肖 暉，脫英英，呂英飛，羅建強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

1 引言

在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域，用于信號(hào)接收和發(fā)射的收發(fā)（T/R）組件是陣列天線和相控陣?yán)走_(dá)中的核心組成部分，其性能決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。但是，對(duì)于批量生產(chǎn)的微波組件，因原材料的批次差異或生產(chǎn)廠家的不同，電路基板的材料參數(shù)（例如介電常數(shù)、損耗角正切值、金屬表面粗糙度等）存在差異；因微組裝設(shè)備的不同或操作人員的差異，微組裝工藝參數(shù)（例如級(jí)聯(lián)金絲弧高、級(jí)聯(lián)金絲跨距）存在波動(dòng)。這導(dǎo)致不同組件或同一組件不同通道之間的信號(hào)幅度和相位出現(xiàn)不同程度的偏差，使得微波組件的幅相一致性不達(dá)標(biāo)，最終影響系統(tǒng)的性能。

為將微波組件的幅相特性控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，減少后續(xù)組件調(diào)試和裝配校準(zhǔn)的工作量，需要研究電路基板材料參數(shù)和微組裝工藝參數(shù)對(duì)組件幅相特性的影響，明確影響微波組件幅相特性的主要因素。本文以T/R 組件中常用的移相模塊為例，采用三維電磁仿真軟件HFSS18.0 對(duì)移相模塊進(jìn)行建模仿真，分析電路基板的介電常數(shù)、損耗角正切值、信號(hào)傳輸線表面粗糙度、級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距等因素對(duì)微波組件幅相特性的影響，并根據(jù)分析結(jié)果提出基板選材和微波組件裝配過(guò)程中的注意事項(xiàng)，從而為微波組件的幅相一致性提供保障。

2 仿真建模

采用三維電磁仿真軟件HFSS18.0 對(duì)移相模塊進(jìn)行建模，微帶線結(jié)構(gòu)移相網(wǎng)絡(luò)見圖1 中圓圈內(nèi)所示的深藍(lán)色電路片，將移相網(wǎng)絡(luò)直通路徑的各部分以及移相網(wǎng)絡(luò)和微帶傳輸線通過(guò)鍵合金絲級(jí)聯(lián)得到移相模塊，級(jí)聯(lián)金絲結(jié)構(gòu)見圖1 的內(nèi)插圖。微帶傳輸線的基板材料為0.19 mm 厚的Duriod5880，基板介電常數(shù)為2.2，損耗角正切值為0.0009，信號(hào)傳輸線是厚度為0.015 mm 的銅，表面粗糙度為0 mm；移相網(wǎng)絡(luò)的基板材料為0.254 mm 厚的氧化鋁陶瓷，基板介電常數(shù)為9.8，損耗角正切值為0.0001，信號(hào)傳輸線是厚度為0.004 mm 的金，級(jí)聯(lián)金絲直徑為0.025 mm，金絲弧高為0.10 mm，金絲跨距為0.20 mm，仿真頻段為1～40 GHz。相位滯后仿真結(jié)果為負(fù)值，相位超前仿真結(jié)果為正值。

圖1 移相模塊仿真模型

3 仿真分析

因原料的差異或制備工藝的不同，微波組件中起互連、支撐、絕緣作用的電路基板材料參數(shù)（例如介電常數(shù)、損耗角正切值和金屬表面粗糙度）存在批次性差異。受器件加工偏差、腔體加工偏差、裝配定位偏差等因素的影響，微組裝工藝參數(shù)（例如級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距）的波動(dòng)范圍較大。為分析每一個(gè)參數(shù)對(duì)組件幅度和相位的影響大小，明確主要影響因素，下面分別將每一個(gè)基板材料參數(shù)和微組裝工藝參數(shù)設(shè)為仿真變量，仿真分析當(dāng)其他參數(shù)保持不變、單個(gè)參數(shù)變化時(shí)組件幅相特性的變化情況。

3.1 電路基板材料參數(shù)仿真

3.1.1 基板介電常數(shù)

電路基板的損耗角正切值、金屬表面粗糙度、級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距取仿真模型中的設(shè)定值，僅將基板材料的介電常數(shù)εr設(shè)為仿真變量，仿真分析εr的變化對(duì)組件幅相特性的影響。εr的初始值為2.2，變化范圍為2.0～2.5，步進(jìn)為0.1。

基板介電常數(shù)變化時(shí)，移相模塊相位φ、通道損耗S21和電壓駐波比（VSWR，記作RVSW）的仿真曲線見圖2。以εr取初始值時(shí)的相位為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，對(duì)比介電常數(shù)取不同值時(shí)通道的相位變化，從圖2（a）中可以看到，1～40 GHz、不同介電常數(shù)下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著介電常數(shù)的增加，相位由超前變?yōu)闇?，相位變化范圍?8.89°～－72.14°@40 GHz。同時(shí)，如圖2(b)所示，通道損耗和電壓駐波比隨著介電常數(shù)的變化而小幅波動(dòng)，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.33～－0.37 dB，RVSW的最差值變化范圍為1.19～1.31。

仿真結(jié)果表明，通道損耗和駐波受介電常數(shù)變化的影響較小，而通道相位對(duì)基板介電常數(shù)的變化比較敏感。因此，為保證微波組件的相位一致性，在微波電路的制備初期就要對(duì)基板材料的介電常數(shù)進(jìn)行檢測(cè) 和篩選，嚴(yán)格控制基板介電常數(shù)的一致性。

圖2 基板εr 變化時(shí)，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

3.1.2 基板損耗角正切值

電路基板的介電常數(shù)、金屬表面粗糙度、級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距取仿真模型中的設(shè)定值，僅將基板介質(zhì)材料的損耗角正切值tan δ 設(shè)為仿真變量，仿真分析tan δ 的變化對(duì)組件幅相特性的影響。tan δ 的初始值為0.0009，變化范圍為0.0005～0.0025，步進(jìn)為0.0004。

基板損耗角正切值變化時(shí)，移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線見圖3。以tan δ 取初始值時(shí)的相位為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，對(duì)比通道相位隨基材損耗角正切值的變化情況，從圖3（a）中可以看到，1～40 GHz、不同損耗角正切值下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，而同一頻率下通道相位隨著損耗角正切值的變化波動(dòng)極小且無(wú)規(guī)律，相位變化范圍為-0.31°～1.79°@40 GHz。同時(shí)，如圖3（b）所示，通道損耗隨著損耗角正切值的增加而增加，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為-0.30～-0.44 dB，通道電壓駐波比隨著損耗角正切值的增加基本不變，RVSW的最差值變化范圍為1.12～1.18。

仿真結(jié)果表明，基板損耗角正切值變化對(duì)移相模塊的相位和駐波的影響均極小，可以忽略，而通道損耗隨著損耗角正切值的增加而增加。因此，為降低通道損耗、提高通道增益，微波電路應(yīng)選擇損耗角正切值較小的基板材料。

圖3 基板tan δ 變化時(shí)，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

3.1.3 金屬表面粗糙度

因趨膚效應(yīng)，電路中微波信號(hào)沿傳輸線表面?zhèn)鬏?，如果金屬表面粗糙度變化較大，組件微波傳輸性能將受到影響。因此，將金屬傳輸線表面均方根粗糙度Ra設(shè)為仿真變量，仿真分析僅Ra變化時(shí)組件幅相特性的變化。Ra的初始值為0.000 mm，變化范圍為0.000～0.004 mm，步進(jìn)為0.001 mm。

金屬表面粗糙度變化時(shí)移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線見圖4。以Ra取初始值時(shí)的相位為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，對(duì)比分析金屬表面粗糙度不同時(shí)通道的相位值，從圖4（a）中可以看到，1～40 GHz、不同粗糙度下通道相位隨著頻率的增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著粗糙度的增加，通道相位幾乎不變，相位變化范圍為0.00°～－1.70°@40 GHz。同時(shí)，如圖4（b）所示，通道損耗和電壓駐波比隨著金屬表面粗糙度的變化而波動(dòng)，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.35～－0.52dB，RVSW的最差值變化范圍為1.22～1.23。

仿真結(jié)果表明，傳輸線表面粗糙度的變化對(duì)通道相位和電壓駐波比的影響極小，而通道損耗隨著粗糙度的增加而明顯增加。同時(shí)隨著頻率的升高，趨膚深度減小，當(dāng)趨膚深度小于Ra后，通道損耗將基本不再受Ra變化的影響。因此，微波組件制備時(shí)需要減小金屬傳輸線的表面粗糙度以降低微波信號(hào)的傳輸損耗，進(jìn)而保證微波組件的幅度一致性。

圖4 Ra 變化時(shí)，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

3.2 微組裝工藝參數(shù)仿真

本節(jié)將級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距分別設(shè)為仿真變量，仿真分析各工藝參數(shù)變化對(duì)組件幅相特性的影響。移相模塊的直通路徑上共有4 處級(jí)聯(lián)金絲，每一處的級(jí)聯(lián)金絲根數(shù)為2 根，金絲弧高和跨距變化時(shí)，4 處的參數(shù)同時(shí)變化。

3.2.1 級(jí)聯(lián)金絲弧高

電路基板的介電常數(shù)、損耗角正切值、金屬表面粗糙度、級(jí)聯(lián)金絲跨距取仿真模型中的設(shè)定值，將級(jí)聯(lián)金絲弧高h(yuǎn) 設(shè)為仿真變量，仿真分析h 變化對(duì)組件幅相特性的影響。h 的初始值為0.10 mm，變化范圍為0.10～0.40 mm，步進(jìn)為0.10 mm。

級(jí)聯(lián)金絲弧高變化時(shí)移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線如圖5 所示，以金絲弧高取初始值時(shí)的相位為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，對(duì)比不同金絲弧高下通道的相位值，從圖5（a）中可以看到，1～40 GHz、不同金絲弧高下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著金絲弧高的增加，通道相位逐漸滯后，變化范圍為0.00°～－89.72°@40 GHz。同時(shí)，如圖5（b）所示，通道損耗和電壓駐波比隨著金絲弧高的增加而惡化，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.31～－0.97 dB，RVSW的最差值變化范圍為1.17～2.15。

圖5 h 變化時(shí)，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

仿真結(jié)果表明，金絲弧高變化會(huì)對(duì)移相模塊的幅相特性產(chǎn)生較大的影響。金絲弧高增加，模塊的幅相特性變差。因此，在微波組件的裝配過(guò)程中，應(yīng)注意保持級(jí)聯(lián)金絲弧高的一致性。同時(shí)金絲弧高不宜過(guò)高，一般情況下應(yīng)低于0.20 mm。

3.2.2 級(jí)聯(lián)金絲跨距

將移相模塊中的級(jí)聯(lián)金絲跨距d 設(shè)為仿真變量，仿真分析僅d 變化時(shí)通道幅相特性的變化。d 的初始值為0.20 mm，變化范圍為0.15～0.35 mm，步進(jìn)為0.05 mm。

級(jí)聯(lián)金絲跨距變化時(shí)移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線如圖6 所示，以金絲跨距取初始值時(shí)的相位為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，對(duì)比不同金絲跨距下通道的相位值，從圖6（a）中可以看到，1～40 GHz、不同金絲跨距下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著金絲跨距的增加，通道相位由超前變?yōu)闇?，變化范圍?.26°～-26.76°@40 GHz。同時(shí)，如圖6（b）所示，通道損耗和電壓駐波比隨著金絲跨距的增加而小幅惡化，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.31～－0.44 dB，RVSW的最差值變化范圍為1.14～1.38。

仿真結(jié)果表明，金絲跨距對(duì)通道損耗和電壓駐波比的影響相對(duì)較小，而對(duì)通道相位的影響較大。因此，在微波組件的裝配中，應(yīng)保持級(jí)聯(lián)金絲跨距的一致性。同時(shí)金絲跨距不宜過(guò)長(zhǎng)，一般情況下應(yīng)小于0.30 mm。

圖6 d 變化時(shí)，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

4 結(jié)論

本文以微波電路中常用的移相模塊為例，仿真分析了電路基板的介電常數(shù)、損耗角正切值、金屬表面粗糙度、級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距等因素對(duì)組件幅相特性的影響。組件相位對(duì)基板介電常數(shù)的變化比較敏感，通道損耗隨著介質(zhì)損耗角正切值和金屬表面粗糙度的增加而增加，級(jí)聯(lián)金絲弧高和跨距對(duì)組件幅度和相位的影響較大。為提高微波組件的幅相特性，在電路基板制備前應(yīng)對(duì)基板的介電常數(shù)和金屬表面粗糙度進(jìn)行一致性檢測(cè)篩選，在組件裝配過(guò)程中需要保持金絲弧高和跨距的一致性，并且級(jí)聯(lián)金絲的弧高應(yīng)小于0.20 mm，金絲跨距應(yīng)小于0.30 mm。

以上仿真模型及結(jié)果可用于組件精細(xì)化仿真設(shè)計(jì)、智能工藝方案及制造文件自動(dòng)生成，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造高效協(xié)同，提高微波組件的性能，并減少組件后續(xù)調(diào)試工作量，提高組件的一次設(shè)計(jì)成功率。