準(zhǔn)帶線式板間UWB垂直互連研究

凌天慶

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

根據(jù)應(yīng)用需求，雷達(dá)功能日益增多、工作頻帶越來越寬，雷達(dá)陣面需要頻帶寬、重量輕、體積小、可靠性高的集成綜合饋電網(wǎng)絡(luò)。目前，高頻段綜合饋電網(wǎng)絡(luò)主要采用微波板、環(huán)氧板構(gòu)成的混壓多層板［1-2］實現(xiàn)，多層板的疊層結(jié)構(gòu)一般是上面四層電路的微波板，中間多層低頻電路的環(huán)氧板，下面四層電路微波板。多層板的板材之間采用半固化片需經(jīng)過多次高溫壓合形成整板。上下微波板之間的微波信號具有互通關(guān)系，因此，必須解決多層印制板之間的超寬帶微波信號垂直互連。

微波信號互連形式多樣，最簡易的信號互連形式是將需要連接的兩條傳輸線直接通過單個金屬化孔連接［3-4］。該形式只能用于低頻段(3 GHz以下)及窄帶寬的情形。用耦合器也可以實現(xiàn)信號的聯(lián)通，但信號的帶寬一樣較窄。本文利用準(zhǔn)同軸設(shè)計方法設(shè)計了一種中間導(dǎo)體互連信號，采用金屬化孔在中心導(dǎo)體圓周邊實現(xiàn)微波地屏蔽的垂直互連形式。該形式已經(jīng)長期工程化應(yīng)用。為了降低垂直互連的加工工藝難度，提出了一種準(zhǔn)帶線方法設(shè)計垂直互連的形式。本文的垂直互連主要針對純微波多層板。

1 原理分析

雷達(dá)陣面綜合饋電網(wǎng)絡(luò)中常用的微波多層板疊層結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。垂直互連實現(xiàn)兩層帶線間微波信號連通。

圖1 微波多層板疊層結(jié)構(gòu)

垂直互連理想形式為同軸線、帶狀線等傳輸TEM模微波信號的形式。同軸線形式演變成了準(zhǔn)同軸垂直互連形式［5-6］，如圖2所示。帶線轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)帶線垂直互連形式，如圖3所示。準(zhǔn)帶線垂直互連將帶線內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為連接微波信號的金屬化孔，即圖中右圖的中間孔。帶線的上下地層轉(zhuǎn)換為圖中右圖的上下兩排金屬化接地孔。

圖2 準(zhǔn)同軸變換形式

圖3 準(zhǔn)帶線轉(zhuǎn)換形式

從原理上分析，常規(guī)帶線首先轉(zhuǎn)換為圖4形式的圓柱內(nèi)導(dǎo)體帶線模型，然后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為圖3的全金屬化孔實現(xiàn)的準(zhǔn)帶線形式。

圖4 內(nèi)導(dǎo)體為圓柱的帶線

準(zhǔn)帶線模型中，地線采用了金屬化孔實現(xiàn)，無法利用現(xiàn)有公式計算準(zhǔn)帶線阻抗。本文首先計算圓柱內(nèi)導(dǎo)體帶線的阻抗，然后利用軟件實現(xiàn)阻抗逼近，達(dá)到阻抗匹配。

圖4中，將帶線內(nèi)導(dǎo)體由金屬薄銅帶變換為金屬圓柱，此時，帶線內(nèi)仍然傳輸TEM波，其特性阻抗表達(dá)式為［7］

式中:b為帶線上下底板間距的一半;c為圓柱內(nèi)導(dǎo)體的半徑;λ值由下式求得。

通常，微波信號傳輸線的標(biāo)準(zhǔn)特性阻抗為50 Ω。圓柱內(nèi)導(dǎo)體的半徑確認(rèn)后，則能利用數(shù)值分析法計算出帶線的厚度。

圓柱內(nèi)導(dǎo)體帶線的內(nèi)導(dǎo)體半徑及帶線厚度確定后，可以建立全金屬化孔的準(zhǔn)帶線垂直互連的初步模型。中心孔的直徑即內(nèi)導(dǎo)體直徑，兩側(cè)金屬化孔的直徑可以自由選擇，但兩側(cè)孔的邊緣間距即為帶線的厚度，同側(cè)孔的間距根據(jù)經(jīng)驗要小于最高工作頻率的1/4波長值。

2 模型建立

多層印制板制作時，工藝要求孔與印制板的徑厚比大于1∶10。為了制作方便，我們初定圓柱內(nèi)導(dǎo)體的直徑為0.4 mm，利用金屬化孔實現(xiàn)。

根據(jù)式(1)、式(2)，可以計算出帶線厚度的初值約為1.3 mm。利用Ansoft軟件仿真計算同軸內(nèi)導(dǎo)體帶線的特性阻抗，如圖5所示。從仿真結(jié)果看，同軸內(nèi)導(dǎo)體帶線的特性阻抗為50.4 Ω。理論計算與仿真計算的特性阻抗值基本一致。

圖5 內(nèi)導(dǎo)體為圓柱的帶線仿真模型

當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑，帶線厚度初值確定后就可以建立板間帶狀線垂直互連的應(yīng)用模型。為了提高垂直過渡的工作頻率，微波板材不能選擇較厚的板材。這里選擇厚度為0.5 mm的微波板CLTE-XT-02055，介電常數(shù)為2.94。四層微波板通過固化片F(xiàn)R28-040熱壓形成兩層帶狀線電路，通過軟件可計算出帶線的寬度為0.68 mm。利用準(zhǔn)帶線垂直互連實現(xiàn)兩層帶線的信號互連，其中，連接兩帶線的金屬化孔直徑為0.4 mm，為制作方便，兩排金屬化接地孔的直徑也取0.4 mm。兩排接地孔邊緣距離初步定為1.3 mm，同一排相鄰兩孔的間距取0.8 mm。考慮帶線與準(zhǔn)帶線互連之間的阻抗匹配，兩塊帶線內(nèi)部的地線層需要開一圓孔，直徑初值為1.3 mm。

準(zhǔn)帶線垂直互連模型的外形寬為8 mm，長為12 mm。模型由四塊厚度為0.5 mm微波板及三層厚度為0.1 mm固化片熱壓而成，總厚度為2.3 mm。這樣，180°(輸入與輸出帶線夾角)準(zhǔn)帶線垂直互連模型建立完成，如圖6所示。同樣步驟可以建立0°準(zhǔn)帶線垂直互連模型，如圖7所示。

圖6 180°準(zhǔn)帶線垂直互連

圖7 0°準(zhǔn)帶線垂直互連

3 仿真優(yōu)化

利用Ansoft軟件，已經(jīng)建立的直線型準(zhǔn)帶線垂直互連模型，仿真頻率設(shè)置為0 Hz～26 GHz。初步的性能指標(biāo)仿真曲線如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，在仿真頻率范圍內(nèi)，駐波值比較大。

圖8 180°準(zhǔn)帶線垂直互連初步模型駐波

圖9 0°準(zhǔn)帶線垂直互連初步模型駐波

工程化應(yīng)用中，為了保證器件的性能，垂直互連的駐波需要小于-20 dB。為了滿足該性能指標(biāo)要求，將兩排孔的邊緣間距、相同側(cè)邊兩孔間的間距、地層開孔直徑及帶線末端半圓半徑設(shè)置為參數(shù)，對互連模型進(jìn)行參數(shù)掃描優(yōu)化。

采用大間距進(jìn)行模型仿真，根據(jù)結(jié)果判斷最優(yōu)值所處的數(shù)值區(qū)間。在小區(qū)間內(nèi)進(jìn)行參數(shù)細(xì)化掃描，取得最優(yōu)值。

180°準(zhǔn)帶線垂直互連的仿真曲線如圖10、圖11所示，0°準(zhǔn)帶線垂直互連的仿真曲線如圖12、圖13所示。從圖中可以看出:兩種準(zhǔn)帶線垂直互連的駐波在25 GHz的頻率以下都小于-20 dB，損耗小于0.1 dB。

圖10 180°準(zhǔn)帶線垂直互連駐波曲線

比較兩種垂直互連的優(yōu)化曲線，發(fā)現(xiàn)0°準(zhǔn)帶線垂直互連的帶寬比180°準(zhǔn)帶線垂直互連帶寬寬些。因此，工程應(yīng)用時盡量選擇0°準(zhǔn)帶線垂直互連。

圖11 180°準(zhǔn)帶線垂直互連損耗曲線

圖12 0°準(zhǔn)帶線垂直互連駐波曲線

圖13 0°準(zhǔn)帶線垂直互連損耗曲線

4 試驗驗證

針對0°、180°準(zhǔn)帶線垂直互連，制作了具體應(yīng)用試驗件。試驗件結(jié)合了產(chǎn)品應(yīng)用，利用四層微波板在65 mm×30 mm面積內(nèi)設(shè)計1分8網(wǎng)絡(luò)，工作帶寬為20 GHz～25 GHz。輸入輸出接頭采用SMP形式，同一方向安裝。采用0°及180°準(zhǔn)帶線垂直互連實現(xiàn)兩層帶狀線之間的信號互連。通過增加印制板層數(shù)降低平面電路使用的面積，使得器件小型化，具體電路如圖14所示。試驗件由八層電路構(gòu)成，第3、6層沒有電路，第4、5、8層為微波地層。

試驗件中垂直互連的金屬化孔分為中心孔及金屬化地孔。中心孔通過背鉆孔實現(xiàn)，即印制板層壓完成后，先將中心孔處制作成金屬化通孔，然后將通孔的上下兩端各鉆去0.4 mm左右即可，金屬化地孔直接利用通孔實現(xiàn)。

圖14 試驗件電路圖

測試功分器的性能參數(shù)。總口駐波曲線如圖15所示，某一分口的駐波曲線如圖16所示，一分八網(wǎng)絡(luò)的傳輸曲線如圖17所示。

圖15 總口駐波曲線

圖16 一分口駐波曲線

圖17 一分口傳輸曲線

從測試曲線看，該功分器滿足工程應(yīng)用需求。其中，0°及180°準(zhǔn)帶線垂直互連完全能應(yīng)用于器件的設(shè)計制作。

5 結(jié)束語

本文針對超寬帶信號板間互連提出了一種設(shè)計制作簡單、成本低及性能好的準(zhǔn)帶線垂直互連形式。文中仿真分析了0°及180°兩種夾角垂直互連模型，并制作了功分器進(jìn)行了試驗應(yīng)用驗證。仿真試驗結(jié)果表明:兩種角度的準(zhǔn)帶線垂直互連最高頻率達(dá)到了25 GHz，滿足器件設(shè)計需求，完全適合工程應(yīng)用。

［1］ 毛曉麗.微波多層板層壓制造技術(shù)研究［J］.電子工藝技術(shù)，2007，28(3):142-145.Mao Xiaoli.Study on the press technology of the microwave multilayer printed circuit board［J］.Electronics Process Technology，2007，28(3):142-145.

［2］ 楊維生.一種微波多層板制造實現(xiàn)技術(shù)研究［J］.電子與封裝，2008(1):19-25.Yang Weisheng.Study on the processing technology of the microwave multilayer printed circuit board［J］.Electronic Circuit＆ SMT，2008(1):19-25.

［3］ 姬五勝，肖建康，熊旭軍.微波多芯片組件中垂直通孔互連的矩陣束矩量法仿真［J］.微波學(xué)報，2005，21(6):23-26.Ji Wusheng，Xiao Jiankang，Xiong Xujun.Simulation on vertical via interconnect using matrix-penciled moment method in multi-chip module［J］.Journal of Microwaves，2005，21(6):23-26.

［4］ 鄭文謙，沈 亞.新型微波毫米波單片三維垂直互連技術(shù)［J］.電子與封裝，2010(10):1-4.Zheng Wenqian，Shen Ya.New 3D vertical interconnect technology with MMIC［J］.Electronic ＆ Packaging，2010(10):1-4.

［5］ Zou S，Liu J S，Wang J K.Microwave transmission properties of metamaterials with double sets of square holes science［J］.Chinese Science Bulletin，2012，57(28):3769-3772.

［6］ Yu Z J，Xu Z，Deng Y K，et al.An overall LTCC package solution for X-band tile TR module［J］.Progress In Electromagnetics Research Letters，2013，38:181-192.

［7］ 侯德東.用多極理論保角變換法分析未屏蔽平板線［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，26(4):405-407.Hou Dedong.Analysis of unscreened slab lines by multi-pole theory method with conformal transformation［J］.Journal of Southwest Normal University(Nature Science)，2001，26(4):405-407.