徐 晟，李心潔，劉永杰，裘健豪

(1.上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所，上海201109;2.空軍駐上海航天局軍事代表室，上海201109)

0 引言

微波組件對(duì)外射頻接口的電壓駐波比(VSWR)是衡量外部設(shè)備與微波組件之間微波信號(hào)傳輸效率的指標(biāo)。微波在不同介質(zhì)中傳輸時(shí)，波的能量有一部分會(huì)被反射，反射波與傳輸波疊加后形成駐波。電壓駐波比是指駐波電壓峰值與電壓谷值之比。最理想的情況是VSWR的值等于1，表示沒(méi)有任何反射;如果VSWR的值大于1，表示有一部分波被反射。

微波組件內(nèi)部大都以微帶線(xiàn)作為微波傳輸介質(zhì)，接口通常是高頻同軸電連接器，兩者或是通過(guò)焊接、或是通過(guò)金絲鍵合連接，在工藝上很難保證完全匹配，而且微帶線(xiàn)的另一端一般與芯片金絲鍵合連接，由于不同組件使用的芯片各不相同，會(huì)造成在同軸電連接器端口的信號(hào)反射和反射大小的不一致，電壓駐波比也會(huì)相應(yīng)變化。

如果能在微波組件設(shè)計(jì)階段就考慮VSWR的調(diào)整方式，通過(guò)理論計(jì)算，在微帶主線(xiàn)與旁邊片式電容間進(jìn)行金絲鍵合，引入匹配要素，在組件調(diào)試過(guò)程中根據(jù)測(cè)得的接口VSWR數(shù)值，選擇合適的片式電容與微帶主線(xiàn)進(jìn)行鍵合后，將VSWR控制在一個(gè)較低的值，有效減少微波組件的調(diào)試時(shí)間，同時(shí)增加調(diào)試穩(wěn)定性。

1 組件接口特性

組件的射頻接口與芯片之間的微波信號(hào)傳輸，通常是由微帶線(xiàn)過(guò)渡的，示意圖如圖1所示。微帶線(xiàn)與射頻接口內(nèi)導(dǎo)體的連接、微帶線(xiàn)與芯片間金絲鍵合連接，都會(huì)導(dǎo)致互連的不連續(xù)性，從而引起組件接口處電壓駐波比的惡化。

上述不連續(xù)性在組件裝配完成后不可以再隨意調(diào)整，如果裝配后發(fā)現(xiàn)VSWR指標(biāo)存在超差的情況，在不影響裝配的前提下，在微帶線(xiàn)旁邊引入單片式電容，通過(guò)金絲鍵合線(xiàn)接入微帶線(xiàn)，如圖1所示。主動(dòng)引入容性匹配以抵消上述不連續(xù)點(diǎn)(互連處)引起的接口VSWR變差的情況。

但是單片式電容的尺寸大小、金絲鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度、單片式電容到互連處的距離都會(huì)對(duì)接口VSWR產(chǎn)生影響，如果單片式電容接入方式不對(duì)，反而會(huì)加劇VSWR指標(biāo)惡化。下面對(duì)上述要求進(jìn)行詳細(xì)討論。

2 單片式電容接入等效模型

基于單片式電容的VSWR調(diào)整電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。失配電路為模擬實(shí)際電路中的不連續(xù)性而引入，通過(guò)改變其尺寸，可以模擬射頻端口測(cè)得的不同數(shù)值VSWR;微帶線(xiàn)的寬度尺寸保證50Ω匹配性;引入單片式電容和金絲鍵合線(xiàn)，以增加參與電路匹配的電容值而減少對(duì)微波傳輸信號(hào)的相位影響;單片式電容面積直接反映了接入電容值，是主要調(diào)整參數(shù);單片式電容與微帶線(xiàn)之間的距離一般不作為變量，保證在一個(gè)數(shù)值，以?xún)烧唛g無(wú)較強(qiáng)耦合作用、金絲鍵合線(xiàn)不要過(guò)長(zhǎng)為宜;金絲鍵合線(xiàn)接入微帶線(xiàn)的鍵合點(diǎn)到失配電路的距離l1是調(diào)整VSWR參數(shù)的關(guān)鍵變量，不合適的l1值反而會(huì)對(duì)VSWR造成不利影響。

將圖2的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為物理模型，如圖3所示。ZS為失配電路的特性阻抗，根據(jù)ZS可以算出VSWR值;Z0為微帶線(xiàn)特性阻抗，一般為50Ω。

θ1是失配電路至金絲鍵合處的微帶線(xiàn)的電長(zhǎng)度，θ2是金絲鍵合處至芯片負(fù)載的微帶線(xiàn)電長(zhǎng)度。θ1=2πl(wèi)1/λg，λg是微波信號(hào)在微帶線(xiàn)上的傳輸波長(zhǎng)可表示為[1]

式中：λ0為自由空間波長(zhǎng);h為微帶線(xiàn)基片厚度;W為微帶線(xiàn)導(dǎo)帶的寬度;εr為基片的相對(duì)介電常數(shù)。

金絲鍵合線(xiàn)等效模型由與兩邊微帶線(xiàn)的并聯(lián)電容Ce、串聯(lián)電感Lb、串聯(lián)電阻Rb等組成[2-4]。

對(duì)自由空間中長(zhǎng)度為l，直徑為d的圓形金絲鍵合線(xiàn)，工作在頻率f時(shí)，并聯(lián)電容Ce為

電感Lb可表示為

串聯(lián)電阻Rb的計(jì)算公式為

從央視還看到一則“老人有病假裝健康”的公益廣告：一位老大爺與兒子通電話(huà)，句句“報(bào)平安”：“我和你媽挺好的。你想跟她通電話(huà)呀，她出去跳舞去啦！”然而鏡頭切換的卻是另一個(gè)畫(huà)面：兒子的老母正躺在醫(yī)院住院部病床上輸液，打電話(huà)的老人正在旁邊照顧著?，F(xiàn)實(shí)生活中，這樣的場(chǎng)景很多。父母明明生病了，緣何要瞞著兒女？一是怕兒女擔(dān)心，精神壓力加大；二怕兒女分心，影響工作。由此，讓筆者聯(lián)想到任賢齊演唱的歌曲《心太軟》：“你總是心太軟，把所有問(wèn)題都自己扛……”這首歌曲或許唱的是愛(ài)情，但筆者卻聽(tīng)出了什么事都自己“扛”的老年父母的復(fù)雜心態(tài)。

式(3)～式(6)中：μ0為真空磁導(dǎo)率(μ0=4π×10-7H/m);μr為鍵合線(xiàn)的相對(duì)磁導(dǎo)率(對(duì)于金絲，μr=1);δ為鍵合線(xiàn)的趨膚深度;ρ為金絲鍵合線(xiàn)的電阻率。

Cp為單片式電容，其電容值計(jì)算公式為

其中，Cp1為單片式電容單極面積電容，計(jì)算公式為

式中：ε0為真空介電常數(shù)(ε0=1/36π×10-9F/m);A為單片式電容單極面積。

Cf為單片式電容的邊緣電容，計(jì)算公式為[5]

式中：ltol為單片式電容邊緣的周長(zhǎng);t為單片式電容金屬銅箔的厚度。

3 VSWR調(diào)整電路計(jì)算

3.1 公式推導(dǎo)

由金絲鍵合線(xiàn)和片式電容組成的并聯(lián)支節(jié)如圖3所示，在電路中作為并聯(lián)導(dǎo)納：

式中：ω=2πf。

圖3中從信號(hào)輸入至芯片負(fù)載的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的歸一化ABCD矩陣為[6]

式中：zS=ZS/Z0，yB=YB/Y0，Y0為微帶線(xiàn)的特性導(dǎo)納。

將[aS]矩陣轉(zhuǎn)換為[s]矩陣后，可以得到參數(shù)s11的幅值，于是可計(jì)算得出

3.2 計(jì)算實(shí)例分析

為驗(yàn)證單片式電容對(duì)VSWR的實(shí)際調(diào)整效果，設(shè)定各個(gè)參量值，對(duì)上述公式進(jìn)行推導(dǎo)。微帶線(xiàn)基片厚度h=0.127 mm、導(dǎo)帶寬度W=0.38 mm、金屬銅箔厚度t=0.018 mm、相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2、特性阻抗Z0=50Ω;圓形鍵合金絲長(zhǎng)度l=600μm、直徑d=25μm;單片式電容長(zhǎng)度為a、寬度為b;工作頻率f=20 GHz。則計(jì)算針對(duì)不同的VSWR值，在電長(zhǎng)度θ1處引入不同尺寸的單片式電容后，優(yōu)化VSWR值。理論推導(dǎo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 相同頻率優(yōu)化VSWR與片式電容尺寸、電長(zhǎng)度關(guān)系

從表1可以看出，由阻抗失配電路引起的VSWR值偏大，可以通過(guò)在適當(dāng)位置增加單片式電容得到很好的改善。在相同工作頻率下，針對(duì)不同的VSWR值，通過(guò)公式(9)可以得到合適的單片式電容尺寸值和接入點(diǎn)與失配電路間的電長(zhǎng)度。

如果VSWR值越大，參與調(diào)整的單片式電容尺寸就越大。這可以理解為，電路失配越厲害，需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娙葜稻驮酱蟆SWR值的調(diào)整又與接入點(diǎn)與失配電路間的電長(zhǎng)度有關(guān)，電路失配越厲害，補(bǔ)償電容需離失配電路越近。

若假定VSWR值為2，針對(duì)不同的工作頻率，計(jì)算優(yōu)化VSWR值所需的單片式電容尺寸與電長(zhǎng)度，理論推導(dǎo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出，對(duì)于VSWR=2的原始值，補(bǔ)償?shù)膯纹诫娙萁尤胛恢玫碾婇L(zhǎng)度比較一致，都在65°～70°，因此VSWR值與電長(zhǎng)度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體數(shù)據(jù)參照表1。而隨著頻率的增大，參與補(bǔ)償?shù)碾娙葜禍p小，即單片式電容的尺寸減小。

表2 不同頻率優(yōu)化VSWR與片式電容尺寸、電長(zhǎng)度關(guān)系

將表1和表2中工作頻率f=20 GHz、VSWR=2的單片式電容尺寸和電長(zhǎng)度進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者略有差異。說(shuō)明VSWR值調(diào)整方式具有一定的冗余范圍，同時(shí)表明本文涉及的VSWR調(diào)整方法切實(shí)可行。

為驗(yàn)證上述方法的正確性，使用HFSS軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果與理論計(jì)算具有很好的一致性。

4 結(jié)論

在微帶線(xiàn)傳輸電路中，如果需要對(duì)VSWR指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)引入單片式電容進(jìn)行匹配可以很好地達(dá)到預(yù)期效果。本文通過(guò)引入金絲鍵合線(xiàn)等效模型和單片式電容等效模型，在原失配電路中建立并聯(lián)支節(jié)，計(jì)算其對(duì)調(diào)整VSWR指標(biāo)的作用。該方法可以較好的用于微波組件調(diào)試生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)大量計(jì)算驗(yàn)證，也發(fā)現(xiàn)其有一定的局限性，即只有在VSWR值不大于3時(shí)，上述推導(dǎo)方法比較準(zhǔn)確有效。