摘要：利用多芯片组件和多层基板技术，研制了一种新型轻小型化的雷达接收机。着重分析接口收机中的结构设计、系统设计和避免干扰的措施。介绍了有源混频放大器MAX2682的功能和应用。测试结果表明，研制的轻小型化接收机可以有效降低雷达的体积和重量，提高稳定性和可靠性。
关键词：新型轻小型化 多芯片组件 多层基板技术 雷达接收机 MAX2682
随着军事
电子技术的飞速发展，对武器装备的多功能与小型化、可靠性要求越来越高。相控阵雷达、多通道接收机、雷达阵列处理技术都迫切需要小型化、可靠性高、一致性好的雷达接收机。
针对结构复杂、体积小、重量重的雷达接收机，本文提出了一种新型的轻小型化雷达接收机，通过采用单片机集成电路、微型封装的表面帖装器件，利用先进的微组装技术和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路，重点解决了接收机中的结构设计、系统设计和干扰等技术问题，研制成轻小型化的雷达接收机。
1 多层基板技术
多层基板技术是制作多芯片组件（MCM）的关键技术。基于类型有MCM-L（叠层型多芯片组件）、MCM-C（陶瓷厚膜型多芯片组件）、MCM-D（淀积薄膜型多芯片组件）等。
1．1 陶瓷厚膜型多芯片组件（MCM-C）
MCM-C是在高密度厚膜多层布线或共烧陶瓷多层互连基板上组装多个片式元器件和芯片构成的。其优点是布线层数多，布线密度、封装效率和性能均较高，可以用于高工作频率。MCM-C采用陶瓷多层基板。陶瓷多层基板分为厚膜多层（TFM）基板与共烧陶瓷多层基板两类。
1．2 共烧陶瓷多层基板
共烧陶瓷多层基板可分为高温共烧陶瓷（HTCC）多层基板和低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板两种。陶瓷多层基板技术的基础是厚膜技术和陶瓷多层技术。陶瓷多层基板包括元器件安装层（顶层）、信号层、电源层、接地层和对外连接层（底层）等几部分，陶瓷介质位于各导体层之间，起电绝缘作用。
顶层含各种焊盘，用以安装相位的电子元器件。为了提高组装密度，可以采用双面安装多层基板，即在基板的顶面和底面都安装电子元器件。多层基板的信号层调协在顶层下方，主要布置元器件之间的互连线，层数视组件规模和布线密度而定。电源层和接地层一般都独立设置，可按组件电性能的要求进行设计。陶瓷基板的以上各层由垂直通孔进行互连。
2 多芯片组件（MCM）
通常，MCU采用多层基板作衬底。基板中可以有信号层、电源层和接地层。互连方式有丝焊、载带自动焊（TAB）、倒装焊、倒装TAB等。
宽频带MCM的电设计需要选择合适的图形参数，如信号线宽度、信号线厚度、信号线间距、介质厚度和材料性能（如电导率、介电常数）等。这些物理参数一旦确定，利用电磁模型将参数转换成一个等效电路。MCU电模型是由适用于一定频域的电磁转换程序完成，此程序包含Maxewell方程在此频域内的全波解。一般情况下，此程序完全可以处理具有非TEM波传输的电子封装结构。高频下，由集肤效应在导体中产生的非均匀电流也包括在这个封装模型中。
通常，传输线的性能由以下六个主要参数确定：特性阻抗（ZO）、传输延迟（T。）、容性耦合和感性耦合（C12、L12）、交直流电阻（Rdc、Rac）。其中容性耦合和感性耦合会在系统中一对有终端的耦合传输线中产生耦合噪声。假定整个传输线无损耗，动态传输线上有上升时间tr的干扰电压Vin
NEN和FEN分别代表静态传输线终端附近和远离终端处的噪声，Kb、Kr分别为反向和正向耦合系数。L是耦合长度,τ是传输延迟，C11、L11是自身电容和自身电感，C12、L12通过变量Kb、Kr作用于噪声方程，因为Kb、Kr正比于耦合噪声，所以变量Kb、Kr被广泛用于参数优化和设计比较分析中。由于Rdc与传输线的直流压降有关，而Rac是整个传输线电流返回路径的函数，也是工作频率的函数，所以Rdc与Rac不同。
由MCM电模型可知，物理参数的变幻和将引起电参数的变化，所以在MCM应用中，要全面考虑传输线网络延迟、允许线长、感应、耦合、同步噪声、开关噪声、线路转换等因素。
3 轻小型化的雷达接收机研制
3．1 雷达接收机的结构设计
体积小、重量轻和高可靠性的雷达接收机的结构是研制的关键。常规接收机由各个单元电路组装的模块连接起来，在每个单元电路中将元器件焊接在电路板上，再通过螺钉把电路板装在盒体上，信号通过SMA插座输入输出，单元电路通过
电缆连接。一般整个接收机尺寸约300mm×200mm×25mm，重量约10斤。
本文提出了一种新型的封装结构，整个接收机封装在一个小型的盒体里，电路板采用多层基板，直接焊接在盒体上。单元电路用芯片代替，利用微组装技术，将芯片用导电胶粘结到多层基板上，然后用超声压焊的方法将金丝或金带键合到芯片及电路上。射频信号通过传输线垂直过渡输入输出，大大减小了结构的体积和重量。整个接收机尺寸18mm×9mm×3.2mm，重量仅400克。
3．2 雷达接收机的系统设计
组件的设计应在满足各项电性能指标的前提下，尽量做到小型化、轻型化，这就要从综合布局、单元电路的电性能及空间分配、电磁兼容、散热等方面综合考虑。系统设计水平的高低将决定组件性能的好坏。由于元件密度高、增益高、大小信号之间、高频与低频信号之间极易产生相互干扰。所以在电路设计中，将低噪声放大器供电的
电源线与后面电路相互隔离，在各器件的电源入口加滤波电路以避免电源与微波信号间的相互干扰；同时合理布局，将大信号与小信号分开，尽量离得远些；高频与低频信号用地隔开，要交叉的传输线和电源线通过中间层过渡，以避开交叉；中间层上下再布地层以增加隔离度，大大减少了相互干扰，较好地解决了小型化和干扰的矛盾。
3．3 接收机技术指标
输入频率RF：2.7GHz～3.5GHz
输出频率IF：40MHz～60MHz
噪声系数≤2.5dB
耐功率：连续波功率≥1W
脉冲功率：≥10W
增益：60dB～65dB
输入端口驻波：1.5:1
带内起伏：≤±1.5dB
输出能力P-1: ≥10dBm
3．4 接收机电路设计
3．4．1 接收机的噪声系数
接收机的噪声系数主要取决于限幅器和低噪声放大器。总的噪声系数为：
限幅二极管芯片的安装示意。
限幅二极管芯片在低电平工作时，其等效为一个宽带低通滤波器。
要降低限幅二极管引入的噪声，就要精心设计连接微带线和键合金丝的长度，使总的阻抗等效为50Ω。
3．4．2 接收前端设计
低噪声放大器采用单片微波集成电路（MMIC），利用微组装技术，将芯片用导电胶粘结到多层基板上，输入输出用金丝链合。MMIC芯片键合金丝拱高与跨距对微波信号传输有效大影响，金丝键合在一致性和重复性非常重要。
对长度为l、直径为d的圆形键合金丝，其串联电感L和串联电阻R可分别表示
式中：μ0为空气介质的导磁率，μr为键合金丝的相对导磁率，ρ和ds分别为键合金丝材料的电阻率和趋肤深度。用ADS软件对金丝进行分析，结果表明金丝加长时，传输损耗（dB(S(2,1))增大，驻波（dB(S(1,1))随之变差。通常对MMIC芯片而言，芯片焊区到微带线的距离是20mils～25mils。
理论和试验表明，金丝（带）键合拱高与跨距应满足以下要求：①在同跨距情况下，键合金丝（带）的拱高越低越好，以平直为（对单根金丝）；②在同拱高下，键合金丝（带）的跨距越短越好（对单根金丝）；③若芯片焊区尺寸允许，尽量采用同时键合二根、三根金丝。
3．4．3 中频混频器设计
无源混频器需要大的本振功率，
变频损耗大，电路中需要更多的补偿放大器。为了减小体积，设计采用MAXIM公司的有源混频器MAX2682。
它是一个小型化、低噪声系数、宽电源工作（单片源：+2.7V～5.5V）的下变频器件。射频信号频率范围为400MHz～2500MHz，本振信号采们双平衡混频方式输出中频，中频信号频率范围为10MHz～500MHz。器件的尺寸仅为:2.8mm×2.6mm×0.9mm,同时有关断模式控制。在关断状态下，仅消耗不到0.1μA的电流，Z1、Z2、Z3作为电路的匹配原件。
利用Agilent N8975A噪声测试仪和频谱仪E4407B进行电路的测试，测试数据。
由以上可以看出测试结果已经达到接收机要求的性能指标。
由试验结果可以看出，利用MMIC和微组装技术可以大大减小接收机的体积，降低整部雷达体积、重量，提高整机的性能、质量和可靠性。随着微波单片集成电路（MMIC）技术的迅速发展，高密度、高速度、高可靠的微电子技术有力地促进了接收机的轻小型化，更能满足现代雷达的需求。
