廖翱 景飛 舒攀林 張童童 楊錦

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)電纜互聯(lián)模塊集成度低、裝配復(fù)雜、通道一致性難以保證等問(wèn)題，文章提出了一種無(wú)纜化射頻模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)內(nèi)部表貼射頻連接器與射頻母板之間的高頻過(guò)渡匹配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究?jī)?yōu)化。文章所優(yōu)化出的高頻過(guò)渡匹配結(jié)構(gòu)在0.5～40 GHz寬帶范圍傳輸駐波均低于20 dB，提出的無(wú)纜化模塊內(nèi)部采用盲插互聯(lián)，整體結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡(jiǎn)潔。模塊內(nèi)通過(guò)不同功能SiP組合即可實(shí)現(xiàn)不同功能需求，整體結(jié)構(gòu)復(fù)用性強(qiáng)，功能派生方便。

關(guān)鍵詞：表貼射頻連接器；SiP；集成彎式轉(zhuǎn)接器；無(wú)纜化模塊

中圖分類號(hào)：TM503.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0078-05

Research and Design of High-frequency Matching for RF Meter Sticker Connector and the Cable-free RF Module Structure

LIAO Ao， JING Fei， SHU Panlin， ZHANG Tongtong， YANG Jin

（The 29th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu? 610036， China）

Abstract： Aiming at the problems of low integration， complex assembly and poor channel consistency of traditional cable interconnection module， a structural design scheme of cable-free RF module is proposed in this paper， and the high-frequency transition matching structure between RF meter sticker connector and RF mother board is studied and optimized. The high-frequency transition matching structure optimized in this paper transmits standing waves less than 20 dB in the broadband range of 0.5～40 GHz. The proposed internal cable-free module adopts blind interconnecting， and the overall structure is compact and the assembly is simple. The different functional requirements can be realized through the combination of different functions of SiP in the module， and the overall structure has strong reuse and convenient function derivation.

Keywords： RF meter sticker connector; SiP; integrated bend adapter; cable-free module

0? 引? 言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信及電子對(duì)抗領(lǐng)域不斷向著多功能、小型化、高頻率等方向發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品性能要求更高的同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的集成度要求也越來(lái)越高，很多時(shí)候需要將以往由多個(gè)產(chǎn)品聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的功能集中在一個(gè)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)且不能帶來(lái)體積增加。

以傳統(tǒng)射頻模塊為例，為了方便上層系統(tǒng)的快速拆裝及功能擴(kuò)展，模塊通常都是采用標(biāo)準(zhǔn)的外形結(jié)構(gòu)和對(duì)外接口，根據(jù)不同功能需求可在其內(nèi)部通過(guò)螺釘安裝多種不同功能的射頻組件。這些組件大都采用混合集成工藝，整體由金屬盒體獨(dú)立封裝而成，體積重量大、功能單一，組件的接口多為SMA、SMP等形式，各個(gè)組件間通過(guò)射頻電纜及導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)及控制信號(hào)的互連，同時(shí)還需要通過(guò)射頻電纜及導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部組件與模塊對(duì)外接口的連接。受模塊內(nèi)射頻組件的安裝方式及體積所限，同時(shí)由于大量互聯(lián)電纜的存在導(dǎo)致模塊集成度無(wú)法進(jìn)一步提升，且存在裝配難度大、工藝復(fù)雜、通道一致性難以保障等問(wèn)題。典型電纜互聯(lián)模塊及其內(nèi)部組件接口形態(tài)如圖1所示。

隨著基于BGA接口的SiP封裝技術(shù)日趨成熟[1]，射頻組件逐步由基于金屬盒體封裝的形式向SiP封裝形式轉(zhuǎn)變，“SiP+射頻母板”的SoP級(jí)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。通過(guò)射頻母板可以實(shí)現(xiàn)各SiP之間的射頻及數(shù)字信號(hào)互聯(lián)[2]，同時(shí)在模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以通過(guò)減少模塊接口與母板間的互聯(lián)電纜甚至去除電纜，就可實(shí)現(xiàn)模塊集成度的極大提升。

對(duì)于射頻母板要實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部射頻信號(hào)對(duì)外輸出就需要采用表貼射頻連接器進(jìn)行轉(zhuǎn)接[3]，射頻母板內(nèi)帶狀線到表貼射頻連接器同軸結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡匹配直接影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，特別是在毫米波頻段，過(guò)渡匹配好壞對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量有嚴(yán)重影響。射頻SiP、表貼射頻連接器及射頻母板間的互聯(lián)示意如圖2所示。

在模塊內(nèi)部通過(guò)采用“SiP+射頻母板”的方式可以有效減少傳統(tǒng)組件以及組件間互聯(lián)射頻電纜的使用。在此基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步提高模塊集成度，更高效利用模塊內(nèi)部空間，減少射頻電纜甚至采用無(wú)纜化方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部射頻母板與模塊接口之間的互聯(lián)，這對(duì)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高要求。

1? 表貼連接器高頻匹配研究

目前微波產(chǎn)品中表貼射頻連接器與射頻母板之間的過(guò)渡匹配結(jié)構(gòu)主要有兩種方式：穿透式和平貼式，如圖3所示。

在圖3（a）中，表貼射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)射頻母板的垂直過(guò)渡通孔，并在背面進(jìn)行錫焊焊接，這種過(guò)渡結(jié)構(gòu)易于加工和制造，焊接可靠性高。但連接器中間射頻插針采用錫焊焊接，連接處阻抗不連續(xù)性增大，高頻傳輸性能差，毫米波頻段駐波會(huì)發(fā)生嚴(yán)重惡化。而且整體為開放結(jié)構(gòu)，在高頻段會(huì)引起空間電磁輻射，使得通道間的隔離及電磁兼容性能較差。

在圖3（b）中，表貼射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體與射頻母板的實(shí)心垂直過(guò)渡通孔采用純表貼焊接，這種過(guò)渡結(jié)構(gòu)解決了圖3（a）中通道隔離不足、整體電磁兼容性能較差的問(wèn)題。但是連接器內(nèi)導(dǎo)體與母板內(nèi)垂直過(guò)渡過(guò)孔焊盤接觸面積較小，焊接可靠性不足。另外母板內(nèi)帶狀線在垂直過(guò)渡處與帶狀線的GND2地平面間存在較大的并聯(lián)寄生平板電容，該電容恰好與垂直過(guò)渡過(guò)孔寄生串聯(lián)電感形成一個(gè)等效LC低通濾波器結(jié)構(gòu)，使得毫米波頻段信號(hào)傳輸質(zhì)量差，不滿足毫米波高性能傳輸要求，應(yīng)用局限較大。

為提升表貼射頻連接器與射頻母板在毫米波頻段的信號(hào)傳輸質(zhì)量，本文結(jié)合圖3兩種傳輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了一種能在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)良好匹配傳輸、不存在空間輻射同時(shí)具有較高可靠性的過(guò)渡匹配結(jié)構(gòu)[4]。如圖4所示，在射頻母板中設(shè)計(jì)過(guò)渡盲孔，該盲孔從母板頂部延伸到帶狀線的位置，并對(duì)孔壁做金屬化處理。將連接器內(nèi)導(dǎo)體增長(zhǎng)貫穿到母板與帶狀線相連接的垂直過(guò)渡盲孔中，同時(shí)連接器的外導(dǎo)體與母板表層地平面進(jìn)行連接。通過(guò)上述改進(jìn)成倍增加了連接器內(nèi)導(dǎo)體的焊接面積提升了其使用可靠性。同時(shí)由于是盲孔結(jié)構(gòu)，不存在空間電磁輻射導(dǎo)致通道隔離度低的問(wèn)題。

圖4中地平面GND1層中陰影部分為金屬，中間圓環(huán)處為焊盤，焊盤中間通過(guò)金屬化垂直過(guò)渡盲孔與帶狀線連接，其余空白部分為露出的介質(zhì)。帶狀線層與金屬化垂直過(guò)渡盲孔連接位置設(shè)計(jì)匹配結(jié)構(gòu)，以改善帶狀線與盲孔之間的阻抗不連續(xù)性。地平面GND2層垂直過(guò)渡盲孔正下方增加開孔，以減小等效寄生平板電容，提高毫米波頻段信號(hào)傳輸質(zhì)量。地平面GND3層為完整地平面，與垂直過(guò)渡盲孔周圍的兩圈接地過(guò)孔形成完整屏蔽結(jié)構(gòu)，以減小電磁輻射。通過(guò)對(duì)GND1層介質(zhì)避讓尺寸、帶狀線匹配節(jié)尺寸以及GND2層開孔尺寸進(jìn)行調(diào)諧優(yōu)化，最終使得整個(gè)過(guò)渡匹配結(jié)構(gòu)在0.5 GHz～40 GHz范圍內(nèi)傳輸駐波均優(yōu)于20 dB，仿真模型及結(jié)果如圖5所示。

2? 無(wú)纜化射頻模塊研究

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模塊而言其對(duì)外接口和內(nèi)部射頻母板上表貼射頻連接器接口成垂直關(guān)系，需要通過(guò)大量的射頻電纜進(jìn)行轉(zhuǎn)接互聯(lián)，如圖6所示。在射頻母板設(shè)計(jì)布局時(shí)需要充分考慮對(duì)外互聯(lián)電纜的走線及布局要求，射頻電纜直徑一般都比較粗，國(guó)內(nèi)目前做的比較成熟的射頻電纜直徑最小也有1.3 mm左右。同時(shí)為了保證駐波、相位的傳輸效果良好以及長(zhǎng)期使用的可靠性，射頻電纜對(duì)最小轉(zhuǎn)彎半徑有嚴(yán)格控制要求，需要在母板表面預(yù)留充足電纜布線空間。這也就導(dǎo)致無(wú)法在射頻母板上實(shí)現(xiàn)SiP最大化高密度安裝。而且電纜制作過(guò)程中主要依靠手工進(jìn)行操作，通道一致性難以保證，電纜裝配在模塊中除了點(diǎn)膠外，沒(méi)有更好的機(jī)械固定方式，振動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生相位偏差、駐波惡化等問(wèn)題，甚至還會(huì)發(fā)生松脫[5]。

為減少電纜使用，提高模塊集成度，同時(shí)提高裝配一致性和振動(dòng)可靠性，本文基于“SiP+射頻母板+表貼射頻連接器”的方式提出了一種無(wú)纜化的通用射頻模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，整體通過(guò)高集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器實(shí)現(xiàn)母板上表貼射頻連接器與模塊接口的盲插互聯(lián)，去除了大量互聯(lián)電纜的使用。同時(shí)可采用雙層母板布局，極大提升了設(shè)計(jì)靈活性和產(chǎn)品集成度。

2.1? 集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)

集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器作為連接射頻母板與模塊標(biāo)準(zhǔn)接口的橋梁，是實(shí)現(xiàn)模塊無(wú)纜化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分。首先根據(jù)正面射頻母板上SiP的最大高度以及空間最大化利用原則確定正面母板在模塊內(nèi)的安裝高度，并以此確定出模塊的中間骨架位置作為母板的基準(zhǔn)安裝臺(tái)。

將射頻母板上表貼射頻連接器集中放置在母板邊緣靠近模塊接口一側(cè)，并嚴(yán)格按照模塊接口的陣列排布方式及間距對(duì)母板上表貼射頻連接器進(jìn)行相應(yīng)的陣列排布。此時(shí)模塊接口和射頻母板上的表貼射頻連接器之間形成了一套互相垂直且一一對(duì)應(yīng)的接口陣列，如圖7所示。該接口陣列在空間上由內(nèi)外兩排構(gòu)成，在其中間通過(guò)兩組90°彎式射頻KK頭就可以實(shí)現(xiàn)接口陣列兩端的信號(hào)聯(lián)通。對(duì)于所需的兩組90°彎式射頻KK頭其長(zhǎng)邊及短邊尺寸需與接口陣列的內(nèi)外排垂直連接邊的尺寸保持一致。然后再通過(guò)結(jié)構(gòu)件將兩組90°彎式射頻KK頭固定形成一個(gè)高度集成的彎式射頻轉(zhuǎn)接器構(gòu)件即可。

通過(guò)集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器可實(shí)現(xiàn)母板垂直接口與模塊水平接口的一次性對(duì)插，再通過(guò)螺釘將正面母板與基準(zhǔn)安裝臺(tái)固定即可。

2.2? 雙層母板對(duì)插板間距設(shè)計(jì)

對(duì)于復(fù)雜功能的模塊設(shè)計(jì)單純依靠正面母板無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部功能要求，因此需要采用雙層母板堆疊的方式進(jìn)一步提高內(nèi)部集成度，兩層母板之間通過(guò)表貼射頻連接器和直式射頻KK頭完成信號(hào)互通，如圖8所示。

在理想狀態(tài)下正面射頻母板和背面射頻母板上對(duì)應(yīng)的表貼射頻連接器中心軸應(yīng)完全重合，直式射頻KK頭裝進(jìn)去后應(yīng)處于完全豎直狀態(tài)。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，表貼射頻連接器在射頻母板上焊接時(shí)存在一定的偏差，同時(shí)上下兩層射頻母板在模塊盒體上裝配時(shí)也存在一定的偏差，這就導(dǎo)致實(shí)際中上下兩個(gè)表貼射頻連接器中心軸會(huì)有一定的位移偏差X。直式射頻KK頭裝進(jìn)去后處于傾斜狀態(tài)，KK頭中軸線與表貼座中軸線在空間上會(huì)形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)夾角α。

在高集成射頻互聯(lián)方面，常用的表貼射頻連接器及射頻KK頭端面型號(hào)為SSMP，為確保長(zhǎng)期的使用可靠性，針對(duì)射頻KK頭連接器廠家一般會(huì)推薦一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中所允許的最大偏轉(zhuǎn)夾角α。射頻KK頭的對(duì)插部位為彈性接觸片，超過(guò)允許角度后雖然也可以進(jìn)行裝配，且射頻KK頭的彈性部位會(huì)產(chǎn)生較大變形，隨著時(shí)間推移會(huì)慢慢發(fā)生塑性變形，KK頭彈力逐步消失導(dǎo)致射頻接地不良，影響傳輸質(zhì)量。更有甚者在裝配階段就會(huì)發(fā)生射頻KK頭損壞的情況。結(jié)合大量的工程實(shí)踐，SSMP型KK頭在實(shí)際應(yīng)用中所允許的偏轉(zhuǎn)夾具α建議≤2°。

因此對(duì)于雙層母板設(shè)計(jì)方案，在對(duì)板間距L進(jìn)行確定時(shí)，首先要根據(jù)射頻母板上表貼座的最大焊接誤差以及母板裝配的最大誤差累加得到相應(yīng)射頻表貼座在極限情況下的位移偏差X，然后根據(jù)射頻KK頭裝配時(shí)允許的最大偏轉(zhuǎn)夾角α對(duì)板間距L進(jìn)行計(jì)算，具體如式（1）所示。

L = X / tanα? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

根據(jù)式（1）所計(jì)算出的板間距L表示允許的最小值，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)不能小于該值。部分場(chǎng)合為了節(jié)約空間減少板間距，就需減小表貼射頻連接器在射頻母板上的裝配誤差，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)銷釘?shù)确绞綔p小上下兩層射頻母板在模塊盒體上的裝配偏差。

2.3? 射頻母板固定方式確定

對(duì)于基于射頻母板的無(wú)纜化模塊而言，其上邊布局的均是基于BGA接口的SiP器件，在振動(dòng)環(huán)境下母板的翹曲變形很容易造成BGA頂角焊球開裂[6]。因此需要通過(guò)仿真分析合理設(shè)計(jì)母板固定螺釘布局，提高整體剛性，才能確保使用安全性。針對(duì)常用的2.5 mm厚多層介質(zhì)母板，本文通過(guò)仿真分析及實(shí)物驗(yàn)證的方式對(duì)模塊內(nèi)母板緊固螺釘?shù)牟季诌M(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明當(dāng)螺釘布局采用50 mm×

70 mm的矩形陣列排布方式時(shí)可實(shí)現(xiàn)母板上SiP的緊密排布，同時(shí)能夠滿足高強(qiáng)度振動(dòng)要求。針對(duì)不同集成度產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)需求可根據(jù)具體的電路布局對(duì)緊固螺釘?shù)奈恢眠M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)有較大調(diào)整或表面SiP過(guò)于集中時(shí)可以通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)筋的方式提高整體剛度，防止振動(dòng)翹曲。

3? 實(shí)物測(cè)試及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所研究的表貼射頻連接器高頻匹配的實(shí)際傳輸效果，按照?qǐng)D5的仿真結(jié)構(gòu)加工了多組實(shí)物樣件并進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出采用本文所研究的高頻匹配結(jié)構(gòu)加工的實(shí)物在0.5 GHz～40 GHz范圍內(nèi)測(cè)試其駐波均優(yōu)于2，插損曲線沒(méi)有出現(xiàn)突然惡化等問(wèn)題，說(shuō)明該過(guò)渡結(jié)構(gòu)在全頻段的匹配均比較理想，能夠滿足毫米波使用需求。

基于所研究的表貼射頻連接器匹配結(jié)構(gòu)與集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器結(jié)合，最終完成的無(wú)纜化射頻ASSAC標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)方案如圖10所示。該模塊采用全盲插互聯(lián)，正面母板固定在微波盒體頂部，并通過(guò)集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器實(shí)現(xiàn)與模塊接口的連接，背面小母板安裝于模塊盒體另一邊，兩層母板之間通過(guò)直式射頻KK頭實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)，整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)緊湊裝配方便。

4? 結(jié)? 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)射頻模塊集成度低、裝配難度大、工藝復(fù)雜、通道指標(biāo)一致性難以保障等問(wèn)題，研究了一種基于表貼射頻連接器的無(wú)纜化模塊結(jié)構(gòu)。同時(shí)針對(duì)表貼射頻連接器的高頻匹配過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析以及實(shí)物驗(yàn)證，該匹配結(jié)構(gòu)很好解決了毫米波頻段射頻母板與表貼射頻連接器的傳輸反射系數(shù)大、射頻插針焊接可靠性不足等問(wèn)題，已在工程實(shí)踐進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

本文所研究的無(wú)纜化射頻模塊結(jié)構(gòu)方案有效解決了工程實(shí)際中電纜裝配復(fù)雜、固定困難、占用空間大、集成度無(wú)法進(jìn)一步提升等問(wèn)題。采用該結(jié)構(gòu)方案通過(guò)不同功能SiP組合以及母板內(nèi)的走線的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同功能的模塊需求，整體結(jié)構(gòu)復(fù)用性強(qiáng)，功能派生方便，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：廖翱（1983.10—），男，漢族，四川資陽(yáng)人，高工，碩士，研究方向：微波電路小型化及SIP封裝，高性能小型化微波濾波器。