侯紅英,閆 鴻

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備功能的急劇增加導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)向著高度集成化、綜合化方向發(fā)展。但是目前在綜合化電子設(shè)備中,由于對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母咝阅芤?幾十兆赫到幾千兆赫的射頻微波信號(hào)仍然主要采用各種射頻電纜的傳統(tǒng)互聯(lián)方式,使得機(jī)架內(nèi)布設(shè)的射頻電纜數(shù)目越來越多,造成產(chǎn)品可靠性降低,對(duì)產(chǎn)品的小型化、輕便化、高度集成設(shè)計(jì)帶來極大的不利影響。如何在保證系統(tǒng)性能指標(biāo)要求的情況下實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)互聯(lián)的小型化、集成化設(shè)計(jì)成為有必要進(jìn)行研究和探討的重要課題,尤其在數(shù)字、模擬、射頻混合信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境下,目前還未在國(guó)內(nèi)外的科技期刊中發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。本文結(jié)合現(xiàn)有的工藝技術(shù)和器件水平,對(duì)寬帶射頻信號(hào)納入多層印制板傳輸?shù)目尚行赃M(jìn)行了評(píng)估和探討。

2 寬帶射頻信號(hào)背板的關(guān)鍵技術(shù)

(1)大尺寸、高機(jī)械強(qiáng)度多層射頻背板的基材選擇和加工[1]

為了支持高達(dá)吉赫的射頻信號(hào)傳輸,需使用微波電路板基材。在微波電路板基材中,主要有改性FR4材料、PPO、PI、PTFE基復(fù)合材料。陶瓷類的特殊微波電路板基材通常較軟、較脆,不易于加工為大尺寸、高機(jī)械強(qiáng)度的多層板。對(duì)于大多數(shù)軍用環(huán)境來講,只有PTFE基復(fù)合材料作為首選,因?yàn)槠渚哂袃?yōu)良的電氣、機(jī)械及熱性能,工作在小于300℃的環(huán)境下不會(huì)發(fā)生軟化、氧化或其它形式的分解,能夠加工為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多層板。微波電路板基材根據(jù)介電常數(shù)主要分為 2.2～3.6、3.6～6.6、6.6～ 9.63個(gè)段。較常用的選擇有美國(guó)Rogers公司生產(chǎn)的RT/Duxiod系列、TMM系列和RO系列微波基材,主要有玻璃纖維增強(qiáng)型聚四氟乙烯覆銅板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆銅板和陶瓷粉填充熱固性樹脂覆銅板,雖然價(jià)格昂貴,但因其具有優(yōu)異的介電性能和良好的機(jī)械性能,具有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。另外,美國(guó)雅龍公司(Arlon)生產(chǎn)的25N、25FR熱固陶瓷基材,其性能特點(diǎn)類似Rogers RO4000系列熱固陶瓷,可加工為較大面積的多層板。

(2)射頻連接器的選擇

要想將射頻信號(hào)納入背板,首先要考慮是否有合適的射頻連接器支持印制板焊接和安裝。射頻連接器通常有單路和集成混裝,絕大多數(shù)產(chǎn)品都建議通過電纜來傳輸射頻信號(hào)。因此傳統(tǒng)連接器的改造設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵,不僅要適應(yīng)印制板焊接安裝方式,最重要的是達(dá)到需要的信號(hào)帶寬。

單路比較常見的有SMA類射頻連接器。根據(jù)手冊(cè),兩端都通過射頻電纜互聯(lián)時(shí)最高使用頻率為DC～18 GHz,最佳使用頻段僅為DC～6 GHz。此種SMA射頻連接器若改為以印制板插裝、焊接方式安裝,能夠保證的頻段會(huì)大大下降。類SMP系列連接器中的部分產(chǎn)品可采用表貼方式安裝,通過合理的設(shè)計(jì)能夠滿足頻率帶寬。

此外,集成混裝的射頻連接器廠家通常只提供電纜連接方式的產(chǎn)品。以中航光電的LRM系列連接器為例,截止目前未以量產(chǎn)方式提供可以支持印制板插裝焊接方式的射頻連接器,僅有一款型號(hào)為L(zhǎng)RM2-A35T7(2B)-B35T7(2B)R-Z＊(＊可取1,3,4)的試驗(yàn)產(chǎn)品,能夠提供兩路射頻接頭以印制板插裝焊接方式安裝,但與使用電纜射頻的使用頻率DC～18 GHz相比,能夠傳輸?shù)男盘?hào)頻率迅速下降為DC～6 GHz范圍,而且其連接器本身的駐波和插損均有一定程度增加。所以說射頻連接器的選擇是實(shí)現(xiàn)射頻背板的難點(diǎn)之一。

(3)復(fù)雜電磁環(huán)境下的路間隔離度

大系統(tǒng)的背板不僅需要很多信號(hào)層來傳輸數(shù)字、模擬信號(hào),且需要很多平面層來處理電源、地,電磁環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,若再考慮納入射頻信號(hào),復(fù)雜電磁環(huán)境下射頻信號(hào)之間、數(shù)字信號(hào)和射頻信號(hào)之間的路間隔離度無(wú)疑成為關(guān)鍵難點(diǎn)。

(4)寬帶頻段范圍內(nèi)的信號(hào)自激的抑制和消除

不僅要考慮信號(hào)在本身的工作帶寬范圍內(nèi)傳輸性能良好,而且至少要保守估計(jì)信號(hào)3～5次諧波的影響。目前除需要傳輸吉赫級(jí)的射頻信號(hào)外,同時(shí)還需要傳輸速率達(dá)吉赫級(jí)的數(shù)字信號(hào),因此需要考慮約10 GHz帶寬范圍無(wú)自激隱患,需要精心評(píng)估板卡的電源完整性、信號(hào)完整性。

3 寬帶射頻背板的可行性研究

為支持研究工作,設(shè)計(jì)和加工了一塊試驗(yàn)用多層微波基材背板。

3.1 微波基材選擇[2,4]

在介電常數(shù)在3.6～6.6范圍內(nèi)的主流產(chǎn)品內(nèi)進(jìn)行選擇,使用了Rogers公司的Rogers4000系列基材,使用RO4403C的芯板和RO4450B的半固化片,可加工為電氣性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度高的較大面積多層板,且不會(huì)明顯增加成本。Rogers RO4000系列基材的特性參數(shù)為:在10 GHz條件下,介電常數(shù)為3.17～3.54,損耗因數(shù)為0.004～0.005。

3.2 射頻連接器選擇

本文主要考察2 GHz帶寬范圍內(nèi)的情況,為了便于測(cè)試,未選擇集成混裝連接器,所涉及的射頻信號(hào)全部采用SMA射頻連接器,以印制板插裝、焊接方式安裝。

3.3 電路、結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真

試驗(yàn)背板為10層板,尺寸為320 mm×150 mm,板厚為3.5 mm,其中2、4、7、9層為帶狀線信號(hào)層,其它均為地平面層。此板卡提供驗(yàn)證不同情況下射頻信號(hào)駐波、插損、線間隔離度的條件,同時(shí)提供了驗(yàn)證數(shù)模隔離度的條件,設(shè)計(jì)了9組案例。

試驗(yàn)板實(shí)物如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)板實(shí)物Fig.1 The photo of test-board

3.3.1 插損和駐波

以S11參數(shù)評(píng)估駐波、以S21參數(shù)評(píng)估插損,對(duì)所有的帶狀線進(jìn)行了仿真和測(cè)試[5-7]。未進(jìn)行阻抗平滑過渡、安裝孔設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化時(shí),考察其中一組線寬為12 mil、阻抗為50 Ψ的帶狀線,仿真和測(cè)試結(jié)果顯示在1 GHz頻點(diǎn)插損S21約為2 dB,S11換算為駐波系數(shù)后約為2,駐波和插損在特定情況下是特定的。具體仿真和測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 S11和S21的測(cè)試仿真結(jié)果Fig.2 The simulaition and test result of S11and S21

圖2表明駐波和插損都不是非常良好,且插損S21呈現(xiàn)與S11變化呼應(yīng)的波動(dòng)?？赏ㄟ^改善SMA接頭處阻抗情況、優(yōu)化線寬來改善插損和駐波曲線的平滑度。在基材和介電特性確定情況下,依賴于策劃出足夠的線寬并保證傳輸鏈路的阻抗平滑、連續(xù)來保證插入損耗和駐波指標(biāo)。重新策劃層間介質(zhì)厚度、調(diào)整地平面的分布后,實(shí)現(xiàn)了線寬為70 mil的50 Ψ阻抗線,并在HFSS中分別對(duì)走線與連接器接頭處的過渡、接插件安裝孔的阻抗情況使用參數(shù)化模型進(jìn)行仿真,找到走線過渡的最佳距離和最佳線寬,以及能夠使連接器安裝孔保證最佳阻抗平滑狀態(tài)的反焊盤尺寸。在HFSS中對(duì)SMA連接器安裝孔的結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化模型如圖3所示,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 在HFSS中對(duì)試驗(yàn)板建立的仿真模型Fig.3 The simulationmodel of part of test board in HFSS

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)后的S11、S21仿真結(jié)果Fig.4 The simulation result of S11and S21after parameter optimized

進(jìn)行仿真和實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化后,在1 GHz時(shí)S21的仿真結(jié)果為0.5 dB,S11曲線根據(jù)反射系數(shù)的公式換算為駐波系數(shù)后約為1.5?？梢?插損和駐波指標(biāo)可控、可以被優(yōu)化。具體在實(shí)施工程應(yīng)用階段還可以針對(duì)不同要求采用分支線等窄帶阻抗匹配方法、不完整地平面等方法,提高眼圖展開程度,有效擴(kuò)展帶寬。

3.3.2 復(fù)雜電磁環(huán)境下的路間隔離度

此試驗(yàn)板最為重要的是驗(yàn)證多層板各種不同情況下的帶狀線路間隔離度。主要考察了以下4種情況。

(1)同信號(hào)層層、不同間距平行帶狀線對(duì)之間的隔離度

設(shè)計(jì)了同層1倍、2倍、4倍、6倍間距的平行帶狀線對(duì),仿真線對(duì)之間的隔離度結(jié)果如圖5所示。

圖5 同層1倍、2倍、4倍、6倍間距的平行帶狀線對(duì)之間的隔離度仿真結(jié)果Fig.5 Isolation simulation result of parallel stripline in the same layer at 1,2,4,6 times distance

圖中最上邊曲線為同層1倍間距條件下的隔離度,僅大于20 dB,距離隔離度目標(biāo)指標(biāo)大于60～80 dB有很大差距;其它曲線為間隔2倍及以上間距,仿真結(jié)果顯示間距增加隔離度迅速提高,且大于80 dB。

1倍間距條件下的隔離度測(cè)試結(jié)果如圖6所示,其它間距條件下的隔離度如圖7所示。

圖6 同信號(hào)層1倍間距走線之間的隔離度測(cè)試結(jié)果Fig.6 Isolation simulation result of parallel stripline in the same layer at 1 time distance

圖7 同層2倍及以上間距走線之間的隔離度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Isolation simulation result of parallel stripline in the same layer at 2,4,6 times distance

(2)不同信號(hào)層、不同間距平行帶狀線對(duì)之間的隔離度

不同信號(hào)層1倍、2倍、4倍、6倍間距的平行帶狀線對(duì)之間的隔離度仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同信號(hào)層1、2、4、6倍間距平行帶狀線對(duì)之間的隔離度仿真結(jié)果(大于100 dB)Fig.8 Isolation test result of parallel stripline in different layer at 1,2,4,6 times distance

不同信號(hào)層、不同間距平行帶狀線對(duì)之間的隔離度測(cè)試同圖7。不過只有6倍以上線間距時(shí)允許以距離帶狀線2倍以上的間距打隔離地孔,可以保證良好的隔離效果。

(3)不同層、正交帶狀線相互之間的隔離度

所設(shè)計(jì)的不同層、正交帶狀線,仿真和測(cè)試結(jié)果顯示隔離度良好,測(cè)試結(jié)果同圖7,隔離度普遍大于60 dB,這里不再贅述。

(4)數(shù)模之間隔離度

板卡中射頻區(qū)域地平面或電源若與其它地、電源平面有空間重疊,形成數(shù)模干擾途徑,未嚴(yán)格分區(qū)和嚴(yán)格分區(qū)時(shí)數(shù)字、射頻之間的隔離度明顯很低;一旦對(duì)各自的地(包括電源)平面實(shí)行非常嚴(yán)格的分隔處理后,仿真結(jié)果顯示隔離度良好,高于60 dB,限于篇幅,不再給出仿真曲線。

另外,為了驗(yàn)證在有金屬襯底或金屬屏蔽機(jī)箱的情況下板卡中各種信號(hào)之間的隔離度,搭建了測(cè)試環(huán)境。測(cè)試結(jié)果表明相對(duì)于獨(dú)立單板,將單板的地接觸金屬襯底或?qū)伟逋耆糜诮饘倨帘螜C(jī)箱內(nèi)時(shí),隔離度從平均值60 dB下降為平均值為50 dB,惡化了大約10 dB。

3.3.3 寬帶范圍內(nèi)諧振和自激的抑制

系統(tǒng)的背板通常傳輸眾多各種工作頻率的信號(hào),板卡本身的諧振會(huì)引發(fā)信號(hào)自激。但為保持整潔、美觀,設(shè)計(jì)背板時(shí)通常不放置去耦電容或僅放置少量電容。為評(píng)估分立電容或埋容去耦和消除諧振的效果,可通過Ansys公司的SIWave軟件仿真先找出諧振區(qū)域,再通過阻抗參數(shù)曲線評(píng)估是否還存在阻抗突變頻點(diǎn),達(dá)到消除諧振、改善平面層阻抗的目的,保證寬帶射頻背板的電源完整性和信號(hào)完整性。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上的分析和研究結(jié)果總結(jié)出,選擇可行的基板介質(zhì)和射頻連接器并進(jìn)行電路優(yōu)化后,能夠利用現(xiàn)有的基材和加工工藝實(shí)現(xiàn)至少1 GHz頻率的多層射頻信號(hào)背板,保守估計(jì)能夠達(dá)到的插入損耗約為0.5 dB,駐波系數(shù)約1.5,隔離度約60 dB,對(duì)于集成化系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)部的頻率基準(zhǔn)分發(fā)、多通道中頻傳輸?shù)葢?yīng)用,具有極大的應(yīng)用參考價(jià)值?，F(xiàn)正在與射頻連接器加工設(shè)計(jì)廠商合作,研制可用于更高頻率的盲插集成混裝射頻連接器,爭(zhēng)取通過改進(jìn),適當(dāng)采用窄帶等匹配方法[8],使得射頻多層背板互聯(lián)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于更高頻率和更多環(huán)境。

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