基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件

摘要

本发明公开了一种基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件，工作频段覆盖6～18GHz，输出频率1.3～2.3GHz，杂散和谐波抑制在≤‑50dBm，输出动态30dB；采用基于半导体的基于TSV技术实现SIP设计，再采用多芯片微组装技术，在不降低性能的情况下，提高了集成度，缩小了组件的体积。

说明书

技术领域

本发明属于微波通信领域，具体涉及一种基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件。

背景技术

近年来军事和航空航天电子装备向“轻、薄、短小”化发展，对其电路组件高密度、高功能和高速化的需求越来越迫切。X/Ku波段宽带变频组件作为某车载电子干扰设备微波接收前端的核心部分，其小型化设计有着重要的意义。随着微波集成电路技术及微组装技术工艺不断地发展，微波组件的小型化设计也取得了很大地进步，向宽频带、体积小、重量轻、高性能、小型化方向发展。

作者朱臣伟在其学位论文《微波宽带变频组件的研究》一文中，采用了独立设计的多个MEMS滤波器和单刀多掷开关搭建了开关滤波组，其设计方式为平面滤波器，每个滤波器都需要用隔墙，并采用微组装装配，存在体积大，多组件性能一致性难保证的问题，无法适应现有小型化，高性能的要求。

李镇在微波学报上发表的《2～18GHz超宽带小型化下变频通道设计》一文中，采用微波多层板设计实现了超宽带变频组件，其主要还是采用了2.5D的电路设计，并且存在电磁兼容性差，串扰严重的问题，并且集成度偏低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件，采用半导体TSV工艺设计实现3D-SIP电路，在保证性能和电磁兼容性的前提下，实现了小型化、高集成、高性能的要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件，工作频段覆盖6～18GHz，输出频率1.3～2.3GHz，杂散和谐波抑制在≤-50dBm，输出动态30dB；采用基于半导体的基于TSV技术实现SIP设计，再采用多芯片微组装技术，在不降低性能的情况下，提高了集成度，缩小了组件的体积。

基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件，包括第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、开关滤波组3D-SIP1、混频滤波放大衰减模块3D-SIP2、第六低噪声放大器、功分器、检波器、第八滤波器，其中，第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、开关滤波组3D-SIP1、混频滤波放大衰减模块3D-SIP2、第六低噪声放大器、功分器依次连接，检波器和第八滤波器连接在功分器的输出端；

前端接收的6-18GHz的信号其接收的功率范围为-65dBm～-25dBm，经过第一低噪声放大器、第二低噪声放大器后，再经过开关滤波组3D-SIP1选择滤除其谐波信号和镜像信号后，其镜像抑制达到50dBc以上，经过混频滤波放大衰减模块3D-SIP2混频后变频到1.3～2.3GHz信号，再滤除其本振和射频信号，并放大后经过数控衰减后放大，经功分器功分为两路，一路通过大动态的检波器检波出对应的TTL信号，另一路经过第八滤波器后输出-37dBm～-7dBm。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件在前端放大之后设置开关滤波组电路，滤除了带外干扰信号、谐波信号和镜像信号，优化了噪声特性，提高了灵敏度，采用TSV技术将开关滤波组电路设计为一个SIP模块，其电路由传统的平面电路设计为3D电路，实现微波信号的垂直互联，滤波器之间的隔离，滤波器的集成设计，滤波器的3D叠层设计，相对于传统微组装技术，其体积减少为传统电路体积的17.7%以上，各组件之间的一致性更佳，带内平坦度更好等优点。

（2）基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件的混频滤波衰减放大电路，将经过开关选择的信号变频到中频信号，并对其滤波、放大和数控衰减，采用TSV技术将传统平面电路设计为3D电路，实现其芯片装配、互联、信号垂直过渡、信号隔离等，在性能保持不变的前提下，在相对于传统微组装技术而言，其体积减少为传统电路体积的18%以上，各组件之间的一致性更佳，寄生参量更小，带内平坦度更好等优点。

（3）基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件将增益级集中放在前面，优化了噪声特性，减小后级电路处理谐波和镜像信号的难度。

（4）基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件选用了宽带宽、高灵敏度、大动态范围的检波器，提高了系统的灵敏度。

（5）基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件采用烧结、金丝键合等微组装集成工艺实现芯片装配、互联，使得组件获得了较低噪声及较好的增益平坦度，提高了灵敏度，并且组件体积更小、重量更轻、功耗更低，非常适于军用微波设备。

附图说明

图1为本发明基于TSV技术的X/Ku波段宽带变频组件原理框图。

图2为本发明基于TSV技术的3D-SIP电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明主要针对某车载电子干扰设备小型化微波宽带变频组件深入研究，采用基于半导体TSV技术和微组装多芯片集成技术实现了X/Ku波段宽带变频组件的小型化设计，有效的减小了微波分系统的电子侦察和干扰机的体积，实现系统的小型化，体积、重量与部组件集成方式相比具有明显的优势，满足了实际工程需要。下面结合所附图式和实施例，详细说明本发明的实施。

结合图1，本发明所述的一种基于TSV技术的X/Ku宽带变频组件，包括第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、开关滤波组3D-SIP1、混频滤波放大衰减模块3D-SIP2、第六低噪声放大器、功分器、检波器、第八滤波器，其中，第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、开关滤波组3D-SIP1、混频滤波放大衰减模块3D-SIP2、第六低噪声放大器、功分器依次连接，功分之后的信号分两路，一路输出到检波器，另一路经过第八滤波器后输出。

前端接收的6-18GHz的信号其接收的功率范围为-65dBm～-25dBm，经过第一低噪声放大器、第二低噪声放大器后，再经过开关滤波组3D-SIP1选择滤除其谐波信号和镜像信号后，其镜像抑制达到50dBc以上，经过混频滤波放大衰减模块3D-SIP2混频后变频到1.3～2.3GHz信号，再滤除其本振和射频信号，并放大后经过数控衰减后放大，经功分器功分为两路，一路通过大动态的检波器检波出对应的TTL信号，另一路经过第八滤波器后输出-37dBm～-7dBm。

开关滤波组3D-SIP1包括第一单刀多掷开关、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第六滤波器、第二单刀多掷开关。

混频滤波放大衰减模块3D-SIP2包括第一衰减器、混频器、第二衰减器、第三衰减器、第三低噪声放大器、第七滤波器、第四低噪声放大器、数控衰减器、第五低噪声放大器。

采用半导体TSV技术实现的3D-SIP电路结构如图2所示，利用此技术设计实现了开关滤波组3D-SIP1和混频滤波放大衰减模块3D-SIP2。

利用TSV设计实现的开关滤波组3D-SIP1，将滤波器进行3D-SIP叠层设计，将三个滤波器设置在第一层硅基上，另外三个滤波器设置在第三层硅基上，第一层硅基和第三层硅基之间的信号采用垂直互联过渡，滤波器与滤波器之间采用TSV孔隔离，并集成单刀多掷开关，其电路尺寸由原来的48mm×33mm降低为20mm×14mm，尺寸只是传统设计的17.7%，并且微波电性能的平坦度更好，损耗更低，且装配一致性更佳。

利用TSV技术实现了混频滤波放大衰减模块3D-SIP2，将原来采用微组装工艺单芯片搭建的混频、放大、滤波、数控衰减电路设计为一个基于半导体的TSV技术实现的3D-SIP。传统微组装工艺实现的混频、放大、滤波、衰减等功能电路为传统MCM二维平面电路，采用隔墙隔离电磁波信号，导致尺寸大，装配一致性较差等缺点。采用半导体TSV工艺设计实现的将第一衰减器、混频器、第三低噪声放大器、第三衰减器、第七滤波器、第四低噪声放大器、第五低噪声放大器、数控衰减器的电路集成在第一层硅基上，并且采用TSV孔对其电路实现信号隔离，其加电和控制及部分微波信号，在第三层硅基和第四层硅基上走线，实现电路三维化，相较于传统微组装设计，其尺寸由原来的53mm×43mm，降低为17mm×15mm，电路尺寸大幅度降低，并且电路性能更优，平坦度更加，装配一致性更好。

作为优选的实施方式，组件将增益集中放在前面，优化了噪声特性，减小后级电路处理谐波的难度。

滤除了带外干扰信号、谐波信号和镜像信号，优化了噪声特性，提高了灵敏度，适用于微波集成工艺，大大减小了体积。

本发明选用了宽带宽、高灵敏度、大动态范围的检波器，提高了系统的灵敏度。

本发明采用烧结、金丝键合等微组装集成工艺实现芯片装配、互联，使得组件获得了较低噪声及较好的增益平坦度，提高了灵敏度，并且组件体积更小、重量更轻、功耗更低，非常适于军用微波设备。

本实施例中，作为优选的实施方式，第一低噪声放大器和第二低噪声放大器选用的是芯谷所生产的ILA-0618C,该放大器的工作频率为6-18GHz，增益为24dB， 开关滤波组3D-SIP1集成了6路滤波器和两个单刀多掷开关，其中滤波器分段为6～8GHz，8～10GHz，10～12GHz，12～14GHz，14～16GHz和16～18GHz。混频滤波放大衰减模块3D-SIP2集成了中电13所的混频器BW377、第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器采用中电13所的BW103，第七滤波器为中电13所的BWLF-2R5G，第四低噪声放大器为中电13所的NC1074C-0835A，数控衰减器为中电55所的WSDQ000180-06-2，第五低噪声放大器为中电13所的BW295。第五低噪声放大器选用了中电13所的BW295，功分器选用了中电13所的BW491，检波器选用了安其威的ARW255D，第八滤波器选用了中电九所的BPF-DHS-1.8-½-P。