冯磊 魏立云 余承伟 武健
摘 要：文章设计了一种基于LTCC工艺的Ka频段瓦片式四通道下变频组件。变频组件集成合路、变频、滤波、延迟补偿等功能，射频工作频率覆盖19～21 GHz，通带带宽2 GHz，采用由本振驱动的超外差混频方案，最终输出C频段信号。针对超外差混频的带外杂散以及低剖面的通道合成与变频功能一体化集成等问题，采用引入高抑制度带通薄膜滤波器以及设计LTCC内层威尔金森合路器等方法，实现了瓦片式四通道下变频组件的集成设计方案。整个组件尺寸59 mm×59 mm×8 mm，便于实现低剖面相控阵系统的射频前端集成等应用。
关键词：下变频器；
小型化；
LTCC；
Wilkinson功分器；
滤波器
中图分类号：TN773.4 文献标志码：A 文章编号：2096-4706（2023）09-0045-06
Abstract：
This paper designs a Ka-band tile-type four-channel down-converter component based on LTCC technology. The down-converter component integrates the functions of power combining， frequency conversion， filtering， delay compensation， etc. The RF operating frequency covers 19～21 GHz， and the bandwidth of passband reaches 2 GHz. It uses the superheterodyne frequency mixing scheme driven by local oscillator， and finally outputs the C-band signal. Aiming at the problems of outside passband spurious of superheterodyne frequency mixing， the low-profile channel synthesis and integration of frequency conversion function， the integrated design scheme of tile-type four-channel down-converter component has been realized by introducing high-suppression band-pass thin film filter and designing Wilkinson combiner inside LTCC. The size of the whole component is 59 mm×59 mm×8 mm， which is convenient for applications such as RF front-end integration of low-profile phased array system.
Keywords：
down-converter; miniaturization; LTCC; Wilkinson power divider; filter
0 引 言
随着卫星业务的推广应用，人们对通信质量和通信数据量提出了更高要求。对比S/C等较低的微波频段，Ka频段具有频率资源更加丰富的特点。该频段相对带宽更宽，波束较窄，易于实现抗干扰[1]。在卫星通信技术不断发展的当前形势下，新一代卫星通信系统越来越倾向于采用更高效的通信相控阵天线系统实现。通过调用相控阵天线系统预置的波束指向、波束宽度等信息完成波束捷变，波束的切换时间可以达到微秒数量级。针对不同业务需求和应用场景，相控阵技术还能实现多个波束允许多目标通信。
低温共烧陶瓷（LowTemperatureCo-fired Ceramic， LTCC）技术是一种典型的多层基板技术，其优势主要体现在：可三维立体多层布线，布线密度高，便于实现小型化设计；
介质材料损耗较低，高频特性优良，同時利用多种形式的金属化孔来改善屏蔽特性，提升信号隔离度；
能够制备腔体结构，以便于实现异构集成；
能够制备埋层电阻，以便于无源微波功能单元的内嵌集成等[2]。因此LTCC技术在微波高频电路一体化设计和低剖面瓦片式三维互连集成实现小型化方面优势显著，是本项研制任务的重点研究方向。
LTCC技术在国内的瓦片式相控阵天线微系统中已有较多应用[3，4]，本文从重点指标实现和小型化低剖面集成的角度，介绍Ka频段瓦片式四通道下变频组件的设计。
1 指标要求
为达到低剖面相控阵天线良好的接收特性，瓦片式四通道下变频组件要达到如下主要指标：
1）射频频段：19～21 GHz。
2）工作带宽：2 GHz。
3）变频增益≥45 dB。
4）射频端口隔离度≥25 dB。
5）杂散抑制≥50 dBc。
6）镜像抑制≥50 dB。
7）相位一致性≤10°。
8）延迟补偿功能≥3 bit。
综合以上指标，镜像抑制等技术指标和低剖面集成设计是主要难点。
2 总体方案
Ka频段瓦片式四通道下变频组件采用超外差混频技术，将Ka频段接收射频前端经合路网络得到的四路射频信号合成并下变频到中频频率后进行符合指标要求的放大和滤波处理，输出满足一定功率的中频频率信号。该下变频组件方案如图1所示。
在相控阵微系统设计中，要求每64个阵元信号进行一次变频，并集成3 bit延时器，用于补偿覆盖整个射频工作带宽的波束指向色散效应。因此在下变频组件中，输入四通道射频信号首先完成相干合成，这就要求任意一个输入端口到合成输出端口的传输线的电长度均相等。合成信号经两级MMIC低噪声放大器芯片，然后进行带通滤波。带通滤波器的主要功能是用来提升镜像频率抑制度。镜像频率范围内的杂散信号经过超外差混频后，得到的输出信号也落在中频频率范围内，如图2所示。为降低镜频信号对系统工作的影响，必须设计射频链路的镜像抑制濾波器。
射频信号经超外差混频器搬移得到中频信号，由于混频器并非是理想乘法器，其非线性特性使得输出端口除有用信号外，还同时混合出很多谐波与互调产物，这些非线性产物就构成了下变频器的相关杂散频谱。其各组合频率存在如下关系：fIF=m·fRF±n·fLO（其中m，n为正整数）。
本文选用双平衡式无源混频器，这类混频器具有较高的线性度，端口间隔离度好，观察表1可发现该型号混频器对组合频率的杂散抑制度高。缺点是需要很高的本振功率，变频损耗大[5]。因此设计在本振信号链路中增加一级1 dB压缩点输出功率高的增益放大器芯片，用于保证本振功率足够来驱动无源混频器的正常工作。同时因混频后，中频信号增益损失较多，需要两级放大器补偿增益，并经过低通滤波器滤除高次谐波、本振泄漏与其他杂散信号，最终得到具有足够功率且纯净的中频信号从中频端口输出。
3 电路设计
3.1 四通道功率合成设计
按系统设计要求，射频前端的64通道幅相控制数据与供电线路须通过变频组件提供，Ka频段瓦片式四通道下变频组件需要为前级电路预留4只25针低频接口与4只射频同轴接口；
为后级电路预留中频、本振同轴接口和100针连接器。因此利用LTCC工艺强大的多层布线能力来实现低剖面设计是为数不多的选择之一。
四只射频同轴接口成阵列位置从变频组件上部输入，同时要求四通道射频信号至合路器输出端口的传输线的电长度均需相等，且保证良好的隔离度。在设计中通常采用威尔金森（Wilkinson）功分器来实现。利用LTCC技术便于实现内层集成电阻的特点，在LTCC基板内层设计四合一Wilkinson等功率合成网络成为最佳选择。
3.1.1 合路器理论分析
在微波电路中，通过对三端口网络特性的分析容易发现，无耗三端口网络不会在全部端口实现匹配，且输出端口之间没有隔离。而有耗三端口网络可以实现在三个端口均匹配，且输出端口之间具有良好的隔离[6]。
Wilkinson分路器是典型的三端口无源器件。针对功率等分的情况，可采用奇偶模分析法，分解一阶Wilkinson分路器传输线模型，如图3、图4所示。首先将模型中各部分阻抗做归一化，以特征阻抗Z0为准。根据该电路的对称性，源电阻归一化特性阻抗为2，匹配源阻抗归一化为1。并联电阻归一化为r，λ/4传输线的归一化特征阻抗为Z1。
对于偶模激励，端口2、3的激励电压V2=V3=2V0，在电阻中心处电势差为0，即电阻R无通过电流，因此该电阻中点处可看作开路。由于对称关系，可分解为图4（a）所示电路。因为具有λ/4阻抗变换器的结构形式，从2端口看过去，输入阻抗 。当 ，则对于偶模激励的端口2是匹配的，而并联的r/2电阻一端开路，因此输入端口的电压 。使用传输线方程可求得 。
对于奇模激励，端口2、3的激励电压V2=-V3=2V0，电路对称面处电压为零，因此将中心平面视作接地面。由于对称关系，可分解为图4（b）所示电路。从端口2处看过去，其电路是λ/4传输线与r/2电阻的并联结构，并且传输线在1端口处接地，因此从端口2看过去是开路。如果使r=2，则在端口1处是匹配的，且有 ，，此时全部功率都加在r/2电阻上，没有功率通过端口1。
采用以上奇偶模理论分析可知，想同时实现端口2、3都匹配，需四分之一波长传输线特性阻抗 ，端口2、3间跨接电阻r=2，此时，从端口1看过去的输入阻抗Zin=1。因此，端口1也是匹配的。并得到Wilkinson功分器的S参量矩阵：
即Wilkinson功分器三个端口均匹配，从端口1处激励，在端口2、3可得等幅并同相的输出；
从端口2、3反射的功率会在隔离电阻上耗散，而2、3两端口间相互存在较高的隔离度。
结合理论分析结果，以功率二等分的情况为例，将Wilkinson功分器转换为结构平面示意图如图5所示。输入输出端口特性阻抗为Z0，λ/4并联臂阻抗为 ，隔离电阻阻值为2Z0，需要跨接在λ/4并联臂的终端处。
当Wilkinson功分器作为合路器使用时，由于N端口无源器件的散射参数具有互易性，我们容易推算出，Wilkinson合路器也能实现输入输出的各端口均匹配。当各端口均匹配时，这种合路器具有无耗的传输特性，只有反射功率消耗在隔离电阻上。这个电阻不会对合路器的传输特性造成影响，反而能增加输入端口之间的隔离度。
在Wilkinson宽带合路器设计中，往往可以通过多节四分之一波长的对称臂来实现宽带要求，但这样也会造成电路尺寸较大。尤其在多通道合路器设计中，电路尺寸更是成倍扩大。本文介绍的变频组件，其版图的相当一部分面积用于射频前端与控制板的低频信号传输。低频控制信号与高频射频信号在屏蔽效果差时容易产生互调干扰，严重时可能导致波束控制信号失效或射频信号信噪比异常，从而影响系统正常工作。为保证屏蔽效果，增加信号传输线间距是一种主要手段，因此在现有设计尺寸要求下，Wilkinson宽带功率合成网络削减了四分之一波长对称臂支节，采用单支节实现合成。
3.1.2 带状线Wilkinson合路器仿真设计
设计采用两级Wilkinson二合路器级联的方式。两级二合路器级间采用多节λ/4阻抗变换器实现阻抗匹配（如图6所示），以获得优良的宽带射频性能。注意在进行高低频混合电路一体化设计时，需要考虑电磁兼容问题。本文采取在带状线周围增加接地屏蔽孔的方法，防止射频信号在基板内部形成高频串扰，同时隔离外部低频信号的电磁耦合，这样才能很好的保证接收系统信号质量。
使用Ansys公司的HFSS软件建立模型进行三维电磁仿真。仿真模型示意图如图7所示。Ka频段四通道Wilkinson合路器集成在LTCC基板内部，设计采用6层材料为Ferro A6M的LTCC基板实现带状线结构，隔离电阻埋置于LTCC基板内层，采用RuO2电阻浆料制备，设计要求阻值精度优于20%。传输损耗与介质材料的损耗角正切值（tanδ）相关，设置Ferro A6M的tanδ约为0.002，方阻值为100 Ω。
经过优化设计，全波电磁仿真结果如图8所示。结果显示基于LTCC基板的Ka频段四通道合路器在工作频带（19～21 GHz）内，任意一个射频输入端与公共端的传输损耗达到8.5 dB左右。射频输入端口之间的带内隔离度30 dB以上。射频输入端口的回波损耗达到-16 dB以下，仿真结果整体满足使用要求。
3.2 镜频抑制滤波器设计
3.2.1 滤波器原理
经过某个二端口网络的信号在输入时具有功率均衡的特性，而输出时不同频点对应的功率得到了不同程度的衰减，如图9所示。这样具有典型频率选择特性的二端口网络就是滤波器。
依据衰减特性的不同，滤波器可以划分为低通、高通、带通、带阻四种类型。不同衰减特性的滤波器都具可变换为低通的基础原型的组合。在滤波器设计中，通常使用包括巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆函数型（Elliptic）、高斯多项式（Gaussian）等数学多项式来描述最平坦型、等波纹型、陡峭型、等延时型等各类低通滤波响应特性。介绍上述原型滤波器的相关文献已经很多[7，8]，这里不再赘述。
滤波器是以谐振电路为基本单元的电路组合。一般预先选择合理的频响特性，将对应的多项式归一化来实现低通原型的简化设计，再针对需要的频率与阻抗去归一化，得到滤波器的集总电路拓扑模型。当工作在微波频段时，滤波器还应采用分布电路元件模型实现。
3.2.2 滤波器设计
依据第2节中对混频器组合频率杂散和镜频抑制度指标的分析，在射频链路上的两级低噪声放大器之间级联的镜频抑制滤波器应达到的指标特性如下：
1）插入损耗≤3 dB（19～21 GHz）；
2）抑制特性≥40 dB（13～17 GHz）；
3）回波损耗≤-15 dB（19～21 GHz）；
4）尺寸≤12.5 mm×4 mm；
针对所需的滤波抑制特性，这里可采用切比雪夫型滤波器实现。该滤波器工作频段较高，为保证其具有准确的频率选择特性和较小的带内损耗，拟采用薄膜工艺制备。基板选择厚度为0.254 mm的Coorstek Al2O3陶瓷，介电常数9.9（±0.2），介质损耗角正切tanδ低至0.000 2。
使用Ansys EM软件的Filter Design功能，输入滤波器目标特性可以方便的得到电路拓扑模型，如图10所示。
在Filter Design Wizard设置界面的Properties页面中依次选择“带通滤波”“平行耦合线拓扑”“切比雪夫多项式近似”“微带线模型”，Specifications页面中设置阶数为6，带内波动为0.1 dB，通带中心频点为20 GHz，通带带宽为3 GHz，得到理想模型下的散射参数曲线如图11所示。再在Medium Properties页面中设置微带线基板的介电常数、厚度、导体厚度等参数，得到微带平行耦合线的各线条尺寸参数，如表2所示。
将Filter Design得到的平面模型导入HFSS仿真软件中建立三维模型，如图12所示。设置合理的边界条件和端口激励，并进行参量优化，全波电磁仿真结果如图13所示。
结果显示镜像抑制滤波器在工作频带内的插入损耗优于0.8 dB，在镜像频带（13～15 GHz）的抑制度优于50 dB，对本振信号（17 GHz）的抑制度优于40 dB。尺寸为12 mm×4 mm。端口回波损耗达到-18 dB以下，仿真结果整体满足使用要求。
3.3 LTCC版图设计
变频组件的LTCC电路设计采用了Ferro A6的介质材料制作，其介电常数约为5.9。生瓷带烧结后厚度约为每层96 μm，内部金属采用Ag浆材料，金属导体膜厚6～15 μm，LTCC基板设计共有20层，厚度约为2 mm。带状线Wilkinson合路器占用其中第9～14层介质。
在超过10层的LTCC基板设计时，需考虑金属膜在相同位置的堆积因素，防止基板各个位置沿Z轴因存在明显的薄厚分布不均，而导致翘曲变形甚至开裂失效。因此合理布局金属膜导体，是LTCC设计的一大关键难点。实际设计中较多采用大面积导体栅格化、金属化孔错位布局等办法。上述办法同时可保证基板的热传导能力。绘制的LTCC基板如图14（a）所示。
4 测试结果与分析
LTCC加工并进行微组装装配完成后，制成Ka频段瓦片式变频组件，如图14（b）所示。使用定制化测试工装进行测试，整理相关数据形成表3。
分析表3数据可知，设计的Ka频段瓦片式组件各项指标满足了系统要求。其中镜像抑制度达到61.5 dBc，高于镜频抑制滤波器的设计指标，这是由于选用了在镜像频段增益放大倍数偏低的射频放大器，进一步提升了变频组件的镜像抑制度。射频端口隔离度实测值30 dB，相位一致性实测值7°，符合Wilkinson四路合成器的设计预期。
5 结 论
随着模拟相控阵天线技术向小型化、通用化、轻量化发展，变频组件也提出了剖面高度的限制。本文提出了一种面向相控阵天线系统低剖面应用的Ka频段瓦片式变频组件，含结构外壳的尺寸59 mm×59 mm×8 mm，重量73 g，功耗0.65 W。一方面通过设计LTCC一体化集成射频端口合路器来解决高密度多层布线与射频通道性能的矛盾，另一方面采用陶瓷薄膜技术，设计高抑制度带通滤波器保证镜频抑制等重点指标，另外针对LTCC基板的可制造性和电磁屏蔽特性进行了优化过渡设计。最终变频组件指标满足系统应用要求，也为多端口相控阵变频组件的低剖面实现提供了一种设计思路。
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作者简介：冯磊（1987—），男，汉族，河北石家庄人，工程师，学士，研究方向：微系统技术与微波电路；
魏立云（1988—），男，汉族，河北衡水人，工程师，学士，研究方向：微系统技术与
微波电路；
余承伟（1984—），男，汉族，河南信阳人，高级工程师，硕士，研究方向：卫星通信与微波电路；
武健（1986—），男，汉族，河北石家庄人，高级工程师，硕士，研究方向：卫星通信与微波电路。