摘 要
基于高温共烧陶瓷（ ＨＴＣＣ ）工艺，利用共面波导和同轴线理论，设计了一款应用于 Ｘ波段的双面多腔陶瓷外壳，以实现四通道 Ｔ / Ｒ 组件封装外壳的小型化、轻量化、低成本以及微波性能要求。首先，用 ＨＦＳＳ 软件对射频传输结构进行优化，其次利用 ＨＴＣＣ工艺平台制作外壳样品，最后利用夹具、矢量网络分析仪和 ＧＳＧ探针测试微波传输性能。该外壳的微波性能测试结果为：Ｘ 波段内，输出通道插入损耗 ≤０.７ｄＢ ，回波损耗 ≥２１.７ｄＢ ；输入通道插入损耗 ≤１．１８ｄＢ ，回波损耗 ≥１４．６ｄＢ 。在考虑了测试基板和所键合金丝影响之后，测试结果与设计值吻合度较好。
引 言
固态有源相控阵雷达是现代雷达技术发展的主流方向，而 Ｔ / Ｒ组件作为固态有源相控阵雷达的核心部件，其体积、重量等结构指标对其在相控阵雷达的应用有重要的影响，尤其是在机载、星载雷达中应用的 Ｔ /Ｒ组件，其体积、重量更是直接受到装备载荷能力的制约 。目前国内普遍采用低温共烧陶瓷（ ＬＴＣＣ ）技术来制作高密度 Ｔ / Ｒ 组件一体化基板，并将其放置在金属外壳中以起到机械防护、电磁屏蔽和气密封装的作用。随着 Ｔ / Ｒ 组件不断向小型化、轻量化方向的进一步发展，这种金属外壳的封装形式越来越显示出局限性。
本文提出了一种基于高温共烧陶瓷（ ＨＴＣＣ）技术的小型化 Ｔ / Ｒ 组件用、可双面贴装芯片及其他元件的多腔体外壳。外壳采用双面密封的垂直多腔结构，使 得 Ｔ / Ｒ 组 件 的 封 装 面 积 大 为 减 小，同 时ＨＴＣＣ 外壳的生产成本相比传统的金属外壳更低。射频信号在外壳内部利用基板上下表层的共面波导和垂直的类同轴结构实现传输 。
１ 小型化双面多腔体外壳
小型化双面多腔体外壳结构如图 １ 所示，采用无引线表贴形式，正面采用平行缝焊，背面采用金锡封形式。图 １ （ ａ ）是该外壳的正面示意图，从图中可以看出外壳主要由下方氧化铝陶瓷件和上方金属围框两部分组成，其中，氧化铝瓷件包含正反两面多个腔体，如图 １ 中 １ 、 ２ 所示，正面金属围框采用连筋结构，以实现不同腔体之间的隔离。该款外壳适用于四通道 Ｔ / Ｒ 组件的封装，通过 ＲＦ 传输通道实现高频信号的互联。由于封装采用腔体垂直互连结构，Ｚ 方向传输距离变得较大，从而影响阻抗匹配与传输损耗，文章将重点研究基于堆叠腔体结构的射频传输信号通道的设计。
图１小型化ＰＯＰ堆叠封装外壳示意图：
（ ａ ）外壳正面示意图；（ ｂ ）外壳剖面图
２ 四通道Ｔ/ Ｒ组件射频传输通道设计
２． １ 射频输出通道
用于 Ｘ波段的垂直传输结构一般采用侧壁挂孔或内部通孔的结构，但是侧壁挂孔为开放式结构，高频时辐射损耗大；而通孔结构由于是单导体传输，与共面波导等双导体传输线的互联处产生较大的回波损耗。故这两种传统结构只适用于垂直传输距离较短且频率较低的场合。
本文的双面多腔体外壳的射频输出通道如图２所示，在传统通孔垂直传输的基础上，通过增加环绕式接地通孔，形成共面波导 － 类同轴 － 共面波导的传输结构，通过优化共面波导线宽、线间距以及环绕式接地通孔的位置实现阻抗匹配。采用这种共面波导－ 类同轴结构的优点在于：一方面，顶层、底层共面波导结构相对于微带线等其他形式的平面传输线，具有更小的辐射损耗，同时也方便探针测试；另一方面，环绕式接地通孔可以抑制电磁能量的泄漏，减小传输损耗。
图 ２ 射频输出通道的模型图
首先，利用三维电磁场仿真软件 ＨＦＳＳ对该射频输出通道进行建模，其中，介质层选用的材料是９５％的氧化铝陶瓷，实测其Ｘ波段的介电常数为９． １ ，损耗角正切小于 １．５×１０－３ 。考虑到外壳在测试和最终使用时的实际情况，在仿真阶段就结合测试板（如图２中的３ ）进行协同仿真，可以使得仿真结果更加贴近实际。微波外壳设计的关键在于完成射频端口 ５０Ω阻抗匹配，这可以通过对外壳底层焊盘、顶层键合指和测试板信号线的线宽和线间距以及接地通孔到信号通孔的间距进行参数扫描来优化 。
图３是优化之后的仿真结果，可以看到在 Ｘ 波段，仿真得到的射频输出通道插入损耗 ≤０． ６６ｄＢ ，回波损耗 ≥２１ｄＢ 。
图３Ｘ波段射频输出通道的仿真结果
２． ２ 射频输入通道
如图４所示，射频输入通道与输出相比，不仅外壳底层焊盘和顶层键合指方向从平行变为垂直，而且它们之间除了垂直方向还增加了水平方向的距离，所以在介质中间层增加了一条带状线，并且在带状线周围上下地层面之间连接了很多接地通孔，以抑制电磁能量的泄漏，减小传输损耗 。
图 ４ 射频输入通道的模型图
同样，先用 ＨＦＳＳ 软件建立射频输入通道模型，然后在输出通道优化结果的基础上对输入通道的相关参数进行优化。其中，因为新增的带状线传输距离很长（约８． ２ｍｍ ），其阻抗匹配性对仿真结果起关键作用，而线宽 Ｗ ０ 又决定了带状线的特征阻抗数值。通过对 Ｗ ０ 进行参数扫描，结果如图 ５ 所示，当 Ｗ ０ ＝０． １ｍｍ 时，回波损耗最小，故此时达到了最佳阻抗匹配。
图 ５ 射频输入通道对 Ｗ ０ 的扫描结果
图 ６ 是最终优化之后的仿真结果，从图中可以看出：在 Ｘ波段，该射频输入通道的仿真得到插入损耗 ≤０． ７６ｄＢ ，回波损耗 ≥１８ｄＢ 。
图６Ｘ波段射频输入通道的仿真结果
３测试结果及分析
本文所 提 出 的 小 型 化 双 面 多 腔 体 外 壳 采 用ＨＴＣＣ 工艺进行制作，实物如图 ７ 所示，整体尺寸为２０ｍｍ×２２ｍｍ×４． ５５ｍｍ 。为了验证微波性能，采用 Ａｇｉｌｅｎｔ公司型号为 Ｎ５２２４Ａ 的矢量网络分析仪、 Ｃａｓｃａｄｅ公司型号为 ＰＭ５ 的探针台以及６００ μ ｍ 的探针进行测试，实际测试图如图８所示。因本外壳采用的是无引线表贴型封装结构，所以需要将其焊接在测试板上进行测试，其中测试板层间介质材料选用的是 ＡＲＬＯＮＣＬＴＥ － ＸＴ 。射频输入通道因底层焊盘和顶层键合指方向相互垂直，测试时没法直接压探针，故在顶层键合处焊接一小块共面波导传输结构的测试基板进行过渡。
图 ７ 小型化堆叠封装外壳实物图：（ ａ ）正面；（ ｂ ）背面
图 ８ 小型化堆叠封装外壳微波测试
测试结果如图９所示，可以看出在整个 Ｘ 波段，该外壳的射频输出通道的插入损耗 ≤０． ７ｄＢ ，回波损耗 ≥２１．７ｄＢ ；射频输入通道的插入损耗 ≤１． １８ｄＢ ，回波损耗 ≥１４． ６ｄＢ 。从仿真与实测结果的对比可以看出，射频输出通道的仿真与测试结果吻合较好；射频输入通道的测试结果与图６的仿真结果相比相差较大，主要是因为在测试过程中，因测试设备的限制，引入了测试板和金丝键合的误差，且因顶层的地平面很小，顶层测试基板的接地效果不佳所致。为验证此点，在所建的射频输入通道模型上加上测试基板和金丝键合进行协同仿真，插入损耗和回波损耗分别恶化到 １．１６ｄＢ 和 １３．７ｄＢ （如图 １０ 所示），与实际测试结果接近吻合，证明仿真设计的结果满足实际吻合。
图 ９ 外壳射频传输通道微波测试结果
图 １０ 射频输入通道带测试基板、金丝键合的仿真模型和结果
４结 论
基于 ＨＴＣＣ工艺，利用共面波导 － 类同轴 － 共面波导的结构，设计了一款双面多腔陶瓷外壳，实现了四通道 Ｔ / Ｒ组件封装外壳的小型化、轻量化、低成本以及微波性能要求。同时，从射频传输通道测试结果可以看出，下一步需要研究如何更好地剥离测试引入的误差。(参考文献略）
作者：施梦侨 李永彬 龚锦林 程 凯
