隨著軍事電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對武器裝備的多功能與小型化、可靠性要求越來越高。相控陣?yán)走_(dá)、多通道接收機(jī)、雷達(dá)陣列處理技術(shù)都迫切需要小型化、可靠性高、一致性好的雷達(dá)接收機(jī)。
　　針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量重的雷達(dá)接收機(jī)，本文提出了一種新型的輕小型化雷達(dá)接收機(jī)，通過采用單片集成電路、微型封裝的表面貼裝器件，利用先進(jìn)的微組裝" title="微組裝">微組裝技術(shù)和封裝工藝組裝各種微型化片式元器件和半導(dǎo)體集成電路，重點(diǎn)解決了接收機(jī)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和干擾等技術(shù)問題，研制成輕小型化的雷達(dá)接收機(jī)。
1 多層基板技術(shù)
　　多層基板技術(shù)是制作多芯片組件(MCM)的關(guān)鍵技術(shù)。基本類型有MCM－L(疊層型多芯片組件)、MCM－C(陶瓷厚膜型多芯片組件)、MCM－D(淀積薄膜型多芯片組件)等。
1.1 陶瓷厚膜型多芯片組件(MCM－C)
　　MCM－C是在高密度厚膜多層布線或共燒陶瓷多層互連基板上組裝多個(gè)片式元器件和芯片構(gòu)成的。其優(yōu)點(diǎn)是布線層數(shù)多，布線密度、封裝效率和性能均較高，可以用于高工作頻率。MCM－C采用陶瓷多層基板。陶瓷多層基板分為厚膜多層(TFM)基板與共燒陶瓷多層基板兩類。
1.2 共燒陶瓷多層基板
　　共燒陶瓷多層基板可分為高溫共燒陶瓷(HTCC)多層基板和低溫共燒陶瓷(LTCC)多層基板兩種。陶瓷多層基板技術(shù)的基礎(chǔ)是厚膜技術(shù)和陶瓷多層技術(shù)。陶瓷多層基板包括元器件安裝層(頂層)、信號層、電源層、接地層和對外連接層(底層)等幾部分，陶瓷介質(zhì)位于各導(dǎo)體層之間，起電絕緣作用。
　　頂層含各種焊盤，用以安裝相應(yīng)的電子元器件。為了提高組裝密度，可以采用雙面安裝多層基板，即在基板的頂面和底面都安裝電子元器件。多層基板的信號層設(shè)置在頂層下方，主要布置元器件之間的互連線，層數(shù)視組件規(guī)模和布線密度而定。電源層和接地層一般都獨(dú)立設(shè)置，可按組件電性能的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。陶瓷基板的以上各層由垂直通孔進(jìn)行互連。
2 多芯片組件(MCM)
　　通常，MCM采用多層基板作襯底。基板中可以有信號層、電源層和接地層。互連方式有絲焊、載帶自動(dòng)焊(TAB)、倒裝焊、倒裝TAB等。
　　寬頻帶MCM的電設(shè)計(jì)需要選擇合適的圖形參數(shù)，如信號線寬度、信號線厚度、信號線間距、介質(zhì)厚度和材料性能(如電導(dǎo)率、介電常數(shù))等。這些物理參數(shù)一旦確定，利用電磁模型將參數(shù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)等效電路。MCM電模型是由適用于一定頻域的電磁轉(zhuǎn)換程序完成，此程序包含Maxewell方程在此頻域內(nèi)的全波解。一般情況下，此程序完全可以處理具有非TEM波傳輸?shù)碾娮臃庋b結(jié)構(gòu)。高頻下，由集膚效應(yīng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生的非均勻電流也包括在這個(gè)封裝模型中。
　　通常，傳輸線的性能由以下六個(gè)主要參數(shù)確定：特性阻抗(ZO)、傳輸延遲(T。)、容性耦合和感性耦合(C12、L12)、交直流電阻(R_dc、R_ac)。其中容性耦合和感性耦合會(huì)在系統(tǒng)中一對有終端的耦合傳輸線中產(chǎn)生耦合噪聲。假定整個(gè)傳輸線無損耗，動(dòng)態(tài)傳輸線上有上升時(shí)間為t_r的干擾電壓V_in，則有：
　　
　　NEN和FEN分別代表靜態(tài)傳輸線終端附近和遠(yuǎn)離終端處的噪聲，K_b、K_r分別為反向和正向耦合系數(shù)。l是耦合長度，τ是傳輸延遲，C₁₁、L11是自身電容和自身電感，C₁₂、L₁₂通過變量K_b、K_r作用于噪聲方程，因?yàn)镵_b、K_r正比于耦合嗓聲，所以變量K_b、K_r被廣泛用于參數(shù)優(yōu)化和設(shè)計(jì)比較分析中。由于R_dc與傳輸線的直流壓降有關(guān)，而R_ac是整個(gè)傳輸線電流返回路徑的函數(shù)，也是工作頻率的函數(shù)，所以R_dc與R_ac不同。
　　由MCM電模型可知，物理參數(shù)的變化必將引起電參數(shù)的變化，所以在MCM應(yīng)用中，要全面考慮傳輸線網(wǎng)絡(luò)延遲、最大允許線長、感應(yīng)、耦合、同步噪聲、開關(guān)噪聲、線路轉(zhuǎn)換等因數(shù)。
3 輕小型化的雷達(dá)接收機(jī)研制
3.1 雷達(dá)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　體積小、重量輕和高可靠性的雷達(dá)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)是研制的關(guān)鍵。常規(guī)接收機(jī)由各個(gè)單元電路組裝的模塊連接起來，在每個(gè)單元電路中將元器件焊接在電路板上，再通過螺釘把電路板裝在盒體上，信號通過SMA插座輸入輸出，單元電路通過電纜連接。一般整個(gè)接收機(jī)尺寸約300mm×200mm×25mm,重量約10斤。
　　本文提出了一種新型的封裝結(jié)構(gòu)，整個(gè)接收機(jī)封裝在一個(gè)小型的盒體里，電路板采用多層基板，直接焊接在盒體上。單元電路用芯片代替，利用微組裝技術(shù)，將芯片用導(dǎo)電膠粘結(jié)到多層基板上，然后用超聲壓焊的方法將金絲或金帶鍵合到芯片及電路上。射頻信號通過傳輸線垂直過渡輸入輸出，大大減小了結(jié)構(gòu)的體積和重量。整個(gè)接收機(jī)尺寸18mm×9mm×3.2mm,重量僅400克。
3.2 雷達(dá)接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　雷達(dá)接收機(jī)的原理框圖如圖1所示。

　　組件的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足各項(xiàng)電性能指標(biāo)的前提下，盡量做到小型化、輕型化，這就要從綜合布局、單元電路的電性能及空間分配、電磁兼容、散熱等方面綜合考慮。系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的高低將決定組件性能的好壞。由于元件密度高、增益高、大小信號之間、高頻與低頻信號之間極易產(chǎn)生相互干擾。所以在電路設(shè)計(jì)中，將低噪聲放大器供電的電源線與后面電路相互隔離，在各器件的電源入口加濾波電路以避免電源與微波信號間的相互干擾；同時(shí)合理布局，將大信號與小信號分開，盡量離得遠(yuǎn)些；高頻與低頻信號用地隔開，要交叉的傳輸線和電源線通過中間層過渡，以避開交叉；中間層上下再布地層以增加隔離度，大大減少了相互干擾，較好地解決了小型化和干擾的矛盾。
3.3 接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)
　　輸入頻率RF：2.7GHz～3.5GHz
　　輸出頻率IF：40MHz～60MHz
　　噪聲系數(shù)：≤2.5dB
　　耐功率：連續(xù)波功率≥1W
　　脈沖功率：≥10W
　　增益：60dB～65dB
　　輸入端口駐波：1.5:1
　　帶內(nèi)起伏：≤±1.5dB
　　接收機(jī)動(dòng)態(tài)：≥50dB
　　輸出能力P-1：≥10dBm
3.4 接收機(jī)電路設(shè)計(jì)
3.4.1 接收機(jī)的噪聲系數(shù)
　　接收機(jī)的噪聲系數(shù)主要取決于限幅器和低噪聲放大器。總的噪聲系數(shù)為：
　　
　　限幅二極管芯片的安裝示意圖如圖2。
　　限幅二極管芯片在低電平工作時(shí)，其等效為一個(gè)寬帶低通濾波器，如圖3。

　　要降低限幅二極管引入的噪聲，就要精心設(shè)計(jì)連接微帶線和鍵合金絲的長度，使總的阻抗等效為50Ω。
3.4.2 接收前端設(shè)計(jì)
　　低噪聲放大器采用單片微波集成電路(MMIC)，利用微組裝技術(shù)，將芯片用導(dǎo)電膠粘結(jié)到多層基板上，輸入輸出用金絲鍵合。MMIC芯片鍵合金絲拱高與跨距對微波信號傳輸有較大影響,金絲鍵合的一致性和重復(fù)性非常重要。金絲鍵合的模型如圖4所示。

　　對長度為l、直徑為d的圓形鍵合金絲，其串聯(lián)電感L和串聯(lián)電阻R可分別表示為：
　　
　　式中：μ₀為空氣介質(zhì)的導(dǎo)磁率，μ_r為鍵合金絲的相對導(dǎo)磁率，ρ和ds分別為鍵合金絲材料的電阻率和趨膚深度。用ADS軟件對金絲進(jìn)行分析，結(jié)果表明金絲加長時(shí)，傳輸損耗(dB(S(2,1))增大，駐波(dB(S(1,1))隨之變差。通常對MMIC芯片而言,芯片焊區(qū)到微帶線的最佳距離是20mils～25mils。
　　理論和試驗(yàn)表明, 金絲(帶)鍵合拱高與跨距應(yīng)滿足以下要求:①在同跨距情況下,鍵合金絲(帶)的拱高越低越好,以平直為最佳(對單根金絲);②在同拱高情況下,鍵合金絲(帶)的跨距越短越好(對單根金絲);③若芯片焊區(qū)尺寸允許,盡量采用同時(shí)鍵合二根、三根金絲。
3.4.3 中頻混頻器設(shè)計(jì)
　　無源混頻器需要大的本振功率，變頻損耗大，電路中需要更多的補(bǔ)償放大器。為了減小體積，設(shè)計(jì)采用MAXIM公司的有源混頻器MAX2682。
　　它是一個(gè)小型化、低噪聲系數(shù)、寬電源工作(單電源：＋2.7V~5.5V)的下變頻器件。射頻信號頻率范圍為400MHz~2500MHz，本振信號采用雙平衡混頻方式輸出中頻，中頻信號頻率范圍為10MHz~500MHz。器件的尺寸僅為：2.8mm×2.6mm×0.9mm，同時(shí)有關(guān)斷模式控制。在關(guān)斷狀態(tài)下，僅消耗不到0.1μA的電流，Z1、Z2、Z3作為電路的匹配原件。典型應(yīng)用電路如圖5所示。

3.5 接收機(jī)的測試
　　利用 Agilent N8975A噪聲測試儀和頻譜儀E4407B進(jìn)行電路的測試，測試數(shù)據(jù)如圖6所示。