合SOC芯片均基于硅基COMS工艺、晶圆级芯片封装并集成微凸点；

微凸点为C4微凸点。

本发明所述的一种K频段数字阵列微系统，作为优选方式，毫米波收发变频芯片的数量为4个，模数混合SOC芯片的数量为8个，无源滤波器和无源巴伦的数量均为32个。

本发明采用本数字阵列微系统架构，将收发变频芯片和SOC芯片通过封装材料和工艺集成在一起，以此满足K频段数字阵列微系统低成本、小型化、高集成度的应用需求。本发明属于有源相控阵领域。

本发明的技术解决方案为：

一种K频段数字阵列架构，包括4个四通道硅基毫米波收发变频芯片IC1～IC4、8个双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片SOC1～SOC8、转接板LTCC1、LTCC2和LTCC3，其中：

四通道硅基毫米波收发变频芯片IC1～IC4基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和C4微凸点布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合。四通道硅基毫米波收发变频芯片需要完成K频段射频信号的发射功率均分、发射功率放大、接收信号合成、接收信号放大、上下变频、中频放大功能。芯片接收本振信号输入，对该输入信号进行放大，八分路功率均分，同时接收中频信号输入，两信号通过上变频后、功率放大、开关切换至发射输出；芯片接收K频段输入信号，信号增益放大，和本振输入信号经过下变频后接收信号输出。

双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片SOC1～SOC8基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和C4微凸点布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合。双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片完成双通道接收信号ADC转换、滤波和发射信号DAC转换、信号放大和滤波功能。接收机接收到射频信号，输入信号通过衰减器进行衰减，然后通过无源混频器进行下混频解调出有用信号，信号从无源混频器的漏端输出，产生四路电流信号，经过两通道低通滤波器进行滤波，ADC转换模块，得到电压信号，通过高速SERDES接口输出。发射机接收信号通过高速SERSWA接口输入，信号通过DAC转换模块，转换成模拟信号通过调谐滤波器、上混频器后信号输出。

LTCC1转接板采用LTCC陶瓷Ferro-A6M集成实现，完成4个四通道硅基毫米波收发变频芯片的射频信号传输、供电传输、控制信号传输功能，以及集成32个无源低通滤波器、力学支撑、辅助散热等功能。LTCC1转接板通过C4微凸点实现与四通道硅基毫米波收发变频芯片实现焊接装配，通过BGA植球工艺实现与LTCC2转接板的互连传输、固定支撑。

LTCC2转接板采用LTCC陶瓷Ferro-A6M集成实现，完成4个双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片的射频信号传输、供电传输、控制信号传输功能，以及集成16个无源巴伦、力学支撑、辅助散热等功能。LTCC2转接板通过C4微凸点实现与双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片实现焊接装配，通过BGA植球工艺实现与LTCC1转接板、LTCC3转接板的互连传输、固定支撑。

LTCC3转接板采用LTCC陶瓷Ferro-A6M集成实现，完成4个双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片的射频信号传输、供电传输、控制信号传输功能，以及集成16个无源巴伦、力学支撑、辅助散热等功能。LTCC3转接板通过C4微凸点实现与双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片实现焊接装配，通过BGA植球工艺实现与LTCC2转接板的互连传输、固定支撑，通过BGA植球工艺实现对外信号的互连传输、固定支撑和阵列拓展。

上述方案的原理是：由于K频段数字阵列微系统集成了收发放大、上下变频、数字收发模块多种功能，因此对微系统尺寸和集成度有了更高的要求。本发明整体采用AIP架构，收发放大和上下变频集成在毫米波收发变频芯片上，采用晶圆级芯片封装技术，将收发变频芯片与无源低通滤波器通过LTCC1转接板集成在一起，将SOC芯片、无源巴伦通过LTCC2和LTCC3转接板集成在一起，最后通过封装工艺集成在一起，形成K频段数字阵列微系统。本发明最终实现二维数字阵列模块的信号收发、数模转换等功能，同时数字信号具备多种带宽(8～100MHz可调谐)可调功能，兼容全双工和半双工体制，并且可以实现二维数字阵列微系统的阵列拓展。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种K频段数字阵列微系统架构，采用LTCC转接板封装工艺，将晶圆级芯片封装的射频收发芯片、SOC芯片集成在一起。该架构的各连接通道(供电、控制、射频)均采用C4微凸点和BGA植球进行垂直互连。一方面集成度更高，传输路径更短，传输损耗更小，另一方面可以将射频链路上的无源巴伦-滤波器直接集成在LTCC转接板中，避免使用分立的巴伦和滤波器，与传统的数字阵列模块采用分立器件设计的架构相比，K频段数字阵列微系统架构大大减小了分立器件的互连损耗，有效提升了数字阵列模块的小型化水平和集成度。同时，K频段数字阵列微系统架构将K频段数字阵列微系统形成了一个标准的表面贴装器件，可以在PCB基板上灵活地进行阵列拓展，提高了数字阵列模块的标准化和阵列化。

附图说明

图1为一种K频段数字阵列微系统的原理框图；

图2为一种K频段数字阵列微系统的示意图；

图3为一种K频段数字阵列微系统的LTCC1转接板结构示意图；

图4为一种K频段数字阵列微系统的LTCC2转接板结构示意图；

图5为一种K频段数字阵列微系统的LTCC3转接板结构示意图。

附图标记：

1、LTCC1转接板；2、LTCC2转接板；3、LTCC3转接板；4、毫米波收发变频芯片；5、模数混合SOC芯片；6、BGA植球；7、的微凸点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1～5所示，一种K频段数字阵列微系统，能够实现收发放大、上下变频、数字收发模块多种功能，同时数字信号具备多种带宽(8～100MHz可调谐)可调功能，兼容全双工和半双工体制，并且可以实现二维数字阵列微系统的阵列拓展；包括4个四通道硅基毫米波收发变频芯片IC1～IC4、8个双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片SOC1～SOC8、转接板LTCC1、LTCC2和LTCC3。

图1为本发明的K频段数字阵列微系统架构原理框图，微系统与外部互连分为电源接口、控制接口和射频接口。电源接口提供微系统工作所需的供电偏置，有3.3V电压偏置、1.8V电压偏置、1.3V电压偏置和1V电压偏置，满足微系统数字控制模块和射频模块不同的供电需求。控制接口提供微系统工作所需的控制指令，其为3.3V的TTL电平，包括收发切换信号T/R、SPI时钟信号SCLK、4位芯片信号ID[3:0]、复位信号RST_IN、片选信号SYNC、SPI数据输入信号SDI、IIC复位信号SOC_RST、IIC输入时钟信号SOC-CLK、IIC输入数据信号SOC_SDI、VREF内外参考输入选择信号。Serdes高速接口提供微系统工作需要的基带信号，包括外部时钟输入信号SOC_CLK±、Serdes接收端输入信号SERDIN[0:15]±、Serdes输出端输出信号SERDOUT[0:16]±、SYNC输入信号SYNCIN[0:7]±、SYNC输出信号SYNCOUT[0:7]±、SYSREF输入信号SYSREF_IN[0:7]±。射频接口则提供射频信号接收输入和发射输出。微系统内基于LTCC陶瓷基板集成4个收发变频芯片4、8个SOC芯片5、32个无源巴伦和32个无源滤波器，实现电源分发管理、信号收发控制、工作状态选择、高速信号传输。

图2为本发明的K频段数字阵列微系统架构示意图。如图所示，采用晶圆级芯片封装的4个四通道硅基毫米波收发变频芯片4通过C4微凸点7与LTCC1转接板1进行封装键合。4个采用晶圆级芯片封装双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片5通过C4微凸点7与LTCC2转接板2进行封装键合。另外4个采用晶圆级芯片封装双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片5通过C4微凸点7与LTCC3转接板3进行封装键合。完成封装后的LTCC1转接板1～LTCC3转接板3通过BGA球6集成封装，完成高集成度的信号互连。集成封装后的微系统通过BGA球6完成对外完成高集成度的信号互连和阵列拓展。

图3为本发明的LTCC1转接板结构示意图。LTCC1采用具有可多层布线、高绝缘性、高电导率、低介电损耗、可埋置无源元件及高耐腐蚀性等特性的陶瓷基板，利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，使用Au、Ag、Pd/Ag等高电导率金属作为内外层电极，以平行印刷方式印制电路，经过层叠和压制，在低于1000℃的烧结炉中共同烧结实现，实现4个四通道硅基毫米波收发变频芯片、32个无源滤波器的一体化集成，并完成K频段射频信号传输、供电传输、控制信号传输以及力学支撑、辅助散热等功能。如图3所示，LTCC1转接板由低温共烧陶瓷烧结实现，形成M11～M17的金属信号层，每两层金属信号层之间由多层陶瓷基板层叠合压制而成。M11层为四通道硅基毫米波收发变频芯片的焊接层和收发信号水平传输层，M12为接地层，M13为收发变频芯片供电和控制信号层，M14为接地层，M15和M16为无源滤波器传输层，M17为BGA球焊接层。收发变频芯片输入和输出的中频信号从M11层垂直传输到M15层的无源滤波器，经M16层传输到M17层，收发变频芯片的供电和控制信号由M17层经M13层传输至M11层。

图4为本发明的LTCC2转接板结构示意图。LTCC2采用具有可多层布线、高绝缘性、高电导率、低介电损耗、可埋置无源元件及高耐腐蚀性等特性的陶瓷基板，利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，使用Au、Ag、Pd/Ag等高电导率金属作为内外层电极，以平行印刷方式印制电路，经过层叠和压制，在低于1000℃的烧结炉中共同烧结实现，实现4个双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片、16个无源巴伦的一体化集成，并完成K频段射频信号过渡、供电过渡与传输、控制信号过渡与传输、高速信号传输以及力学支撑、辅助散热等功能。如图4所示，LTCC2转接板由低温共烧陶瓷烧结实现，形成M21～M2a的金属信号层，每两层金属信号层之间由多层陶瓷基板层叠合压制而成。M21和M23之间的陶瓷介质中间挖腔，M23表层区域焊装两个SOC芯片，M27和M2a之间的陶瓷介质中间挖腔，M27表层区域焊接两个SOC芯片，M22和M23层为无源巴伦层，M24和M26为差分信号层，M5为SOC芯片控制信号和供电层，M28和M29层为供电和信号过渡层。图4中所示，M21层左侧接收到LTCC1转接板传出的中频信号，垂直过渡传输到M2a层，图中M21层右侧收到的LTCC1转接板传出的中频信号，垂直传输到M22和M23层，经巴伦输出差分信号至M23和M26层，差分信号垂直传输给SOC芯片，SOC芯片的信号控制和供电信号由M2a层垂直传输经M25层，再垂直传输至M23和M27层的SOC芯片。

图5为本发明的LTCC3转接板结构示意图。LTCC3采用具有可多层布线、高绝缘性、高电导率、低介电损耗、可埋置无源元件及高耐腐蚀性等特性的陶瓷基板，利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，使用Au、Ag、Pd/Ag等高电导率金属作为内外层电极，以平行印刷方式印制电路，经过层叠和压制，在低于1000℃的烧结炉中共同烧结实现，实现4个双通道硅基射频软件定义模数混合SOC芯片、16个无源巴伦的一体化集成，并完成K频段射频信号过渡、供电过渡与传输、控制信号过渡与传输、高速信号过渡与传输以及力学支撑、辅助散热等功能。如图5所示，LTCC3转接板由低温共烧陶瓷烧结实现，形成M31～M38的金属信号层，每两层金属信号层之间由多层陶瓷基板层叠合压制而成。M31和M34之间的陶瓷介质中间挖腔，M34表层区域焊装两个SOC芯片，M38表层区域焊接两个SOC芯片，M32和M33层为无源巴伦层，M35和M37为差分信号层，M36为SOC芯片控制信号和供电层。图4中所示，M31层左侧接收到的LTCC1转接板传出经LTCC2转接板过渡的中频信号，垂直传输到M32和M33层，经巴伦输出差分信号至M35和M37层，差分信号垂直传输给SOC芯片，SOC芯片的信号控制和供电信号由M38层垂直传输经M36层，再垂直传输至M34和M38层的SOC芯片。图中M31层右侧M31层将LTCC2过渡板上的输入输出信号、供电控制等信号垂直过渡传输至M38层。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。