郭立濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 054000）

0 引言

目前，微波組件的應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，使用場合也越來越多，當(dāng)前微波組件正朝著小型化、高集成、多通道、高效率的方向發(fā)展。微波組件由裝在不同電路板上的裸芯片組成一個(gè)完整的射頻傳輸鏈路。正常設(shè)計(jì)中，要求整條射頻鏈路上不同功能的射頻器件輸入、輸出端口級(jí)聯(lián)時(shí)的高度差不大于0.2mm，否則由于引入的寄生效應(yīng)，射頻傳輸?shù)倪B續(xù)性被破壞?；夭〒p耗和插入損耗會(huì)有不同程度的惡化，工作頻率越高，影響越明顯。在射頻組件小型化和高集成的應(yīng)用場景下，微波組件的輸入端口和輸出端口不在一個(gè)水平面上的情況越來越多。隨著技術(shù)的發(fā)展，射頻組件的工作頻率不斷提高。為了適應(yīng)工程應(yīng)用對(duì)射頻組件的新需求，并降低射頻傳輸鏈路失配對(duì)傳輸特性的影響，本文提出了一種新穎的滿足小型化和高集成射頻組件使用的一種有高度差的射頻傳輸線過渡方法。

1 具有高度差的射頻傳輸鏈路解決方案

在一款Ku 波段微波組件設(shè)計(jì)過程中，為了匹配后前級(jí)射頻功能模塊和后級(jí)射頻功能模塊的整體布局，微波組件的射頻輸入端的SMP 連接器和射頻輸出端SMP 連接器設(shè)計(jì)在不同的參考平面上，互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 具有高度差的互聯(lián)結(jié)構(gòu)

這個(gè)射頻傳輸系統(tǒng)包括前級(jí)射頻模塊、微波組件和天線組件。為了匹配前級(jí)射頻模塊的輸出端口和天線組件的位置，微波組件的射頻輸入端和射頻輸出端不在一個(gè)平面上，兩個(gè)參考平面之間的高度落差為4.5mm。該高度差給微波組件的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，隨著工作頻率的提升，該問題越難通過常規(guī)的射頻級(jí)聯(lián)方式處理，必須采用專門的過渡結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于射頻端口存在高度差的微波組件，考慮到所選用的元器件均為平面結(jié)構(gòu)，不能直接實(shí)現(xiàn)高度差的過渡，因此，組件內(nèi)部射頻傳輸布局時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)在不同的參考GND 平面上。內(nèi)部將PCB 電路板按功能分成不同的模塊設(shè)計(jì)，元器件合理地布局到不同高度差的電路板上，具有高度差的微波組件裝配如圖2 所示。圖中虛框內(nèi)的互聯(lián)點(diǎn)1（芯片輸出PAD）和互聯(lián)點(diǎn)2（微帶線互聯(lián)PAD）通過金絲鍵合互聯(lián)，兩個(gè)鍵合點(diǎn)的高度落差有4mm 以上。為驗(yàn)證該高度差是否可以直接采用金絲鍵合的方式進(jìn)行射頻端口級(jí)聯(lián)，對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖3 所示。具有高度差傳輸結(jié)構(gòu)回波仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖2 具有高度差的微波組件裝配

圖3 具有高度差傳輸結(jié)構(gòu)仿真模型

圖4 具有高度差傳輸結(jié)構(gòu)回波仿真結(jié)果

在直接金絲鍵合的情況下，回波損耗S11 的仿真結(jié)果為-10～-7.25dB；S22 仿真結(jié)果在-12.5～-7.55dB，不滿足工程化使用要求。由此可見，在Ku 工作頻段不通過任何射頻過渡結(jié)構(gòu)，直接通過金絲鍵合的方式互聯(lián)，很難通過阻抗匹配的方式來解決兩個(gè)不同電路板的互聯(lián)問題，針對(duì)此問題需要開展專項(xiàng)研究。

本文中作者提出了通過多層壓合的臺(tái)階電路板解決傳輸高度差的方法。臺(tái)階電路板采用微波多層材料設(shè)計(jì)，選用介電常數(shù)為2.94±0.03 的介質(zhì)板，為了保證高度差符合要求，電路板設(shè)計(jì)為6 層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)如圖5 所示，第一層介質(zhì)板厚度為0.127mm，第二層介質(zhì)板厚度3.55mm，第三次介質(zhì)板厚度為0.254mm，計(jì)算上各層覆銅的厚度，該臺(tái)階電路板的總厚度設(shè)計(jì)值在4.1mm 左右，符合使用要求。

圖5 疊層結(jié)構(gòu)

由圖5 可見，臺(tái)階電路板設(shè)計(jì)了兩種孔，第一種為VIA 孔，均為射頻地孔；第二種為背鉆盲孔。背鉆盲孔為了互聯(lián)臺(tái)階上的射頻微帶線和臺(tái)階下的射頻微帶線，實(shí)現(xiàn)高度差的過渡。

在臺(tái)階過渡結(jié)構(gòu)中，不同高度差過渡部分采用類同軸形式實(shí)現(xiàn)，同軸結(jié)構(gòu)的特性阻抗計(jì)算公式[1-3]如下：

式中：Zc——同軸結(jié)構(gòu)特性阻抗；Di——過孔直徑；D0——各屏蔽過孔中軸圍成的圈外徑；εr——介電常數(shù)。

通過仿真軟件建模進(jìn)行仿真，模型如圖6 所示。模型中包含4 個(gè)組成部分分別是臺(tái)階上的電路、鍵合金絲、臺(tái)階過渡電路板、SMP 連接器。仿真在工作頻帶內(nèi)回波損耗≤15dB，插入損耗≤0.3dB。仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7a 為回波損耗仿真結(jié)果，圖7b 為插入損耗仿真結(jié)果。

圖6 仿真模型

圖7 仿真結(jié)果

2 實(shí)物設(shè)計(jì)制作及測試結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果繪制PCB 板，臺(tái)階上微帶線采用T型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，T 型結(jié)構(gòu)尺寸為0.72mm×0.2mm，MID4 層為了保證阻抗匹配，單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為0.7mm 的PAD，做為阻抗變換的匹配結(jié)構(gòu)。臺(tái)階下微帶線寬度0.6mm，帶線漸變寬度0.2mm，PCB 設(shè)計(jì)結(jié)果如圖8 所示，加工實(shí)物如圖9 所示。

圖8 過渡臺(tái)階板PCB 設(shè)計(jì)

圖9 臺(tái)階過渡結(jié)構(gòu)實(shí)物

將過渡臺(tái)階板裝入微波組件中，與臺(tái)階板直接互聯(lián)的射頻器件是微帶環(huán)形器和SSMP 連接器[4]。

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，選用同樣射頻器件設(shè)計(jì)兩個(gè)射頻鏈路，其中鏈路1 具有射頻傳輸高度差，通過裝配臺(tái)階板實(shí)現(xiàn)過渡；鏈路2 的所有射頻器件輸入、輸出端口均設(shè)計(jì)在一個(gè)平面上，不存在高度差，未裝配有臺(tái)階板。對(duì)兩種微波組件測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。

樣品增益和回波損耗的測試曲線分別如圖10、圖11 所示。圖10 中Ga1 為未裝配有臺(tái)階板的射頻鏈路，Ga2 為裝有臺(tái)階板的射頻鏈路。增加臺(tái)階板后增益曲線無畸變。

圖10 增益比較

圖11 回波損耗比較

由表1 及圖10 和圖11 測試結(jié)果對(duì)比，可計(jì)算出臺(tái)階過渡板的損耗約為0.4dB，回波損耗惡化約1dB，在預(yù)期范圍內(nèi)，指標(biāo)滿足要求?？梢詰?yīng)用于具有高度差的射頻傳輸鏈路中[5]。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微波組件不同射頻傳輸線級(jí)聯(lián)端口有高度差的問題的解決方法，該過渡結(jié)構(gòu)在Ku 頻段內(nèi)設(shè)計(jì)插損低于0.25～0.3dB，回波損耗優(yōu)于15dB，在實(shí)際工程應(yīng)用中，實(shí)測損耗在0.3～0.4dB，測試微波組件的總體指標(biāo)滿足應(yīng)用需求，經(jīng)高低溫測試等試驗(yàn)驗(yàn)證，測試指標(biāo)無明顯變化，對(duì)于解決有高度差的微波組件設(shè)計(jì)難題，有很重要的工程應(yīng)用價(jià)值。