基于高效垂直互連的X頻段三維交叉合路網(wǎng)絡(luò)

付 浩，劉德喜，祝大龍，齊偉偉

基于高效垂直互連的X頻段三維交叉合路網(wǎng)絡(luò)

付 浩，劉德喜，祝大龍，齊偉偉

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094）

針對射頻微波系統(tǒng)小型化、一體化、低成本設(shè)計(jì)需求，利用HFSS軟件3D建模仿真研究微波毫米波多層板高密度垂直互連技術(shù)，對比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的頻率特性，在結(jié)構(gòu)上通過加載層間焊盤改善特定頻段內(nèi)傳輸性能，在DC~20GHz內(nèi)回波損耗小于–20dB。基于該高效垂直互連技術(shù)，實(shí)現(xiàn)32路信號輸入4波束輸出交叉網(wǎng)絡(luò)3D垂直合成，體積僅為125mm×30mm×1.8mm，經(jīng)測試帶內(nèi)插損≤10.95dB，駐波比≤1.4，較好地實(shí)現(xiàn)了X頻段合路輸出功能。

垂直互連；HFSS仿真；匹配優(yōu)化；合路交叉網(wǎng)絡(luò)

引 言

針對當(dāng)前復(fù)雜的射頻電路設(shè)計(jì)，垂直互連技術(shù)使射頻信號可以在印制板垂直方向進(jìn)行傳輸，將多層射頻電路在垂直方向上縱向疊加，極大地縮減了射頻電路的平面面積及產(chǎn)品體積[1]，也將在射頻三維堆疊集成及產(chǎn)品小型化發(fā)展趨勢中發(fā)揮極為重要的作用。本文設(shè)計(jì)一款32路輸入4波束輸出的子陣數(shù)字化接收組件合路網(wǎng)絡(luò)，其中垂直互連結(jié)構(gòu)成為其能否可靠工作的關(guān)鍵所在，因此研究和設(shè)計(jì)一個(gè)高效可靠的垂直互連方案對產(chǎn)品小型化程度、性能優(yōu)劣、可靠性高低都具有重要意義。

2014年韓國Dept. of Materials Science and Engineering機(jī)構(gòu)，Yongwon Choi等人對非導(dǎo)電薄膜（NCFs）預(yù)覆蓋的三維硅通孔（TSV）技術(shù)進(jìn)行研究[2]。研究表明采用非導(dǎo)電薄膜以及Cu/Sn-Ag碰撞的垂直結(jié)構(gòu)是三維硅通孔垂直互連的發(fā)展趨勢，并且驗(yàn)證該技術(shù)對TSV垂直互連可靠性的提升。

中電38所方南軍等人于2017年以毛紐扣彈性互聯(lián)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款一分十六的X頻段功分網(wǎng)絡(luò)[3]，該網(wǎng)絡(luò)具有免焊接、易返修、可重復(fù)拆裝，免去之前大量的電纜、連接器等。對其駐波比、插損、分路間幅相一致性進(jìn)行了測試驗(yàn)證，在8GHz~12GHz內(nèi)駐波比小于1.4，插損小于16.5dB。

本文依據(jù)X頻段多層板中的信號互連實(shí)際情況，對多層板內(nèi)垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模研究，并對互連模型關(guān)鍵尺寸要素變化所引起的頻率特性做對比分析，研究高頻特性下多層板內(nèi)幾種不同的垂直互連結(jié)構(gòu)，最終得到一種DC~20GHz的高效垂直互連設(shè)計(jì)?；谠摳咝Т怪被ミB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一款用于32路輸入4波束輸出的合路網(wǎng)絡(luò)，其原理如圖1所示，采用高效垂直互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)多層三維交叉結(jié)構(gòu)，達(dá)到整個(gè)高密度網(wǎng)絡(luò)的小型化，經(jīng)測試其性能指標(biāo)較好地吻合仿真結(jié)果。

1 高密度電路垂直互連設(shè)計(jì)

垂直互連技術(shù)是射頻信號在不同層之間傳輸時(shí)用到的電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)信號在不同層傳輸時(shí)，需要通過通孔進(jìn)行連接，但是當(dāng)頻率較高時(shí)，會由于通孔與傳輸線之間的不連續(xù)性激發(fā)出高次模[5]，因此在小型化高集成度組件的設(shè)計(jì)中，對垂直互連的仿真設(shè)計(jì)十分重要。

圖1 合路網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)一體化組件多層板采用羅杰斯4350B介質(zhì)基板，介電常數(shù)ε為3.66。以一類微帶線-微帶線垂直過渡為例，采用50Ω特征阻抗線寬，中間射頻傳輸過孔直徑定為0.2mm。垂直互連模型如圖2所示，在垂直互連中，過渡結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵位置參數(shù)對頻率特性較為敏感，包括過孔正反中心焊盤半徑1和2、中心射頻傳輸過孔半徑3、板內(nèi)反焊盤半徑4、外圍接地孔半徑5及外圍接地孔距中心原點(diǎn)距離。

圖2 垂直互連結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵尺寸

本文對垂直互連中關(guān)鍵參數(shù)尺寸對頻率特性影響做建模仿真分析。各參數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示。正反焊盤1、2由于結(jié)構(gòu)的對稱性而選取同一尺寸，焊盤直徑選取了0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm及1.2mm五組進(jìn)行建模仿真。從圖3（a）可以看出，隨著直徑的逐步增大，過渡在DC~20GHz內(nèi)性能逐步提升，1.1mm及1.2mm焊盤回波損耗基本在–20dB以下。本結(jié)構(gòu)選用1.2mm直徑焊盤，在7.5GHz~9GHz帶內(nèi)回波損耗小于–40dB，性能良好。

中心孔徑選取直徑0.2mm、0.3mm及0.4mm進(jìn)行對比分析，其尺寸的變換對其性能影響較為明顯，選取了仿真結(jié)果較好的0.2mm作為中心孔直徑。

反焊盤對該過渡的影響主要表現(xiàn)為在5GHz~17GHz內(nèi)選取的幾組參數(shù)中，尺寸越小其性能越差；地孔距中心的距離與反焊盤大小均與該“類同軸”結(jié)構(gòu)外徑相關(guān)。結(jié)合工藝設(shè)計(jì)需求，通過仿真分析，在反焊盤半徑的基礎(chǔ)上向外拓展0.2mm作為地孔到中心的距離，滿足設(shè)計(jì)需求的同時(shí)性能較為優(yōu)異。

地孔的直徑變化對18GHz以下影響較大，地孔直徑越大，過渡在中頻部分性能越差，地孔直徑過小，其低頻回波損耗越大。結(jié)合使用頻段及仿真結(jié)果，地孔直徑選取0.3mm，最終結(jié)果較好滿足X頻段信號傳輸需求。

圖3 垂直互連中關(guān)鍵尺寸的頻率特性仿真

2 加載層間焊盤的垂直互連結(jié)構(gòu)

本文進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)關(guān)于加載層間焊盤進(jìn)行匹配的垂直互連結(jié)構(gòu)，即通過在中心信號孔與多層電路交界處增加焊盤，以此增加垂直互連的電容用以抵消較長過孔帶入的寄生電感效應(yīng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過仿真選取直徑為0.3mm的層間焊盤，加載層間焊盤前后的仿真結(jié)果如圖5所示，虛線表示為添加層間焊盤的仿真，實(shí)線為加載后的回波損耗及插入損耗仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，加載層間焊盤引入的寄生電容，回波損耗較之前有所提高，尤其在8GHz~17GHz內(nèi)，回波損耗S11有6dB以上的優(yōu)化，在高頻20GHz處帶內(nèi)插損S21提高了0.3dB。

圖4 加載層間焊盤的垂直互連結(jié)構(gòu)

圖5 加載層間焊盤前后S11、S21仿真對比

3 基于垂直互連的交叉網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 建模仿真分析

基于加載層間焊盤的垂直互連結(jié)構(gòu)，結(jié)合所設(shè)計(jì)工作頻段、折衷優(yōu)化效果及工藝復(fù)雜度，設(shè)計(jì)制作一款用于32路輸入4波束輸出的合路網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用威爾金森（Wilkinson）功分器的設(shè)計(jì)，同時(shí)利用垂直互連技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)在垂直方向上進(jìn)行堆疊，網(wǎng)絡(luò)1和2、網(wǎng)絡(luò)3和4在上下層左右交錯(cuò)，網(wǎng)絡(luò)1和4、網(wǎng)絡(luò)2和3分別在同層前后交錯(cuò)，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的小型化布局，具體結(jié)構(gòu)及局部放大的正視圖如圖6所示。

圖6 交叉合路網(wǎng)絡(luò)

利用HFSS軟件對結(jié)構(gòu)緊湊、電路密度大的合路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模分析。對合路網(wǎng)絡(luò)間隔、結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果顯示4個(gè)合成總端口的電壓駐波比VSWR（Voltage Standing Wave Ratio），帶內(nèi)均小于1.25，圖7是4網(wǎng)絡(luò)各一路對其進(jìn)行的S參數(shù)的仿真結(jié)果，最大插損為10.9dB，實(shí)現(xiàn)了良好的合路匹配效果，滿足組件低損耗的合路網(wǎng)路設(shè)計(jì)要求。

圖7 交叉網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

3.2 實(shí)物測試結(jié)果

基于模型加工得到的實(shí)物和安裝工裝后測試環(huán)境如圖8所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)共有32輸入4輸出，體積僅為125mm×30mm×1.8mm，利用矢網(wǎng)分別對4個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測試。

圖8 實(shí)物照片和測試環(huán)境

單通道測試結(jié)果如圖9所示，從測試結(jié)果可以看出，該通道在7.5GHz~9GHz內(nèi)，端口駐波比小于1.4，插入損耗小于10.7dB，在理論值9dB的基礎(chǔ)上僅有1.7dB的損耗，帶內(nèi)幅度波動小于0.1dB，在5GHz~12GHz內(nèi)，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于1dB，相對帶寬達(dá)80%以上，測試結(jié)果與仿真結(jié)果較為一致。

圖9 單通道矢網(wǎng)測試結(jié)果

表1為整個(gè)4網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)及各網(wǎng)絡(luò)8通道之間比較均值的均方根誤差，由結(jié)果可知4網(wǎng)絡(luò)的相位均方根誤差不大于2.79°，幅度不大于0.31dB。由于測試架引入玻珠、接插件等測試必要的過渡結(jié)構(gòu)，每通道的插損實(shí)測都比仿真S21參數(shù)略大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)較好實(shí)現(xiàn)了X頻段內(nèi)的信號合成輸出。

表1 各通道測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研究設(shè)計(jì)基于介質(zhì)基板的垂直互連結(jié)構(gòu)，分析各個(gè)關(guān)鍵尺寸參數(shù)變化的頻率特性，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化得到加載層間焊盤的垂直互連結(jié)構(gòu)?；谠摳咝Т怪被ミB結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了3D交叉網(wǎng)絡(luò)，帶內(nèi)插損最大為10.95dB，體積僅為125mm× 30mm×1.8mm，可實(shí)現(xiàn)將32路X頻段信號合并輸出4個(gè)波束信息。通過測試滿足系統(tǒng)要求，較好的實(shí)現(xiàn)了合路功能，可以應(yīng)用于多路多通道射頻微波系統(tǒng)。

在未來的通信射頻系統(tǒng)中，小型一體化將成為發(fā)展的重點(diǎn)，傳統(tǒng)的二維組件結(jié)構(gòu)向著三維立體布局發(fā)展，相應(yīng)的垂直互連結(jié)構(gòu)也將在一體化、小型化、高集成度、高效率、超寬帶、低成本、全自動化生產(chǎn)等方向作進(jìn)一步探索。

[1] 周駿, 竇文斌, 沈亞, 等. 應(yīng)用SIP技術(shù)的寬帶板間垂直互連結(jié)構(gòu)[J]. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2012, 32(1): 36–39. ZHOU Jun, DOU Wenbin, SHEN Ya, et al. Broadband and vertical transition between substrates in application of SIP technology[J]. Research & Progress of SEE, 2012, 32(1): 36–39.

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[3] 方南軍, 陳文蘭. 基于毛紐扣的X波段功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 中國科技信息, 2017(20): 79–82. FANG Nanjun, CHEN Wenlan. Design of X-band power divider network based on fuzz-button[J]. China science and technology information, 2017(20): 79–82.

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X-band 3D composite crossover network based on efficient vertical interconnection

FU Hao, LIU Dexi, ZHU Dalong, QI Weiwei

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China）

Aiming at the miniaturization, integration and inexpensive design requirements of RF microwave system, the high-density vertical interconnection technology of microwave millimeter wave multi-layer board is studied by HFSS software 3D modeling and simulation. The frequency characteristics of different structural parameters are compared, and the transmission performance in some frequency bands is improved by adding interlayer pads. The S11 is less than –20dB in DC~20GHz. Based on the high-efficiency vertical interconnection technology, 3D vertical synthesis of 32-channel input 4-beam output crossover network is realized. Component network volume is only 125mm×30mm×1.8mm, the S21≤–10.95dB, VSWR≤1.4. It’s better to realize the X-band composite output function.

Vertical interconnection; HFSS simulation; Match optimization; Crossover network

TN711.3

A

CN11-1780(2020)01-0040-05

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

2019-11-14

付 浩 1995年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞娐放c系統(tǒng)。

劉德喜 1973年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞娐放c系統(tǒng)。

祝大龍 1980年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞娐放c系統(tǒng)。

齊偉偉 1983年生，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞娐放c系統(tǒng)。