基于多層PCB布線的Ku波段TR組件的設(shè)計

胡仕偉，方 圓，錢志宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們對電子設(shè)備小型化的需求，PCB板的導(dǎo)線互連密度不斷提高，PCB也從最初的單面到雙面發(fā)展到現(xiàn)在的多面板。一般多層板的結(jié)構(gòu)是由一塊或是多塊雙面板做內(nèi)層，兩塊單面板做外層附在內(nèi)層的上下兩面構(gòu)成。通過定位系統(tǒng)與由樹脂和增強(qiáng)材料構(gòu)成的粘合片交替在一起，導(dǎo)電圖形按照設(shè)計要求進(jìn)行電氣互連。它主要是使用刻蝕和印制法制作銅導(dǎo)線，鉆出通孔、盲孔及埋孔并用銅進(jìn)行金屬化。層間的互連線則是使用電子設(shè)計自動化（EDA）軟件進(jìn)行設(shè)計。層與層之間的電氣互連則一般通過金屬化的通孔來實現(xiàn)[2,3]，其具有工期短、低成本等優(yōu)勢[1]。典型的六層板結(jié)構(gòu)橫截面如圖1所示。

圖1 多層PCB板結(jié)構(gòu)示意圖

組件的基本設(shè)計要求為外形尺寸為100 mm×70 mm×30 mm，重量小于250 g，可以實現(xiàn)四通道收發(fā)。

發(fā)射支路要求：

輸出功率≥10 W；

帶內(nèi)輸出功率起伏≤1.5 dBm；

輸出雜散電平≤-50 dBc。

接收支路要求：

接收通道總增益為100±1.5 dB；

噪聲系數(shù)≤4 dB。

2 組件設(shè)計

2.1 電路原理

TR組件的性能指標(biāo)，主要包括：發(fā)射通道輸出功率、發(fā)射通道帶內(nèi)輸出功率起伏、發(fā)射通道輸出雜散電平、接收通道總增益、接收通道噪聲系數(shù)、接收通道輸出1 dB壓縮點功率等。但有些指標(biāo)如噪聲系數(shù)與增益在實現(xiàn)上相互矛盾，所以實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮，折中選擇，根據(jù)自己的需要來制定方案。對于本組件，選定其左頻段為Ku波段，發(fā)射支路采用三級功率放大輸出；接收支路采用超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)。整個電路的原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

然后我們根據(jù)設(shè)計要求選擇相應(yīng)的元器件，最后得出實際電路原理圖如圖3所示。

圖3 實際電路原理圖

為了最大限度地節(jié)省體積，收、發(fā)支路將共用其中的一些電路。通過圖3可以看出，濾波器1、2、3、4和混頻器1、2為收發(fā)可以共用的器件，因此通過單刀雙擲開關(guān)在收發(fā)通道之間切換。其中濾波器1位于混頻器1之前，是實現(xiàn)下變頻的鏡頻抑制和上變頻雜波抑制的關(guān)鍵元器件。為了滿足性能上的要求，這里采用MEMS濾波器來實現(xiàn)。其性能測試曲線如圖4所示。

圖4 MEMS濾波器實物圖及測試曲線

2.2 多層PCB板結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)無源結(jié)構(gòu)設(shè)計

多層PCB與LTCC技術(shù)屬于MCM技術(shù)。在此組件設(shè)計中，如果采用LTCC技術(shù)，首先會大幅提高組件的成本。其次，LTCC與多層PCB技術(shù)相比，并不能大幅度減小組件的體積。最后，采用LTCC技術(shù)，則組件的功放散熱是一個大問題，會影響到組件的可靠性。綜上，我們這里采用多層PCB技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計。

要制作多層板，必須要先確定所需要的板材。首先，必須是硬質(zhì)板；其次，由于工作在高頻段，必須是高頻板；另外，還要考慮到制作多層板的成熟工藝。綜上考慮，我們選用羅杰斯的4350板來制作。

這里選用厚度為0.254 mm的RT4350板，4張板進(jìn)行壓合，形成8層PCB面板，成型后厚度大約在1.62 mm左右。

分配信號層：第一層（toplayer）走射頻，中頻信號，這樣方便組件的調(diào)試。第四層（midlayer3）走功放+28 V電源線，使其盡量沿著PCB的邊緣走線，防止干擾，見圖5所示。第五層（midlayer4）走本振功分信號線。第七層（midlayer6）為層間連接線。底層板（bottomlayer）放置控制電路及供電電路。

本振信號走線層放在多層板的最中間的第五層，是為了減小表層微波信號及底層電源控制信號對其的干擾，使其符合帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)置。由于本振功分網(wǎng)絡(luò)是在此層中走線，為了增強(qiáng)相互支路間的隔離度，對層間的威爾金森功分器阻抗變換節(jié)間的隔離電阻做埋阻處理，但這樣只能提供約20 dB的隔離度。為了進(jìn)一步提高組件通道之間的隔離度，在功分后的各本振支路的信號輸出端，增加一級放大器，目的是：

（1）彌補(bǔ)本振信號在功分和層間走線時的信號損失；

（2）利用放大器的反向隔離，來進(jìn)一步提高通道間本振信號的隔離度。

由于電路板設(shè)計中，本振信號是從層間走線，但外部提供的本振信號則是在多層板的表層，因此需要通過金屬化通孔將本振信號從表層傳輸至層間的本振功分網(wǎng)絡(luò)，表層微波信號傳輸結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是微帶線，層間的本振功分信號傳輸結(jié)構(gòu)則可認(rèn)為是帶狀線結(jié)構(gòu)，兩種不同傳輸結(jié)構(gòu)之間的過渡結(jié)構(gòu)——金屬化盲孔的大小需要進(jìn)行電磁場仿真以保證低的傳輸損耗。

圖5 多層PCB板剖面圖

基片采用羅杰斯公司的4350板，其介電常數(shù)為3.48，厚度為0.254 mm，銅箔厚0.018 mm，利用ADS軟件，可以計算出，特征阻抗為50 Ω的微帶線寬度為W=0.56 mm，特征阻抗為50 Ω的帶狀線寬度為0.26 mm。

利用仿真軟件HFSS，對表層的微帶線和第5層的帶狀線及之間的金屬化盲孔，進(jìn)行建模仿真，如圖6所示。通過不斷優(yōu)化該信號盲孔的直徑大?。▍?shù)D1）及第二層隔離環(huán)的直徑（D2），來模擬效果最佳的同軸效應(yīng)，以保證信號的低損耗傳輸。

圖6 PCB無源傳輸結(jié)構(gòu)HFSS模型

從圖6中可以看出，該模型用于信號傳輸?shù)慕饘倩た字車皞鬏斁€的兩側(cè)，規(guī)則的分布著若干金屬化通孔。這加強(qiáng)了傳輸結(jié)構(gòu)的同軸效應(yīng)，同時也增強(qiáng)了接地效果，在傳輸線兩側(cè)，對信號起到了屏蔽效果。

不斷地優(yōu)化金屬化信號盲孔的直徑（D1）、隔離環(huán)的直徑（D2）以及周圍金屬化通孔和信號盲孔的最小距離d之后，得到D1=0.4 mm、D2=0.8 mm、d=1 mm，此時的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 無源傳輸結(jié)構(gòu)HFSS模型仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果中可以看出，在0～14 GHz頻率范圍之間，S11≤-23 dB，S21≥-0.5 dB。基本可以滿足信號的傳輸需要。

多層PCB實物圖如圖8所示。

圖8 多層PCB板實際圖

2.3 組件外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于該組件有著一定的小型化的要求，最終的組件尺寸被限制在100 mm×70 mm×30 mm以內(nèi)，重量小于250 g，能夠?qū)崿F(xiàn)四通道分時收發(fā)。

如果按照傳統(tǒng)方式來設(shè)計該組件的外形，如圖9所示。

從圖9可知，由于縱向面單位通道寬度有限，只能將本振信號接口放置在組件的側(cè)面。但這樣又帶來新的問題：由于通道之間存在著隔離墻，本振信號是無法跨過射頻信號、穿通隔離墻來給其他通道提供信號的。

為了解決這一個問題，同時也是為了充分利用面積，我們這里就采用多層PCB板技術(shù)，讓本振信號在多層板的層間走線，通過兩個功分網(wǎng)絡(luò)供給四個通道。為了適應(yīng)這一變化，我們這里就將各組件從中間分開，分為上下兩個部分，組裝時將PCB板夾在中間，形成一個類似夾心餅干的結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)組件外形結(jié)構(gòu)

圖10 組件3D外觀視圖

組件的上下殼體的平面視圖如圖11所示。

圖11 組件殼體的平面視圖

這里需要注意的是為了充分利用組件的尺寸空間，我們將原方案中的SMA接頭換為SMP接頭。由于組件外殼上需要燒結(jié)SMP接頭，而組件的材質(zhì)為鋁，為了增強(qiáng)與燒焊劑的相容性，在組件外殼加工完成后，做整體鍍銀處理。

2.4 組件的裝配工藝設(shè)計

收發(fā)組件的裝配工藝主要是混合電路的裝配工藝，其過程主要是根據(jù)各種元器件和材料的安裝位置及溫度特性，制定出合理的裝配方式、順序及溫度梯度來保證裝配工藝的可操作性和可靠性。

目前，混合電路的裝配工藝流程已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，差別主要是在選擇裝配材料（導(dǎo)電膠粘貼或是共晶燒結(jié)）、互連工藝（倒裝焊、線焊、帶式自動鍵合）與密封方法（縫焊、帶式爐密封或是塑封）上[4]。

在本課題的組件中，使用的元器件有硅材料芯片、砷化鎵芯片、氮化鎵芯片，它們有的是裸芯片，有的則是封裝好的，并且還有大量的貼裝電容、電阻等元件。因此，選擇合適的裝配工藝，設(shè)置好合適的裝配溫度，成為裝配成功與否的關(guān)鍵[5]。在選擇裝配工藝流程中，要充分考慮到裝配工藝的可行性、簡單性，同時也要充分考慮到組件在日后維修的方便性。

對于組件的裝配，我們這里按照其結(jié)構(gòu)分為兩部分：一是組件的下殼體；二是PCB電路板。兩個部分分別進(jìn)行裝配。

同時我們將所需要裝配的元器件，分為裸芯片和封裝好的表貼元器件，裸芯片采用導(dǎo)電膠粘貼的方法裝配，而表貼元器件則采用共晶焊接的方法進(jìn)行裝配。同時需要注意的是，要先進(jìn)行共晶焊接，再進(jìn)行導(dǎo)電膠粘貼；共晶焊接溫度要高于導(dǎo)電膠粘貼溫度。

圖12 組件裝配工藝流程

圖13 采用導(dǎo)電膠粘貼的芯片

3 組件的測試結(jié)果

由于本組件需要測試多個發(fā)射與接收指標(biāo)，所以要根據(jù)不同的需要搭建不同的測試平臺，其中所用到的儀器有噪聲分析儀、脈沖功率分析儀、頻譜分析儀、信號源和脈沖信號發(fā)生器。測試平臺及組件成品圖如圖15所示。

圖14 采用共晶焊接裝配的元器件

圖15 測試平臺及TR組件成品圖

3.1 發(fā)射支路測試結(jié)果

發(fā)射端輸出功率測試結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)射功率測試數(shù)據(jù)表

發(fā)射端雜散電平抑制測試結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)射端雜散電平抑制測試數(shù)據(jù)表

從表1和表2的測試結(jié)果可以看出，組件的輸出功率和雜散電平抑制基本達(dá)到了設(shè)計要求，但是在頻段的高端和低端略有不足。究其原因，發(fā)現(xiàn)在信號主譜左右各140 MHz處，出現(xiàn)了兩條十分明顯的雜散譜線。經(jīng)分析，這些雜散譜線的出現(xiàn)主要是由于第一次混頻之后，4 GHz的濾波器無法有效地對變頻后產(chǎn)生的諧波分量進(jìn)行抑制造成的。因此，下一步需要選擇性能更加優(yōu)異的濾波器來解決。

3.2 接收支路測試結(jié)果

接收端增益、噪聲測試結(jié)果如表3所示。

表3 接收端增益、噪聲測試數(shù)據(jù)表

從表3可以看出，接收端的各項指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計要求。但有部分高端頻點不能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過多層PCB板布線技術(shù)，本文設(shè)計了一個Ku波段的TR組件，通過對組件的合理電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配工藝設(shè)計，使組件各項性能指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計要求。對于在高頻段采用多層板設(shè)計組件做出了一定的探索。

[1]Maeve Duffy,Stephen O’Reilly,Terence O’ Donnell,et al.Analysis of the performance of integrated inductors（Fabricated in MCM-L Technology）in RF amplifier applications [C].Electronic components and technology conference,1999.668-674.

[2]林金堵.多層印制板的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].印制電路信息，1994: 1-11.

[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，2000,16（3）: 278-289.

[4]李孝軒.微波多芯片組件微組裝關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].南京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2009.

[5]李孝軒，胡永芳，禹勝林，嚴(yán)偉，徐駿善.微波GaAs功率芯片的低空洞率真空焊接技術(shù)研究[J].電子與封裝，2008,6.