宇航条件下LTCC封装的射频特性和机理研究

The investigations of low temperature co-firing ceramic (LTCC) used in space conditions are presented in this fund. LTCC is the popular technology in recent year, which is served for 3D RF integration. In space condition, the LTCC integration is affected by the irradiation and severe heat effects, resulting in the short space life. The Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) method is given in this fund, to simulate the ESD effects of the LTCC integration causing by the irradiation. Then a circuit node reduction method is presented to achieve the physical model. In addition, the domain decomposition or scale down methods are applied to improve the simulation efficiency. Furthermore, the heat effects of the LTCC integration are analyzed. ESD models, heat models and RF models are combined to optimize the LTCC integration, resulting in a stable design. On the base of the models, some new designs are presented to improve the performances of LTCC integration. For example, the buried transition is designed to reduce the damages of the irradiation. The investigations of these problems will promote the application of LTCC technology in space conditon. Furthermore, the achievements of this fund will provide the guideline for other technologies which will be applied in space condition.

本项目针对低温共烧陶瓷（LTCC）这一近年非常热门的射频三维封装技术在宇航条件下应用所面临的问题开展科学研究。在宇航条件下，LTCC的射频封装极易受到宇宙辐照和极端热环境的影响而恶化封装的空间寿命。本项目拟通过PEEC方法针对宇航条件下的辐照所引起的静电累积放电（ESD）效应进行ESD建模分析，并通过节点缩减获取有明确物理含义的等效电路模型，同时利用区域分解、规模缩减等方法实现LTCC封装系统的ESD快速分析。分析LTCC封装的热效应，结合ESD模型和电磁模型进行提高LTCC封装空间寿命的优化设计，提出新的设计思路。拟采用内埋封闭式过渡降低辐照暴露，通过多层网状地结构降低静电累积以及平面/非平面线型的转换等新结构提高封装的空间寿命。并通过这些研究及取得的成果对推动LTCC封装技术在航天领域的应用起着有利的技术支撑。

近年来，低温共烧陶瓷（LTCC）技术在射频系统领域飞速发展，并已成功地应用到通信、雷达等各领域。然而，在航空航天领域，LTCC封装技术还鲜有涉及。为了论证LTCC技术应用于宇航事业的可行性，本项目开展了宇航条件下LTCC封装的射频特性和机理研究。主要成果可以总结如下：.1..LTCC介质基板的属性研究：在不同温度、不同辐照剂量的情况下，对LTCC介质的介电常数、介质损耗角正切及其上电路的性能及可靠性进行研究。实验结果表明：不论在低温（-55oC）、常温（25oC）、高温（125oC）条件下，还是在低剂量(2e5 rad)和高剂量(2e7 rad)辐照条件下，实验变量所导致的介质基板介电常数、损耗角正切的变化对LTCC产品性能造成的影响和偏差均在可接受范围内的。因此，LTCC技术可应用于宇航环境。.2..LTCC介质基板的建模研究：利用部分元等效电路法（PEEC）对LTCC进行三维剖分、等效电路提取、建模、静电放电（ESD）性能分析和热扩散等问题的研究。通过与全波分析仿真软件的仿真结果对比可知，使用PEEC法对LTCC封装建模，可快速有效的分析其电性能。.3..基于LTCC技术的高性能天线设计：开展基于LTCC技术的W波段高增益线极化天线、W波段高增益圆极化天线和Ka波段高增益天线的相关设计和研究。详细分析了天线高增益的机理。设计了使用介质集成波导（SIW）馈电的4×4阵列天线。结合低损耗的间隙波导（GWG）传输线，实现了GWG-SIW混合馈电的高增益的8×8的阵列天线。.4..W波段高性能LTCC转换结构设计以及天线封装研究：在馈电网络设计过程中，设计了若干宽带、低损耗的LTCC转换结构，包括GWG-SIW的转换、GWG-矩形波导的转换结构和不同层间SIW的转换等。.5..W波段高次模激励的高增益缝隙天线研究：提出了一种高次模腔激励的缝隙天线子阵，使用高次模腔激励天线子阵，减少了馈电网络数目，减小了馈电损耗，提高了天线效率。同时，降低了天线以及馈电网络的复杂度，缓解了在W波段对加工工艺高加工精度的要求，降低了加工成本。