0 引言

    在現代雷達系統中，直接數字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)是實現雷達波形產生與發射波束控制最常用的方案之一。基于DDS技術的波形產生系統不僅可以方便地產生各種雷達波形，還可以在數字域靈活地對陣列天線進行相位和幅度加權，實現發射波束快速、高精度的控制，從而實現雷達波形產生、波形捷變與幅相控制的一體化設計^[1]。

    對于多通道DDS芯片而言，通道隔離度指標至關重要。當DDS通道隔離度較低時，通道間相互干擾較大，造成所生成的波形頻譜純度降低，甚至成為頻譜中主要諧波點，因而大大影響了雷達系統的辨別能力和抗干擾能力。

    目前國際與國內在多通道DDS方面的文獻多集中在其雜散抑制方法的研究與探討上^[2-3]，鮮有文獻對其通道隔離度的提高和優化進行分析。本文從封裝的角度出發，提出了一種應用于多通道DDS的CBGA封裝設計，并對該封裝的DDS通道隔離度的影響因素進行了分析，給出實際設計中的解決措施和仿真結果，最后通過對器件的實際測試驗證了優化設計的有效性。測試結果表明，基于本文設計方法得到的4通道DDS產品的通道隔離度大于-65 dB，可滿足雷達系統應用需求。

1 CBGA封裝結構設計

    隨著集成電路封裝的不斷發展，封裝類型越來越多，一般根據所需封裝芯片的引腳數和性能確定具體的形式。本文提出的4通道DDS芯片由于有149個引腳而采用了CBGA的封裝形式。該類型的封裝具有氣密性好、可靠性高及散熱性能好的優點。圖1為4通道DDS所設計的CBGA封裝基板結構示意圖。該封裝結構主體由多層陶瓷基板制作而成，依照管殼廠商提供的設計規則，基板的疊層結構由上而下依次為鍵合指層、電源和地、信號、電源和地、電源、地。整個鍵合線引腳分布在同一個臺階上，可與半導體芯片所對應的引腳采用引線鍵合的方式實現電學連接。這樣CBGA的封裝結構由基板、陶瓷外殼、鍵合線及其它材料組成。

    圖2為利用Cadence SPB軟件設計的CBGA基板布線示意圖。其中關鍵信號走線的長度在5~7 mm之間，加上鍵合線長度，走線的物理尺寸大于所對應工作波長的十分之一。接下來采用HFSS仿真設計方法，將圖2中的模型通過Ansoft Link軟件導入到HFSS中，對CBGA基板設計進行優化。 

2 CBGA封裝隔離度優化與設計

    從封裝的角度來說，串擾效應是導致多通道DDS隔離度變差的主要原因。串擾是指兩條信號線通過之間互感和互容的耦合引起的噪聲。容性耦合引發耦合電流，而感性耦合引發耦合電壓。在多通道DDS器件中，通道隔離度是串擾的一種特殊表現方式，是DDS輸出端性能好壞的一個重要指標^[4-6]。

    根據圖3封裝在HFSS中的模型，首先對BGA基板進行仿真，提取了8個端口的S參數^[7]。多通道隔離度仿真結果如圖4所示，S27為通道間的隔離度仿真結果，從圖中可以看出，在頻率400 MHz處隔離度為-47 dB，通道間的隔離效果較差，不能滿足系統設計要求。

    通過分析4個輸出通道的基板走線，為了提高通道隔離度，采取了增大通道間距離和分割參考平面這兩種優化方法。優化方法以及優化后的仿真結果與原始走線仿真結果對比如下文所述。

2.1 增大通道間距離

    為了減小串擾，提高通道隔離度，將通道OUT0和OUT1差分對間的一個焊球作為GND，這樣兩個差分對間的距離增大約1 mm。另外為了減小信號回流路徑，在差分信號過孔的兩側增加地回流過孔，地回流過孔的孔徑與信號過孔孔徑相同，優化后基板模型如圖5所示。

    仿真得到的隔離度結果如圖6所示。可以看出，在400 MHz處，隔離度為-56 dB，與原走線相比，隔離度提高了9 dB，這是由于增大通道間的距離導致微帶線間的互感系數降低，因此可以在一定程度上改善通道間的隔離度。

2.2 分割參考平面

    另一種通道隔離度改善的優化方式是將包裹信號層上下的地參考平面在兩個通道之間分割開，優化后的模型如圖7所示。

    由于把包裹信號層的地參考平面分割開來能夠縮短地回流路徑，降低參考平面之間的耦合，因而隔離度得到了提高，仿真結果如圖8所示。從圖8中可以看出，隔離度有明顯的改善，約為-72 dB，相對于增大通道間距離，隔離度提高了約16 dB。

    通過優化仿真對比發現，通道間的參考平面是影響通道間隔離度的主要因素，另外增大通道間距離和在通道間放置地回流孔對隔離度也有一定的改善。

    提取上述優化方式改進后的CBGA封裝RLC等效電路，采用cadence ADE對帶上封裝寄生的多通道DDS芯片進行仿真，其通道隔離度仿真值約為-71.54 dB（如圖9所示），與圖8的仿真結果高度一致。

3 實測結果

    采用R&S公司的頻譜分析儀FSW和信號源N5171B對該DDS芯片進行測量，測試平臺如圖10所示。通過配置控制字使通道OUT0輸出400 MHz，通道OUT1輸出390 MHz，測量通道OUT0中400 MHz信號和390 MHz的信號輸出幅度，二者的差值即為通道隔離度。圖11為通道隔離度的實測結果，隔離度約為-69 dB，實測結果和仿真結果基本一致，從而證實了基于CBGA技術的多通道DDS封裝隔離度設計的有效性和實用性。

4 結論

    本文提出了一種應用于多通道DDS的CBGA封裝設計，并利用Ansoft HFSS軟件對多通道DDS產品的CBGA封裝進行了隔離度仿真，然后提出了優化方法并再次加以仿真驗證，最后通過實測驗證了所提出的優化設計及仿真方法的有效性，為高隔離度的多通道DDS產品工程設計提供了參考。

參考文獻

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