一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，包括Ka频段接收前端模块(10)，S频段电路(16)，频综电路(17)，电源电路(13)，Ka频段变频模块壳体(11)，Ka频段变频模块上盖板(18)和Ka频段变频模块下盖板(19)；Ka频段接收前端模块(10)包括Ka频段屏蔽腔壳体(1)，Ka频段屏蔽腔盖板(2)，载板(3)，基板(4)，K型插座(5)，SMT封装的Ka频段低噪声放大器(6)，SMT封装的Ka频段混频器(7)，Ka频段微带滤波器(20)等。本发明在基板与结构体之间加入载板，并将基板与载板焊接为一体。可以避免焊接器件时基板受热形变引入的驻波失配、安装应力等问题。
【专利说明】一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Ka频段变频模块，应用于Ka频段测控系统。
【背景技术】
[0002]随着临近空间和卫星通信的发展和新技术的应用，传统频段(L频段、S频段、C频段)资源已非常有限，尤其是临近空间高速飞行器存在等离子鞘套，传统频段可能出现通信黑障现象，新型频段越来越引起研究者的兴趣，其中Ka频段的研究成为各国的研究重点。
[0003]在微波领域Ka频段器件以裸芯片为主，Ka频段变频设备多采用裸芯片互连的方案实现。裸芯片相比于传统微波频段器件的组装成本高、程序复杂，组装一套裸芯片常以软基板RT/durOid5880为其焊接载体，基本步骤包括导电胶黏贴、超声波清洗、挖槽、共晶焊、金丝键合及玻珠的烧结等，在原材料、设备成本及人员投入上有较高要求。滤波器是射频信道中一项关键器件，而由于软基板(RT/duix)id5880)加工工艺限制，Ka频段滤波器常采用薄膜电路工艺，加工费用十分昂贵。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的不足，提供了一种成本低、加工简单、基于SMT (表面贴装式)封装器件的Ka频段变频模块，能够避免焊接器件时基板受热形变引入的驻波失配、安装应力等问题。
[0005]本发明包括如下技术方案:
[0006]一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，包括Ka频段接收前端模块，S频段电路，频综电路，电源电路，Ka频段变频模块壳体，Ka频段变频模块上盖板，Ka频段变频模块下盖板，S频段输出信号插座,参考信号输入插座,短路子和九芯馈电插座；Ka频段变频模块壳体，Ka频段变频模块上盖板和Ka频段变频模块下盖板组成上腔体和下腔体，其中，Ka频段接收前端模块，S频段电路，电源电路位于上腔体内；频综电路位于下腔体内；上下腔体间的本振信号通过短路子过渡；
[0007]Ka频段接收前端模块由Ka频段屏蔽腔壳体，Ka频段屏蔽腔盖板，载板，基板，K型插座，SMT封装的Ka频段低噪声放大器，SMT封装的Ka频段混频器，Ka频段微带滤波器，第一射频玻珠，第二射频玻珠，第三射频玻珠，第一穿芯电容和第二穿芯电容组成；Ka频段屏蔽腔壳体和Ka频段屏蔽腔盖板形成Ka频段屏蔽腔；基板与载板焊接为一体，再将SMT封装的Ka频段低噪声放大器，SMT封装的Ka频段混频器焊接在基板上，将载板、射频玻珠及穿芯电容同时焊接在Ka频段屏蔽腔壳体上；Ka频段射频信号由K型插座输入，经SMT封装的Ka频段低噪声放大器放大后送给SMT封装的Ka频段混频器，与来自第二射频玻珠的本振信号混频，输出的S频段射频信号经第三射频玻珠送至S频段电路，经S频段电路放大滤波后由S频段输出信号插座输出；频综电路工作所需的参考信号由参考信号输入插座输入，经频综电路处理后形成本振信号，由短路子供给Ka频段屏蔽腔的第二射频玻珠；[0008]Ka频段变频模块的全部供电信号由九芯馈电插座供入，其中S频段电路、电源电路及频综电路直接与九芯馈电插座相连，电源电路输出二次稳压处理后的直流电压至第一穿芯电容和第二穿芯电容，所述Ka频段低噪声放大器供电由第一穿芯电容馈入，所述Ka频段混频器供电由第二穿芯电容馈入。
[0009]Ka频段屏蔽腔包括信号主腔、供电腔、过渡窄腔、用于容纳Ka频段低噪声放大器的腔体和用于容纳Ka频段混频器的腔体；Ka频段低噪声放大器的射频输入路径和Ka频段微带滤波器位于信号主腔；用于容纳Ka频段低噪声放大器的腔体与供电腔经过所述过渡窄腔相连；用于容纳Ka频段低噪声放大器的腔体和用于容纳Ka频段混频器的腔体通过信号主腔相连。
[0010]基板的材料为R04350B。
[0011]基板的板厚为0.254mm。
[0012]Ka频段屏蔽腔壳体及Ka频段屏蔽腔盖板为铜镀金。
[0013]载板材料为铁镍钴玻封合金，表面镀镍镀金。
[0014]载板的厚度为2mm。
[0015]过渡窄腔的宽度为3mm。
[0016]信号主腔的宽度为3mm。
[0017]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0018](I) SMT类器件是一类陶瓷(AL3O2)封装的表面贴装器件，即将Ka频段裸芯片以金丝键合工艺封装完成，封装完成后的SMT类器件可选用传统的微波组装工艺，结合毫米波设计理念设计产品，替代了裸芯片组装所必需的挖槽、金丝键合等复杂工艺，有效节省了原料成本、加工成本及人力成本。
[0019](2)本发明根据Ka频段SMT类器件工作频率高、焊盘尺寸小及内部金丝键合部分高可靠性应用的特殊性，充分考虑印制线线宽与器件管脚的匹配及可靠性环境试验中热膨胀系数不匹配带来的内部金丝断裂问题，对几种常用微波基板的各项参数进行比较，制定基板选用方案，为避免焊接器件时基板受热形变引入的驻波失配、安装应力等问题，在基板与结构体之间加入载板，并将基板与载板焊接为一体。
[0020](3)本发明为射频信道链路、频综电路一体化设计方案，可独立设置频点，实现了功能组件的模块化、通用化。
【专利附图】
【附图说明】
[0021 ] 图1为Ka频段下变频模块工作原理图。
[0022]图2为Ka频段下变频模块去掉上盖板后示意图。
[0023]图3为Ka频段下变频模块去掉下盖板后示意图。
[0024]图4为Ka频段下变频模块轴向剖面结构示意图。
[0025]图5为Ka频段接收前端模块的轴向剖面结构示意图。
[0026]图6为Ka频段接收前端模块去掉上盖板后示意图。
[0027]其中IKa频段接收前端模块壳体2Ka频段接收前端模块盖板3载板4基板5K型插座6SMT封装的Ka频段低噪声放大器7SMT封装的Ka频段混频器8_1射频玻珠(Ka频段输入)8-2射频玻珠(本振信号输入)8-3射频玻珠(S频段输出)9-1穿芯电容(Ka频段低噪供电)9-2穿芯电容(Ka频段混频器供电)IOKa频段接收前端模块I IKa频段变频模块壳体12-1S频段输出信号插座12-210MHZ参考信号输入插座13电源电路14九芯馈电插座15短路子16S频段电路17频综电路18Ka频段变频模块上盖板19Ka频段变频模块下盖板20Ka频段微带滤波器21信号主腔22供电腔23过渡窄腔。
【具体实施方式】
[0028]下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0029]图1所示为Ka频段变频模块的工作原理。Ka频段射频信号输入至Ka频段接收前端模块，对其进行放大、滤波，并与频综电路送来的本振信号混频后输出S频段射频信号，再经S频段电路放大、滤波后输出。
[0030]如图2-4所示，本发明的基于SMT封装器件的Ka频段变频模块包括Ka频段接收前端模块10，S频段电路16，频综电路17，电源电路13，Ka频段变频模块壳体11，Ka频段变频模块上盖板18，Ka频段变频模块下盖板19，S频段输出信号插座12-1，参考信号输入插座12-2，短路子15和九芯馈电插座14 ；Ka频段变频模块壳体11，Ka频段变频模块上盖板18和Ka频段变频模块下盖板19组成上腔体和下腔体，其中，Ka频段接收前端模块10，S频段电路16，电源电路13位于上腔体内；频综电路17位于下腔体内；上下腔体间的本振信号通过短路子15过渡。其中S频段电路板16、电源电路13、频综板17及短路子15以微波器件常规组装方式组装，再将Ka频段接收前端模块10装入，与S频段电路板互连的射频玻珠8-3与印制线之间采取手工点焊，上下腔间直流信号的互联用AF线实现。最后将上、下盖板18、19以螺钉固定。
[0031]如图5-6所示，Ka频段接收前端模块10由Ka频段屏蔽腔壳体1，Ka频段屏蔽腔盖板2，载板3，基板4，K型插座5，SMT封装的Ka频段低噪声放大器6，SMT封装的Ka频段混频器7，Ka频段微带滤波器20，第一射频玻珠8-1，第二射频玻珠8_2，第三射频玻珠8_3，第一穿芯电容9-1和第二穿芯电容9-2组成；Ka频段屏蔽腔壳体I和Ka频段屏蔽腔盖板2形成Ka频段屏蔽腔；基板4与载板3焊接为一体，再将SMT封装的Ka频段低噪声放大器6，SMT封装的Ka频段混频器7焊接在基板4上；然后将载板3、射频玻珠8_1、8_2、8_3及穿芯电容9-1、9-2同时焊接在Ka频段屏蔽腔壳体I上；最后用螺钉固定上盖板。整个焊接过程除器件的焊接需在回流炉上完成以外，其余步骤均在加热台上完成，根据焊接步骤制定合理的温度梯度，从而高效完成Ka频段屏蔽腔的组装。
[0032]Ka频段射频信号由K型插座5输入，经SMT封装的Ka频段低噪声放大器6放大后送给SMT封装的Ka频段混频器7，与来自第二射频玻珠8-2的本振信号混频，输出的S频段射频信号经第三射频玻珠8-3送至S频段电路16，经S频段电路16放大滤波后由S频段输出信号插座12-1输出；频综电路17工作所需的参考信号由参考信号输入插座12-2输入，经频综电路17处理后形成本振信号，由短路子15供给Ka频段屏蔽腔10的第二射频玻珠8-2，完成混频功能。
[0033]如图2-3、图6所示，Ka频段变频模块的全部供电信号由九芯馈电插座14供入，其中S频段电路16、电源电路13及频综电路17直接与九芯馈电插座14相连，电源电路13输出二次稳压处理后的直流电压至第一穿芯电容9-1和第二穿芯电容9-2，所述Ka频段低噪声放大器6供电由第一穿芯电容9-1馈入，所述Ka频段混频器供电由第二穿芯电容9-2馈入。
[0034]优选地，壳体部分I及盖板2为铜镀金；基板4板材选用平整度好、热膨胀系数匹配的R04350BR0GERS公司产品，板厚0.254mm，介电常数3.38，覆铜厚度17um ;载板3材料选择钢度好、热膨胀系数与Ka频段SMT类器件匹配的铁镍钴玻封合金4J29，表面镀镍镀金；Ka频段所有传输线的线宽为0.5mm,印制板设计焊盘间增加阻焊膜，器件每个管脚焊盘独立。在Ka频段基板选用R04350B，使Ka频段微带滤波器便于加工，使其在Ka频段与其他器件集成于同一平板电路中的设计方法得以实现，节省空间、节约加工成本。
[0035]为适应SMT类器件外形尺寸4_X4_的封装体积，合理设计Ka频段屏蔽腔内腔结构成为设计难点，而内腔包括多种腔宽成为一大特点。如图6所示，Ka频段屏蔽腔包括信号主腔21、供电腔22、过渡窄腔23、用于容纳Ka频段低噪声放大器6的腔体24和用于容纳Ka频段混频器7的腔体25 ；Ka频段低噪声放大器6的射频输入路径和Ka频段微带滤波器20位于信号主腔，信号主腔21的宽度不大于3_ ;用于容纳Ka频段低噪声放大器6的腔体24与供电腔22经过所述过渡窄腔23相连，过渡窄腔宽度不大于3mm ;用于容纳Ka频段低噪声放大器6的腔体24和用于容纳Ka频段混频器7的腔体25通过信号主腔21相连。
[0036]在Ka频段，为避免波导传输模式的产生，理论上在27GHz工作频段对应腔宽应小于5.5mm,实际应用中考虑工作温度变化带来的影响，优选地，信号主腔宽度设计为3mm ；SMT封装器件的腔体24尺寸以能放下器件及其外围电路的最小腔体尺寸设计，优选地，此处腔宽为7mm ;供电腔22以一个过渡窄腔23与SMT封装器件腔体21相连，此过渡腔23腔宽为3謹。
[0037]经试验验 证，Ka频段变频模块可达到如下指标:
[0038](I)输入频率:27GHz_28GHz
[0039](2)输入驻波比:≤2.5:1 (50 Ω )
[0040](3)输出频率:2.ΧΗζ±100ΜΗζ
[0041](4)输出驻波比:< 1.5:1(50 Ω)
[0042](5)增益:>15dB
[0043](6) P-1out: ^ OdBm
[0044](7)噪声系数:≤12dB
[0045](8)相位噪声..( -55dBc/Hz (offsetlOOHz)
[0046]^ -60dBc/Hz (offset IkHz)
[0047]^ -70dBc/Hz (offset 10kHz)
[0048]^ -80dBc/Hz (offset 100kHz)
[0049](9)外参考输入:10MHz，0±2dBm。
[0050]本发明的Ka频段变频模块可以是Ka频段变频组合、Ka频段下变频器、Ka频段下变频高频箱、Ka频段发射高频箱、Ka频段弹载测控终端等，种类覆盖单通道、多通道、室内设备、室外设备、弹载设备、地面设备等。
[0051]本发明未详细描述的内容属于本领域公知常识。
【权利要求】
1.一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于，包括Ka频段接收前端模块(10)，S频段电路(16)，频综电路(17)，电源电路(13)，Ka频段变频模块壳体(11)，Ka频段变频模块上盖板(18)，Ka频段变频模块下盖板(19)，S频段输出信号插座(12-1)，参考信号输入插座(12-2)，短路子(15)和九芯馈电插座(14) ;Ka频段变频模块壳体(11)，Ka频段变频模块上盖板(18)和Ka频段变频模块下盖板(19)组成上腔体和下腔体，其中，Ka频段接收前端模块(10)，S频段电路(16)，电源电路(13)位于上腔体内；频综电路(17)位于下腔体内；上下腔体间的本振信号通过短路子(15)过渡； Ka频段接收前端模块(10)由Ka频段屏蔽腔壳体(1)，Ka频段屏蔽腔盖板(2)，载板(3)，基板(4)，K型插座(5)，SMT封装的Ka频段低噪声放大器(6)，SMT封装的Ka频段混频器(7)，Ka频段微带滤波器(20)，第一射频玻珠(8-1)，第二射频玻珠(8_2)，第三射频玻珠(8-3)，第一穿芯电容(9-1)和第二穿芯电容(9-2)组成；Ka频段屏蔽腔壳体(1)和Ka频段屏蔽腔盖板(2)形成Ka频段屏蔽腔；基板(4)与载板(3)焊接为一体，再将SMT封装的Ka频段低噪声放大器出)，SMT封装的Ka频段混频器(7)焊接在基板(4)上，将载板(3)、射频玻珠(8-1、8-2、8-3)及穿芯电容(9-1、9-2)同时焊接在Ka频段屏蔽腔壳体⑴上；Ka频段射频信号由K型插座(5)输入，经SMT封装的Ka频段低噪声放大器(6)放大后送给SMT封装的Ka频段混频器(7)，与来自第二射频玻珠(8-2)的本振信号混频，输出的S频段射频信号经第三射频玻珠(8-3)送至S频段电路(16)，经S频段电路(16)放大滤波后由S频段输出信号插座(12-1)输出；频综电路(17)工作所需的参考信号由参考信号输入插座(12-2)输入，经频综电路(17)处理后形成本振信号，由短路子(15)供给Ka频段屏蔽腔(10)的第二射频玻珠(8-2)； Ka频段变频模块的全部供电信号由九芯馈电插座(14)供入，其中S频段电路(16)、电源电路(13)及频综电路(17)直接与九芯馈电插座(14)相连，电源电路(13)输出二次稳压处理后的直流电压至第一穿芯电容(9-1)和第二穿芯电容(9-2)，所述Ka频段低噪声放大器(6)供电由第一穿芯电容(9-1)馈入，所述Ka频段混频器供电由第二穿芯电容(9-2)馈入。
2.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:Ka频段屏蔽腔包括信号主腔(21)、供电腔(22)、过渡窄腔(23)、用于容纳Ka频段低噪声放大器(6)的腔体(24)和用于容纳Ka频段混频器(7)的腔体(25) ;Ka频段低噪声放大器(6)的射频输入路径和Ka频段微带滤波器(20)位于信号主腔；用于容纳Ka频段低噪声放大器(6)的腔体(24)与供电腔(22)经过所述过渡窄腔(23)相连；用于容纳Ka频段低噪声放大器(6)的腔体(24)和用于容纳Ka频段混频器(7)的腔体(25)通过信号主腔(21)相连。
3.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:基板(4)的材料为R04350B。
4.如权利要求3所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:基板(4)的板厚为0.254mm。
5.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:Ka频段屏蔽腔壳体(1)及Ka频段屏蔽腔盖板(2)为铜镀金。
6.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:载板(3)材料为铁镍钴玻封合金，表面镀镍镀金。
7.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:载板(3)的厚度为2mm。
8.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:过渡窄腔(23)的宽度不大于3mm。
9.如权利要求1所述的一种基于SMT封装器件的Ka频段变频模块，其特征在于:信号王月￡ (21)的览度不大于3mm。
【文档编号】H03H3/00GK103944524SQ201410174784
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】卢伊伶, 孙奕庭, 刘德喜 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司