邊緣貼裝連接器過渡結(jié)構(gòu)帶寬改進設(shè)計

張凱旗 李 曉* 王耀利張 翀程亞昊

(1.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)南通智能光機電研究院，江蘇 南通 226000；3.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；4.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；5.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心，山西 太原 030051)

THRU－校準(zhǔn)板(射頻電路板)是高速電纜精確電氣特性(插入損耗、回波損耗等)的必要部件。隨著高速串行鏈路的發(fā)展，對于THRU－校準(zhǔn)板的需求越來越高。為了實現(xiàn)校準(zhǔn)板與測量儀器的互連，連接器被廣泛應(yīng)用于高速串行鏈路測試中[1]。在各種類型的連接器中，邊緣貼裝連接器是最常見的選擇。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，校準(zhǔn)板必須能夠在高頻率下保持傳輸特性。然而，對于測試板邊緣貼裝連接器，連接器與校準(zhǔn)板的過渡結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)不連續(xù)性。這種不連續(xù)性嚴(yán)重影響信號的傳輸性能，制約校準(zhǔn)板的測試帶寬。

目前，針對過渡結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，用來提升校準(zhǔn)板測試帶寬和傳輸性能的方法很少，而且整體提高效果不明顯。賁蓉蓉等人[2]在SMA 連接器與PCB過渡結(jié)構(gòu)的信號完整性研究中，分析了焊盤大小與反焊盤大小對特征阻抗的影響。吳顯發(fā)等人[3]研究了射頻連接器的絕緣介質(zhì)與微帶板之間預(yù)留間隙對內(nèi)導(dǎo)體與微帶板之間焊接點熱應(yīng)力的影響。李海岸等人[4]在對轉(zhuǎn)微帶射頻連接器的研究中，提出了通過添加絕緣子來提升傳輸性能的方法。宋凱旋等人[5]在射頻連接器與微帶線組件焊接過渡段的信號完整性研究中，改變反焊盤尺寸改善了0～12 GHz頻段內(nèi)的信號的質(zhì)量，并提出一種通過提取鏈路電參數(shù)來分析過渡結(jié)構(gòu)傳輸性能的方法。Marko Magerl 等人[6]通過測量各種類型連接器的特性，發(fā)現(xiàn)選擇合適的連接器類型可以提升鏈路的測試帶寬。王闊等人[7]提出一種帶座彈片接觸方式的測試夾具方案，可以滿足不大于2 GHz 的射頻性能測試。Wang 等人[8]提出減小焊接部分信號線的寬度有效補償特征阻抗突變方法，在0～18 GHz 頻段內(nèi)提升組件的傳輸性能和信號完整性。紀(jì)銳等人[9]在對同軸連接器的研究中，分析了連接器接觸表面退化對傳輸性能的影響。李凱等人[10]在對SMA 連接器的研究中，通過在連接器兩端外接同軸導(dǎo)線，并對接觸體與絕緣體之間空隙及接線處的空氣間隙進行優(yōu)化，改善了信號的傳輸質(zhì)量。孫遜等人[11]通過引入空氣同軸、線性微帶漸變線兩種補償措施，在5 GHz～20 GHz 以內(nèi)改善了同軸結(jié)構(gòu)到微帶線轉(zhuǎn)接模型的傳輸特性。Hwang Chulsoon 等人[12]在對多層板SMA 發(fā)射結(jié)構(gòu)的研究中，提出邊緣電鍍技術(shù)改善多層板返回路徑不連續(xù)。以上研究基本只局限于頻率在20 GHz 以下組件的傳輸性能。

本文研究了一種邊緣貼裝連接器過渡結(jié)構(gòu)，提出了提高校準(zhǔn)板測試帶寬和傳輸性能的簡單方法。通過理論分析過渡結(jié)構(gòu)中返回電流路徑不連續(xù)的原因，提出過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料改善過渡結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的方法，然后為了進一步改善過渡結(jié)構(gòu)中返回路徑的不連續(xù)性，分析了邊緣貼裝連接器過渡結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，估算了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截止頻率，提出了減少波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬度提升測試帶寬的方法，并對兩種方案進行仿真分析和實驗驗證。結(jié)果顯示，利用兩種方案對過渡結(jié)構(gòu)處理之后，極大提升了校準(zhǔn)板的傳輸性能，使其測試帶寬提升到40 GHz。

1 理論分析

1.1 信號返回路徑

一般來說，每個獨立的信號都有返回信號，并且都存在信號回流路徑。PCB 設(shè)計者會花費大量的時間和精力對信號線的流動路徑進行設(shè)計規(guī)劃，對于返回信號則不處理，任憑信號隨機尋找路徑返回。因此，缺少對信號回流路徑的控制是導(dǎo)致信號線完整性問題的一個基本原因[13]。

當(dāng)信號電壓施加到傳輸線入口的瞬間，信號路徑和參考路徑之間產(chǎn)生電位差，同時伴隨著電荷的積累，從而產(chǎn)生電流，這類似于電容的充電。在信號向前傳播的過程中，傳輸線上的各個位置依次重復(fù)這一過程，不斷有電流產(chǎn)生。隨著信號的傳播，產(chǎn)生電流的位置不斷前移。即使信號沒有到達末端，或者即使末端開路，電流同樣存在。

對于微帶傳輸線，在信號線一端施加信號電壓，外在的表現(xiàn)相當(dāng)于信號電流從微帶線一端流入，返回電流從參考平面流回。當(dāng)信號電壓施加在傳輸線入口的瞬間，傳輸線與參考平面之間形成電位差，同時伴隨著大量電荷積聚，電荷移動產(chǎn)生電流，信號電流和返回電流共同形成完整的信號回流路徑，微帶線信號回流路徑如圖1 所示，其等效電路如圖2所示。

圖1 微帶傳輸線電流返回路徑

圖2 信號路徑等效電路

對于多層印制電路板的接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，返回電流既在信號線下流動，也在共面地平面內(nèi)流動。隨著頻率的增大，返回電流越來越多地聚集在信號線下方，而不是在共面返回結(jié)構(gòu)中流動。但是，當(dāng)射頻連接器安裝在電路板焊盤上時，如圖4 所示，校準(zhǔn)板與連接器組成的過渡結(jié)構(gòu)由于連接器與板邊的接觸為機械硬貼合以及一些實際操作的誤差，連接器與電路板之間存在間隙，信號的接地層(電路板第二層)無法物理連接到連接器的外殼，通過共面地平面返回連接器外殼路徑太遠，電流通過共面地平面被分流導(dǎo)致相當(dāng)高的阻抗，無法提供高頻的電流返回路徑，因此，返回電流集中從信號接地層邊緣流向底層，并返回連接器外殼。如圖3 所示為2.92 mm 射頻連接器。

圖3 2.92 mm 射頻連接器

圖4 過渡結(jié)構(gòu)的返回路徑示意圖

如圖4 所示，過渡結(jié)構(gòu)的返回電流路徑其實是不連續(xù)的，校準(zhǔn)板與連接器外殼之間存在間隙，以至于返回路徑出現(xiàn)斷層。連接器外殼、間隙和底層PCB 相當(dāng)于電容，類似電容充電過程，返回信號會繼續(xù)向前傳播到達連接器外殼。返回電流雖然可以返回連接器外殼，但是相比于連續(xù)返回路徑，返回信號到達連接器的時間變長，并且還有部分信號從間隙處泄漏，最終導(dǎo)致信號的傳輸質(zhì)量變差。為了提升信號傳輸性能，必須解決結(jié)構(gòu)中這種不連續(xù)性。

根據(jù)造成不連續(xù)的原因，提出一種解決方案:在底部連接器外殼與固定塊之間增加焊料。該方案是以焊料作為連接器外殼與校準(zhǔn)板之間的紐帶，為過渡結(jié)構(gòu)填補了間隙，增加返回路徑的連續(xù)性。

1.2 波導(dǎo)理論與λ/4 頻率(截止頻率)

為了進一步改善過渡結(jié)構(gòu)中返回路徑的不連續(xù)性，以矩形波導(dǎo)理論對其進行研究。

在多層板結(jié)構(gòu)中，返回路徑電流不可避免地流過平行板結(jié)構(gòu)。通過連接每個平行板的通孔，該結(jié)構(gòu)可視為矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的輸入端位于安裝連接器的板邊緣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的其余三個邊緣分別為兩側(cè)通孔壁和另一端安裝連接器的板邊緣。

在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截止頻率以下的頻率范圍內(nèi)，只有消失模存在，波導(dǎo)內(nèi)只有能量存儲，沒有能量傳輸。大多數(shù)電流通過最近的短路通孔，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可被視為短路，并且不會發(fā)生電流返回路徑失真。然而，在高于截止頻率的頻率中，電流返回路徑轉(zhuǎn)而向波導(dǎo)內(nèi)，激勵波開始通過波導(dǎo)傳播，電流返回路徑失真。因為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一個短端矩形波導(dǎo)，在λ/4 諧振頻率(截止頻率)處，畸變達到最大值。

如圖5 所示為由平行板組成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其兩邊為通壁。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截止頻率由波導(dǎo)的寬度決定(寬度為a)。將從HFSS 模擬中提取的相位常數(shù)與理論值進行比較。在理論計算中，假設(shè)了一種理想的帶PEC 壁的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如圖6 所示，這種差異可以忽略不計，因此可以得出結(jié)論，在波導(dǎo)分析中，通孔壁可以被認(rèn)為是良好的固體導(dǎo)體。

圖5 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面圖

圖6 HFSS 模擬中提取的相位常數(shù)和理論值的比較

根據(jù)之前提到的電流返回路徑，可以得到出現(xiàn)不連續(xù)的頻率與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特性有關(guān)。在這一部分中，基于這一關(guān)系，利用矩形波導(dǎo)理論方程進行驗證。

從返回電流路徑的角度來看，由于嵌入在邊緣貼裝連接器過渡結(jié)構(gòu)中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是短截線結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電長度達到λ/4 時，進入該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的阻抗將變?yōu)樽畲?。隨后，返回電流路徑失真程度在λ/4 頻率(截止頻率)處也變?yōu)樽畲?。根?jù)矩形波導(dǎo)理論，其傳輸常數(shù)(相位常數(shù))γ和λ/4 頻率(截止頻率)fr計算如下:

式中:εr表示波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相對介電常數(shù)，f為頻率，c表示光速，a、b分別表示波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度和高度(如圖5所示)，m表示場量在波導(dǎo)寬邊上變化半個駐波的數(shù)目，n表示場量在波導(dǎo)窄邊上變化半個駐波的數(shù)目。

返回電流通過安裝連接器的板邊緣，激勵波在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以TEmn、TMmn模式傳播。由于波導(dǎo)平行板之間的間隙通常很小，足以忽略沿垂直方向的變化，因此只需要考慮TEn0模式。此外，回流電流的分布相對于信號線的中心是對稱的，因此波導(dǎo)中只有TE10模式傳播，所以可以把式(1)、式(2)簡化為:

式中:εr為相對介電常數(shù)，f為頻率，c為光速。其余參數(shù)a和b分別為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度和長度。

注意，除了介電特性之外，只要板厚與目標(biāo)波長相比足夠小，僅有通孔壁間距對λ/4 頻率(截止頻率)fr有貢獻，隨著通孔壁間距的減少，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截止頻率逐漸增大。因此，可以通過縮小通孔壁間距，來提升過渡結(jié)構(gòu)的傳輸性能和測試帶寬。

2 仿真分析

上一節(jié)從理論上分析了導(dǎo)致邊緣貼裝連接器過渡結(jié)構(gòu)返回路徑不連續(xù)的原因，并且提出了過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料和縮小信號線兩側(cè)通孔壁間距兩種改進方案。本節(jié)對兩種方案的可行性進行仿真驗證。

如圖7 所示根據(jù)射頻連接器與THRU－校準(zhǔn)板的實際尺寸和材料參數(shù)，對其進行建模和有限元分析。

圖7 校準(zhǔn)板3D 模型示意圖

校準(zhǔn)板中射頻連接器為羅森博格公司提供的2.92 mm 連接器，校準(zhǔn)板為4 層板結(jié)構(gòu)，第一層為信號線與共面地平面，第二層、第三層和第四層都為地平面，第一層和第二層之間為參考層，材料為Rogers4350B，厚度為0.254 mm，相對介電常數(shù)為3.48，第二層和第三層之間、第三層和第四層之間為介質(zhì)層，材料為FR4，厚度分別為0.485 mm 和0.300 mm，相對介電常數(shù)為4.4，信號線寬度為0.52 mm。校準(zhǔn)板上的導(dǎo)電通孔將射頻連接器的固定塊與校準(zhǔn)板底層地平面相連，射頻連接器的信號微針與微帶線的信號線相連。模型的邊界條件設(shè)置為輻射邊界條件。頻率掃描范圍設(shè)置成0～40 GHz，求解頻率為20 GHz。剖分網(wǎng)格為自適應(yīng)網(wǎng)格。

2.1 過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料

保證模型尺寸、材料參數(shù)不變，使用場求解器模擬連接器與校準(zhǔn)板組成的過渡結(jié)構(gòu)的電場分布，端口輸入設(shè)置射頻連接器同軸部分。如圖8(a)所示為無焊料下過渡結(jié)構(gòu)的電場分布，如圖8(b)所示為有焊料下過渡結(jié)構(gòu)的電場分布。從電場分布圖可知，PCB 板第一層信號層、第二層接地層和連接器邊緣的電場強度最強，過渡結(jié)構(gòu)底層無添加焊料時，電場從間隙向外擴散；過渡結(jié)構(gòu)添加焊料后，未發(fā)生這種情況。仿真結(jié)果表明:過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料阻止信號泄漏，保證返回電流路徑的連續(xù)。在此基礎(chǔ)上，使用數(shù)值求解器仿真得到兩種情況下的插入損耗。如圖9 所示，在0～40 GHz 頻段內(nèi)，添加焊料下的S21參數(shù)值整體大于未添加焊料的下的S21參數(shù)值，尤其是頻率在12 GHz～28 GHz 范圍內(nèi)S21參數(shù)整體提升1 dB 左右，但是兩者還是在相同頻率下出現(xiàn)了最大諧振點。表明添加焊料之后信號傳輸性能提升，證實了該方案有效。但是添加焊料后并沒有影響過渡結(jié)構(gòu)的最大諧振點，說明該方案并沒有提升過渡結(jié)構(gòu)的測試帶寬。

圖8 過渡結(jié)構(gòu)電場模擬

圖9 過渡結(jié)構(gòu)底層有無添加焊料下的插入損耗

2.2 縮小通孔壁間距

在板厚和其他因素不變的情況下，減小通孔壁間距進行仿真分析。設(shè)置通孔壁間距為變量a，a分別為2.5 mm、3 mm、3.5 mm，得到仿真曲線。如圖10 所示為在不同通孔壁間距下的傳輸常數(shù)，在0～40 GHz頻段內(nèi)，隨著通孔壁間距的減小，截止頻率向更高的頻率移動，與理論理解相符，驗證式(4)的正確性。

圖10 不同通孔壁間距下的傳輸常數(shù)

如圖11 所示，隨著通孔壁間距減小，S21參數(shù)增大，S11參數(shù)減小，最大諧振點所對應(yīng)的頻率越來越大。當(dāng)通孔壁間距為2.1 mm 時，除了某幾個頻率點以外，在0～40 GHz 頻段內(nèi)的S參數(shù)值均優(yōu)于通孔壁間距為3 mm 和3.5 mm 下的S參數(shù)值。表明通過減小通孔壁間距來提升過渡結(jié)構(gòu)的帶寬是可行的，并且提升了其傳輸性能和匹配性能。

圖11 不同通孔壁間距下的S 參數(shù)

3 實驗驗證

上一節(jié)針對過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料與減少波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬度兩種方案已經(jīng)進行了仿真分析，本節(jié)分別對兩種方案進行實驗驗證。將過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料記為方案1，減少波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬度記為方案2。實驗所需器件包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻電纜和THRU－校準(zhǔn)板等，實驗在室溫環(huán)境中進行，如圖12 所示為THRU－校準(zhǔn)板實際測試連接圖。

圖12 THRU-校準(zhǔn)板實際測試連接圖

對于方案1，實驗測試兩種THRU－校準(zhǔn)板，如圖13 所示分別為過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料和未添加焊料兩種情況，測試結(jié)果如圖14 所示，在0～40 GHz頻段內(nèi)，底層添加焊料之后，S21參數(shù)均大于未添加焊料時的S21參數(shù)，S11參數(shù)均小于未添加焊料時的S11參數(shù)。并且S11參數(shù)值均小于－15 dB，S21參數(shù)值均大于－4.2 dB，相比未添加焊料時，S11參數(shù)整體提升5 dB 左右，S21參數(shù)最大提升2 dB 左右，測試結(jié)果表明:添加焊料提高過渡結(jié)構(gòu)的匹配與傳輸性能，證明該方案可以解決電流返回路徑的不連續(xù)性。

圖13 2.92 mm 射頻連接器底層有無添加焊料示意圖

圖14 過渡結(jié)構(gòu)底層有無添加焊料下實測的S 參數(shù)

對于方案2，通過對通孔壁間距為2.1 mm、3 mm、3.5 mm 的三種THRU－校準(zhǔn)板進行測試，得到如圖15所示測試結(jié)果。由實驗結(jié)果可知:在0～40 GHz 頻段內(nèi)，隨著孔壁間距的減小，S21參數(shù)整體曲線趨于穩(wěn)定，S11參數(shù)逐漸減小，最大諧振頻率逐漸增大。由圖15(a)可知，當(dāng)孔壁間距為3.5 mm 時，在36 GHz 頻率處出現(xiàn)共振，而當(dāng)孔壁間距為2.1 mm 時，到40 GHz頻率處也沒有發(fā)生共振。測試結(jié)果表明:減小通孔壁間距可以提升過渡結(jié)構(gòu)的測試帶寬，進而提高校準(zhǔn)板的匹配和傳輸性能，測試結(jié)果證實兩側(cè)過孔壁之間的距離越小，過渡結(jié)構(gòu)的截止頻率越高，這與理論分析一致。由于通孔布局的選擇通常有限，因此減小波導(dǎo)的寬度是獲得較寬帶寬的更有效方法。

圖15 不同通孔壁間距下的S 參數(shù)實測值

基于對兩種方案的分析和驗證，得出結(jié)論:分別應(yīng)用兩種方案對校準(zhǔn)板進行處理，校準(zhǔn)板的性能有明顯改善?，F(xiàn)在同時利用兩種方法對THRU－校準(zhǔn)板進行處理，在保證其他物理尺寸都不變的條件下，在過渡結(jié)構(gòu)底部添加焊料，并且設(shè)置信號線兩側(cè)通孔間距為2.1 mm，進行實驗測試，得到的實測結(jié)果與未做處理的測試結(jié)果進行對比，如圖16 所示為處理前和處理后S參數(shù)的對比結(jié)果。測試結(jié)果可知:校準(zhǔn)板經(jīng)過處理之后，在0～40 GHz 頻段內(nèi)S21參數(shù)均大于－4 dB，S11參數(shù)均小于－13 dB，相比于未做處理的的校準(zhǔn)板，S21參數(shù)整體提升3 dB 左右，S11參數(shù)整體提升15 dB 左右，測試結(jié)果表明通過過渡結(jié)構(gòu)底層添加焊料和改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬度可以將校準(zhǔn)板測試帶寬提高到40 GHz。并且極大地提升了校準(zhǔn)板的傳輸性能。

圖16 校準(zhǔn)板處理與未處理的S 參數(shù)實測值對比

4 總結(jié)

文章研究了一種邊緣貼裝連接器過渡結(jié)構(gòu)，通過分析電流返回路徑不連續(xù)的問題，得出路徑不連續(xù)是限制帶寬的原因，然后提出底層增加焊料和減小通孔壁間距兩種方案。通過仿真和實測證實方案的可行性。此外，利用兩種方案同時對THRU－校準(zhǔn)板進行處理，在0～40 GHz 頻段內(nèi)，相比于未做處理的的校準(zhǔn)板，S21參數(shù)整體提升3 dB 左右，S11參數(shù)整體提升15 dB 左右，校準(zhǔn)板的匹配和傳輸性能有了極大的提升，并且當(dāng)通孔壁間距為2.1 mm 時，可以將帶寬進一步增加到40 GHz。