張可越,陳 雄,趙小龍,張松昌,曹 智,賀永寧

(1.西安交通大學(xué) 微電子學(xué)院,西安 710049;2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,西安 710129)

0 引言

由于電磁波會(huì)激發(fā)金屬接觸結(jié)上的非線性信號(hào),而三階互調(diào)信號(hào)會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的信噪比[1-2]。這使得在具有高線性度的射頻電路中必須避免不可靠的接觸[3]。目前有3種常見的方法來抑制不可靠的接觸對(duì)射頻系統(tǒng)線性的影響。第1種是增加接觸面的壓力,通過高壓避免氧化層和不同高度的微凸體對(duì)接觸狀態(tài)的影響,從而達(dá)到可靠接觸[4];第2種方法是通過鍍金或鍍銀來改善不理想的表面接觸[5];第3種是根據(jù)大量的工程經(jīng)驗(yàn),通過綜合設(shè)計(jì)直接去除金屬接觸界面[6-8]。以前的研究證明,上述技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式可以在一定程度上有效地抑制由金屬接觸引起的PIM產(chǎn)品[9]。然而,這些方式均需要較大的硬件開支和空間設(shè)計(jì),對(duì)類似移動(dòng)終端設(shè)備中的射頻前端而言實(shí)用性很差。首先,由于移動(dòng)設(shè)備中的垂直尺寸非常小,很難通過簡單地增加力來改善接觸。其次,貴金屬涂層會(huì)增加成本。由于涂層沒有從根本上改善金屬接觸結(jié)點(diǎn)的本質(zhì),接觸面的非線性電流抑制程度有限。最后,焊接對(duì)移動(dòng)終端的維護(hù)和更換部件是不利的。

本文通過結(jié)合新材料的特性,簡單且有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬接觸無源互調(diào)(passive intermodulation,PIM)的抑制。液態(tài)金屬及其合金在室溫下是流動(dòng)的,具有高潤濕性,無毒無害[10-11]。它們可以被認(rèn)為是傳統(tǒng)焊接的可替代品。從根本上說,這種常溫涂抹焊接是可逆的、可重復(fù)的[12-13]。液態(tài)金屬的這種特性為移動(dòng)終端的設(shè)備維護(hù)提供了良好的硬件基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了冷焊方法的可靠性和穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明,由液體金屬(eutectic gallium-indium,EGaIn)連接時(shí),它可以將由金屬接觸帶來的PIM抑制到相當(dāng)可觀的程度。

平面倒F天線(planar inverted F antenna,PIFA)因其體積小、重量輕、工藝一致性好、比吸收率(specific absorption ratio,SAR)低而成為移動(dòng)通信設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的天線之一[14]。同時(shí),為了降低維護(hù)和修理的成本,安裝在這些通信設(shè)備上的天線輻射貼片通常被連接在后蓋或框架上,其中的饋電和短接是通過彈片或金屬泡沫實(shí)現(xiàn)的。這樣一來,暴露在輻射場中的接觸結(jié)點(diǎn)就成為惡化PIFA的PIM水平的主要因素。本文基于這一實(shí)際工程背景,利用PIFA中的金屬接觸作為測試樣本,對(duì)EGaIn的PIM抑制能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文先詳細(xì)介紹了金屬觸點(diǎn)的等效電路模型,包括線性和非線性分立元件。然后制備了通過金屬觸點(diǎn)饋電的PIFA。最后通過比較EGaIn冷焊前后的PIFA的PIM水平,驗(yàn)證了冷焊技術(shù)對(duì)PIFA的PIM抑制效果和EGaIn的低PIM應(yīng)用潛力。

1 金屬觸點(diǎn)等效電路

PIFA中無論是彈片饋電還是頂針饋電,其根源都是由金屬接觸引起的PIM問題[15]。如圖1所示為一個(gè)單點(diǎn)接觸界面的等效電路圖,其中RMM代表金屬接觸的非線性電阻,Ci代表由接觸點(diǎn)周圍的金屬和空氣構(gòu)成的恒定電容,Ls代表由天線貼片的表面電流引起的電感。RMM和Ls都與接觸結(jié)點(diǎn)壓降有關(guān),由于天線上的表面電流隨著電壓的變化而變化,所以Ls也可以看作是電壓的一個(gè)函數(shù)。RMM是接觸點(diǎn)位置和接觸電壓降的一個(gè)函數(shù)。PIFA的PIM可以通過等效電路產(chǎn)生的非線性電流電壓關(guān)系來解釋。

圖1 單點(diǎn)接觸界面的等效電路Fig.1 Equivalent circuit for a single point of contact interface

當(dāng)接觸界面足夠大時(shí),等效電路可以被認(rèn)為是單點(diǎn)接觸電路模型的并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)意義上,Ci對(duì)接觸點(diǎn)的PIM行為有決定性的影響。當(dāng)接觸界面非常小時(shí),接觸結(jié)的等效參數(shù)強(qiáng)烈依賴于接觸點(diǎn)的狀態(tài),因此PIM測試結(jié)果也經(jīng)常在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

在接觸面積較大的情況下,接觸結(jié)點(diǎn)的形態(tài)和金屬表面形貌的分布滿足高斯統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。此外,Ci是由金屬表面的粗糙度決定的,不同接觸位置的等效電路參數(shù)可以被認(rèn)為是幾乎穩(wěn)定的,這使得相對(duì)大面積的金屬接觸結(jié)的PIM測試具有良好的可重復(fù)性[16]。

2 PIFA設(shè)計(jì)和電參數(shù)測試

在這項(xiàng)工作中,兩支工作頻率為2.6GHz的PIFA被設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn),它們的饋點(diǎn)分別通過頂針和彈片實(shí)現(xiàn),而短路點(diǎn)統(tǒng)一通過頂針實(shí)現(xiàn)。

PIFA通常由輻射單元、接地板、饋電結(jié)構(gòu)和短路金屬組成。為了更好地控制和觀察PIFA中的金屬接觸,使用了平面輻射單元而沒有使用傳統(tǒng)的單極天線。如圖2所示,顯示了用于測試的PIFA的模型圖,它主要包括兩片覆銅板,其中上層覆銅板的底部被蝕刻成天線貼片,而下層覆銅板的底部是反射地。此外,天線貼片和地面之間的連接是由彈片或頂針完成的,而短路金屬統(tǒng)一通過頂針實(shí)現(xiàn)。如圖3所示為彈片和頂針的結(jié)構(gòu)圖。天線的詳細(xì)圖片和組裝好的天線模型如圖4所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)中使用的PIFA模型圖Fig.2 Structural diagram of the PIFA used in the experiment

圖3 饋電彈片和頂針的結(jié)構(gòu)Fig.3 Construction of feeder shrapnel and pin

圖4 PIFA的局部照片和裝配照片F(xiàn)ig.4 Partial and assembly photos of PIFA

隨后對(duì)兩支天線的電參數(shù)進(jìn)行了測量,如圖5所示。無論是彈片饋電還是頂針饋電,天線回波損耗的測量結(jié)果與仿真結(jié)果都很接近,且工作頻率的偏移量非常小。兩支天線的回波損耗在2.6GHz PIM測試頻段都小于-15dB,它們在2.6GHz頻段都有良好的輸入匹配。

圖5 不同饋電方式的PIFA回波損耗測試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of PIFA return loss simulation results and test results for different feeding methods

3 PIFA中接觸結(jié)點(diǎn)的低PIM設(shè)計(jì)思路

由于軋制技術(shù)和銅箔材料性能的限制,在實(shí)際應(yīng)用中,覆銅板的表面并非絕對(duì)光滑,而是分布著不同形式的微凸體,這些微凸體的直徑和高度與表面粗糙度有關(guān)。具體來說,在實(shí)際裝配過程中,沒有完美的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或面對(duì)面的接觸。相反,兩個(gè)不平坦的表面上的一些微凸體的頂部或側(cè)面往往會(huì)出現(xiàn)相切或塑性形變,這使金屬接觸的微觀形態(tài)分析變得復(fù)雜。

如圖1所示,在PIFA中,饋點(diǎn)處金屬接觸的等效電路模型可以被認(rèn)為是接觸電阻、間隙電容和電感的并聯(lián)。其中非線性電阻RMM主要來自于接觸界面兩邊的勢能差,它與接觸壓力和電壓降有關(guān)。等效恒定電容Ci源于接觸界面兩側(cè)的微凸體之間的空氣和一些金屬氧化物,當(dāng)平面粗糙度固定時(shí),間隙電容隨著接觸位置的變化在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。電感Ls是由分布在金屬貼片上的時(shí)間變化的電流引起的。

PIFA中PIM的主要來源是覆銅板和饋電端口之間不可靠的接觸,PIFA的PIM抑制可以從這兩個(gè)方面著手:一方面,通過控制銅箔與介質(zhì)板的界面,PCB供應(yīng)商已經(jīng)能夠?qū)⑸虡I(yè)印刷電路板的PIM降低到-165dBc以下;另一方面,由于常見的金屬接觸的PIM抑制方法在PIFA的應(yīng)用中受限,因此,開發(fā)新的方法或材料來改善PIFA的接觸可靠性有利于進(jìn)一步提高PIM指標(biāo)。

根據(jù)上一節(jié)中的測試結(jié)果認(rèn)為可重構(gòu)的焊接可以抑制PIFA中饋點(diǎn)帶來的PIM?？紤]移動(dòng)終端設(shè)備中的維修和拆卸要求,使用EGaIn作為冷焊劑對(duì)饋點(diǎn)進(jìn)行可重構(gòu)的焊接。廣義的冷焊是利用機(jī)械力、分子力或電力使焊接材料擴(kuò)散到儀器表面的一種工藝。焊接后,兩個(gè)接觸面的相對(duì)位置是固定的。盡管如此,EGaIn在室溫下的流動(dòng)性和表面張力決定了這種材料在冷焊接過程中不會(huì)對(duì)接觸面造成破壞,這對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備來說是非常有利的。在進(jìn)一步研究之前,應(yīng)該對(duì)EGaIn自身的PIM進(jìn)行評(píng)估,如果液態(tài)金屬的PIM水平過高,雖然其物理性能符合要求,但仍不適合用于低PIM設(shè)備。

為了準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)EGaIn的PIM水平,利用縫隙波導(dǎo)對(duì)其自身材料特性進(jìn)行評(píng)估。本文中所用EGaIn是由體積比為85.8%的Ga和14.2%的In構(gòu)成的。如圖6所示,由于電磁波在自由空間的傳播特性,在縫隙波導(dǎo)上方兩厘米的空間會(huì)有強(qiáng)烈的近場輻射。測試結(jié)果表明,將EGaIn放置在圖6中的縫隙上時(shí),測試環(huán)路的PIM水平將從-168dBc提高到-159dBc。而將傳統(tǒng)的低互調(diào)無鉛焊錫放置在圖6中的縫隙上時(shí),測試環(huán)路的PIM水平也從-168dBc提高到了-162dBc。這表明EGaIn在低PIM研究中作為傳統(tǒng)焊劑的替代品是有潛在的應(yīng)用前景的。

圖6 基于矩形縫隙波導(dǎo)的EGaIn的PIM水平測試示意圖Fig.6 Schematic of the rectangular gap waveguide-based PIM level test for EGaIn

4 低PIM冷焊方案測試和驗(yàn)證

EGaIn滴落在固體上時(shí),EGaIn會(huì)向固體進(jìn)行浸潤,其在相對(duì)光滑的表面上附著力會(huì)更大,這是基于EGaIn的冷焊方法的前提。冷焊過程中先將少量EGaIn滴落在貼片上,然后將天線組裝,這個(gè)過程中EGaIn的量需要盡可能地少。如果EGaIn量太多,在貼片上的附著力不足以在天線移動(dòng)過程中對(duì)抗EGaIn產(chǎn)生的重力,就會(huì)引起EGaIn流動(dòng)或者滴落,從而導(dǎo)致電連接失效。為了除去EGaIn表面自然氧化的薄膜,在測試前需要用稀鹽酸對(duì)其進(jìn)行還原。

天線和測試回路的連接通過RG141低PIM同軸電纜實(shí)現(xiàn),如圖7所示為冷焊前后由頂針饋電的PIFA的回波損耗測試結(jié)果對(duì)比。它表明在冷焊前后PIFA的回波損耗參數(shù)略有波動(dòng),但整體而言加入EGaIn后PIFA的電參數(shù)沒有明顯的惡化。

圖7 冷焊前后頂針饋電PIFA的回波損耗仿真和測試結(jié)果Fig.7 Comparison of simulation and test results of return loss of PIFA fed by pin before and after cold soldering

本文用雙載波PIM測試系統(tǒng)測試天線的反射PIM水平,圖8是天線反射PM測試框架。兩個(gè)工作在2.6GHz頻段的信號(hào)通過合路器被傳輸?shù)今詈掀魃?大部分的功率通過PIFA輻射到自由空間,由天線中金屬接觸的非線性引起的PIM信號(hào)被高靈敏度的接收機(jī)接收。

圖8 天線反射PIM測試框架Fig.8 Antenna reflected PIM test framework

利用上一小節(jié)中制備的2.6GHz的PIFA,在PIFA中饋電觸點(diǎn)和短路觸點(diǎn)上用EGaIn進(jìn)行冷焊,之后測試?yán)浜盖昂驪IFA的回波損耗和反射PIM。以驗(yàn)證低PIM冷焊方案在PIFA中的有效性,在測試過程中PIFA由耐高溫的絕緣膠帶固定在木質(zhì)框架上。在不同的輸入功率下,可以得到兩支天線的反射PIM變化曲線。

為了明確EGaIn對(duì)PIFA中PIM的抑制水平,分別測試了冷焊前后PIFA的反射PIM。由于EGaIn帶有流動(dòng)性,所以本文記錄了10分鐘內(nèi)兩支PIFA在冷焊前后的反射PIM變化曲線。在測試過程中PIFA的PIM呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定,這表明觸點(diǎn)處少量的EGaIn可以穩(wěn)定地粘附在金屬貼片表面而未對(duì)PIFA性能產(chǎn)生影響。這也是區(qū)別于傳統(tǒng)焊接的在連接穩(wěn)定性上需要被排除的不確定性。

在測試過程中,為了保證測量中PIM的穩(wěn)定性,在10分鐘內(nèi)斷斷續(xù)續(xù)地測試了幾組數(shù)據(jù)。如圖9所示,PIFA在用EGaIn冷焊前后的反射PIM變化曲線,它表明EGaIn可以通過短路上一節(jié)中提到的非線性金屬接觸的等效電路模型有效地改善PIFA的PIM水平;同時(shí),雖然PIFA在未經(jīng)冷焊時(shí)的PIM都高于-140dBc,但是在冷焊過后其PIM水平均下降到-150dBc以下,且其PIM水平最大下降了約35dB。綜上所述,EGaIn作為冷焊劑在改善電連接方面具有實(shí)際的且有前景的應(yīng)用。這是因?yàn)橥ㄟ^EGaIn建立的相對(duì)大面積的可靠接觸界面削弱了非線性電阻RMM和電感LS的作用,同時(shí)將原PIFA的反射PIM降低了約35dB。所以用EGaIn處理PIFA中電連接的方法可以有效改善接觸非線性產(chǎn)生的可靠性問題。同時(shí)本文也發(fā)現(xiàn)了EGaIn本身作為射頻材料的低PIM應(yīng)用前景。

圖9 兩種饋電方式的PIFA在冷焊前后反射PIM測試變化曲線Fig.9 Reflected PIM test variation curves before and after cold welding for two feeds of PIFA

同時(shí)EGaIn在射頻低PIM應(yīng)用中有兩個(gè)規(guī)避不了的問題。首先是EGaIn在空氣中的自然氧化可能會(huì)為測試回路帶來新的接觸PIM風(fēng)險(xiǎn);其次是EGaIn對(duì)金屬的腐蝕作用在長時(shí)間的使用過程中可能會(huì)破壞原本電路中的金屬部分,但只要合理利用EGaIn的導(dǎo)電性、浸潤性、流動(dòng)性和可重構(gòu)性的優(yōu)勢,它在射頻低PIM設(shè)計(jì)中仍然會(huì)有很寬闊的應(yīng)用空間。

5 結(jié)論

本文介紹了一種利用EGaIn來降低PIFA天線中金屬接觸PIM的方法。EGaIn是一種可重構(gòu)的液態(tài)合金,可以在接觸點(diǎn)靈活地放置以改變接觸面的非線性特性。通過在PIFA天線的金屬接觸點(diǎn)處放置EGaIn,可以顯著降低PIM水平,提高天線的性能。與傳統(tǒng)的焊接方法相比,EGaIn提供了一種更穩(wěn)定的接觸方式,可以有效地降低PIM水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在加載了EGaIn的PIFA天線中,反射PIM最高可以改善35dB,這符合5G移動(dòng)終端中多天線和電連接的裝配要求。此外,EGaIn還可以作為常溫焊料的替代品,用于更多可重構(gòu)的低PIM組件,如波導(dǎo)連接和微帶饋電。綜上所述,這項(xiàng)工作為電連接中降低非線性失真和調(diào)控移動(dòng)通信終端產(chǎn)品中,由接觸產(chǎn)生的PIM提供了一種具有革新意義的參考方法。