朱文舉,陳 娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,河北 石家莊 050051)

垂直互連在多通道T/R組件中的應(yīng)用

朱文舉,陳 娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,河北 石家莊 050051)

垂直互連在多通道T/R組件中應(yīng)用廣泛。通過(guò)仿真軟件CST建立模型進(jìn)行仿真,通過(guò)理論分析,優(yōu)化參數(shù),得到最佳的結(jié)構(gòu)尺寸和微帶匹配參數(shù),并根據(jù)仿真結(jié)果加工實(shí)物,驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。測(cè)試結(jié)果表明,優(yōu)化后的垂直互連適用于6～18 GHz的射頻信號(hào)傳輸,根據(jù)需要可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)并將其工作頻率提高到30 GHz以上。

T/R組件;垂直互連;多通道

0 引 言

有源相控陣天線在軍用雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。T/R組件是有源相控陣天線的核心部件。傳統(tǒng)相控陣天線是用單個(gè)T/R組件裝配天線陣面,然后進(jìn)行整體測(cè)試,對(duì)大型陣面裝配和測(cè)試十分復(fù)雜。近年來(lái)西方提出了可擴(kuò)展構(gòu)造塊的概念,其核心是將幾個(gè)T/R組件和天線單元集成為一個(gè)“積木塊”。積木塊本身是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的子陣模塊,可以集成制造和單獨(dú)測(cè)試。同時(shí),子陣模塊具有可擴(kuò)展性,可以再次組合形成更大陣面,通過(guò)可擴(kuò)展構(gòu)造塊的結(jié)構(gòu)、接口以及制造、測(cè)試過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模有源相控陣天線的模塊化,簡(jiǎn)化大型陣面裝配和測(cè)試,其中具有代表性的結(jié)構(gòu)為片式T/R組件。片式結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu),電路的功能越趨復(fù)雜,對(duì)電性能指標(biāo)和外形尺寸的要求不斷提高。在滿足微波電路電氣性能指標(biāo)要求的前提下盡可能提高微波電路的集成度、減小體積和質(zhì)量是目前T/R組件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一[2-3]。

垂直互連技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的有效途徑。由于垂直互聯(lián)的高頻傳輸性能不易保證,且連接可靠性較差,未來(lái)應(yīng)當(dāng)發(fā)展新的垂直互聯(lián)形式,改進(jìn)現(xiàn)有垂直互聯(lián)技術(shù)的工藝特性,提高其可靠性和可生產(chǎn)性。本文提出了一種新型的垂直互連結(jié)構(gòu),將射頻接插件的絕緣子做成釘頭絕緣子,通過(guò)點(diǎn)焊金帶的方式與帶線互連,通過(guò)自動(dòng)組裝和自動(dòng)鍵合,可以保證多通道T/R組件間的幅度和相位一致性指標(biāo),大大減小調(diào)試工作量和工藝操作難度。

1 新型的垂直互連結(jié)構(gòu)

圖1為在電磁仿真軟件CST中建立的垂直互連結(jié)構(gòu)的模型[4]。

圖1 垂直互連結(jié)構(gòu)仿真模型

設(shè)計(jì)中,采用介電常數(shù)為2.2的羅杰斯5880板材,厚度為10 mil,50 Ω特性阻抗下微帶線寬度W1=0.76 mm;輸出接插件是采用西安艾力特公司的SMPM-JHD1;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中燒結(jié)接插件的臺(tái)階孔直徑為1.2 mm,高度為0.4 mm。為了改善端口駐波,在50 Ω?jìng)鬏攷Ь€上增加了匹配帶線,模型如圖2所示。圖中,W1為特性阻抗為50 Ω的微帶線寬度,W2為匹配帶線的寬度,L為匹配帶線的長(zhǎng)度。

圖2 微帶匹配電路

通過(guò)仿真軟件對(duì)垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳的匹配帶線以及釘頭絕緣子的尺寸,即W2=1.16 mm,L=0.55 mm,釘頭絕緣子釘頭的直徑為0.8 mm,高度為0.2 mm;電路板與空氣腔邊緣的距離為0 mm,金帶寬度為500 μm,仿真結(jié)果如圖3所示。可以看出,在DC～30 GHz的頻率范圍內(nèi),端口的S11以及S22均優(yōu)于-15dB。

圖3 新型垂直互連結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證該垂直互連結(jié)構(gòu)對(duì)多通道T/R組件的端口駐波以及通道間幅度和相位一致性的影響,根據(jù)仿真結(jié)果,加工了1只四功分器樣件,裝配完成的實(shí)物照片如圖4所示。樣件中使用的3只二功分器芯片為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所生產(chǎn)的BW506,其工作頻率為6～18 GHz,插入損耗為3.5～4.2 dB,利用失量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 實(shí)物照片

圖5 增益、駐波測(cè)試曲線

圖6 幅度、相位一致性測(cè)試曲線

可以看出,在6～18 GHz,樣件的端口駐波在2以內(nèi),插損小于9 dB,4個(gè)通道間的幅度一致性在±0.2 dB以內(nèi),相位一致性在±1°以內(nèi)。除端口駐波略有惡化外,其他指標(biāo)與仿真結(jié)果基本一致,可以很好地滿足工程應(yīng)用的需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于鍵合工藝的新型垂直互連結(jié)構(gòu),可以應(yīng)用于寬帶接收機(jī)的本振功分、T/R子陣以及多通道收發(fā)信機(jī)的功分、合成網(wǎng)絡(luò)等,實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該垂直互連結(jié)構(gòu)的可行性。

由于該模型是建立在理想邊界條件下,即PCB板接地面與盒體接觸良好,在實(shí)際應(yīng)用中,PCB板與盒體間必然有一定的縫隙,輸入、輸出端口與帶線之間的不連續(xù),導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真曲線略有惡化[5]。隨著頻率的升高,這種不連續(xù)的影響將愈發(fā)突出[6]。在后續(xù)的研究中,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),將PCB板側(cè)壁進(jìn)行金屬化處理,使各層地之間通過(guò)側(cè)壁緊密連接在一起,將使用頻率擴(kuò)展到30 GHz以上。

[1] 黃建.毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)[J].電訊技術(shù),2011,51(2):1-5.

[2] 徐銳敏,陳志凱,趙偉.微波集成電路的發(fā)展趨勢(shì)[J].微波學(xué)報(bào),2013,29(5/6):55-60．

[3] 顧墨琳,林守遠(yuǎn).微波集成電路技術(shù)——回顧與展望[J].微波學(xué)報(bào),2000,16(3):278-290．

[4] 張敏.CST微波工作室用戶全書[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2004.

[5] 張松松,劉飛飛.高速電路板級(jí)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(10):106-109.

[6] 甘體國(guó).毫米波工程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2006.

Application of vertical interconnection in multichannel T/R Module

ZHU Wen-ju, CHEN Na

(No.13 Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050051)

Vertical interconnection is widely used in the multichannel T/R module. The simulation software CST is used to create a model, and the optimal structure dimensions and the parameters of the microstrip are obtained through the theoretical analysis and parameter optimization. According to the simulation result, a module is manufactured to verify its reliability. Test results indicate that the optimized vertical interconnection can be used to transmit the RF signals of 6～18 GHz. According to the requirements, the structure can be optimized, and the operating frequency can be increased to over 30 GHz.

T/R module; vertical interconnection; multichannel

2017-01-05;

2017-01-20

朱文舉 (1983-),男,工程師,碩士,研究方向:多通道寬帶接收機(jī)及毫米波上、下變頻;陳娜(1989-),女,助理工程師,碩士,研究方向:微波寬帶接收機(jī)、3D MCM多功能模塊。

TN817

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1009-0401(2017)01-0042-03