鍍金銅帶搭接方式對端口特性的影響研究

劉伯文，張 偉，崔 平，王 雷

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍93205部隊(duì)，新疆 馬蘭 841700)

0 引言

同軸連接器是微波組件最基本的輸入輸出單元，其裝配要同時具備高可靠性和優(yōu)良的傳輸性能。射頻同軸連接器中絕緣子內(nèi)導(dǎo)體到微帶線轉(zhuǎn)換過渡設(shè)計和連接工藝，是保證傳輸性能和可靠性的重要因素[1]。同軸連接器與微帶線等傳輸線實(shí)現(xiàn)微波互聯(lián)時需考慮連接過渡的穩(wěn)定性和可靠性等[2-3]。直接焊接和Ω橋搭接是實(shí)現(xiàn)微波互聯(lián)的兩種重要方式，前者表現(xiàn)出的性能最為理想[4]，在地面設(shè)備中常用。在航空航天等特殊場合中，受溫度和力學(xué)等因素的長期影響，直接焊接存在焊點(diǎn)開裂、性能惡化失效等隱患，而Ω橋搭接能有效避免[5]，必要時還可通過點(diǎn)膠加固進(jìn)一步提高可靠性[6]，故Ω橋搭接更合適。該法可選用的材料有鍍金銅引線、鍍金銅帶。帶狀導(dǎo)體較絲狀導(dǎo)體可靠性更高[7]，直流或低頻信號互聯(lián)一般用鍍金銅引線[8]，高頻、微波信號互聯(lián)則用鍍金銅帶。本文重點(diǎn)研究同軸連接器與微帶間鍍金銅帶的搭接方式對端口特性的影響。

1 基本原理

同軸連接器與微帶間通過鍍金銅帶Ω橋搭接的方式實(shí)現(xiàn)微波互聯(lián)，但互聯(lián)會導(dǎo)致連接區(qū)域的阻抗有很大差異[9]。信號傳輸過程中分別經(jīng)過聚四氟乙烯介質(zhì)同軸線、空氣介質(zhì)鍍金銅帶和介質(zhì)微帶線，三部分傳輸線級聯(lián)示意圖如圖1所示。

圖1 鍍金銅帶搭接級聯(lián)示意圖

三部分傳輸線的特性阻抗分別為Z1、Z2和Z3，其中，Z1為同軸線的特性阻抗，Z2代表空氣介質(zhì)鍍金銅帶的特性阻抗，Z3代表介質(zhì)微帶線的特性阻抗。Z1、Z2和Z3的表達(dá)式分別為[10]：

(1)

(2)

(3)

式中，b為同軸線的介質(zhì)外徑，a為同軸線的介質(zhì)內(nèi)徑；εr為同軸線聚四氟乙烯介質(zhì)的介電常數(shù)；W2為鍍金銅帶寬度，h2為銅帶距金屬面的高度；W3為介質(zhì)微帶線的寬度，h3為介質(zhì)微帶線的介質(zhì)板厚度；εe為介質(zhì)板的有效介電常數(shù)。

三部分間的阻抗失配分別用反射系數(shù)Γ12和Γ23表示(圖1中虛線所示)。Γ12和Γ23的表達(dá)式分別為：

(4)

(5)

圖2 鍍金銅帶搭接等效電路模型

綜合式(1)～式(5)，即可定量求出微波互聯(lián)各節(jié)點(diǎn)的阻抗失配程度。

互聯(lián)模型同樣可以用串聯(lián)電阻R、串聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C1和并聯(lián)電容C2組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)來表示[11]，如圖2所示。這些參數(shù)的具體數(shù)值與同軸線與標(biāo)準(zhǔn)微帶線的高度差、鍍金銅帶的拱高、長度和寬度等參數(shù)有關(guān)。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

在三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS中進(jìn)行建模，模型如圖3所示。模型中，同軸連接器選用853廠生產(chǎn)的SMA型插座，具有CAST-C等級產(chǎn)品，引線直徑0.8mm，引線長度1.5mm。印制板采用介電常數(shù)為3.48，厚度為0.508mm的Rogers 4350B介質(zhì)板。鍍金銅帶需形成一定的拱形，拱高在0.2mm～1.0mm之間，以適應(yīng)溫度和振動應(yīng)力環(huán)境[12]。

2.2 模型優(yōu)化

運(yùn)用三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對圖3的模型進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，駐波指標(biāo)較差，在4.0GHz處的電壓駐波比為1.54。由圖2可知，鍍金銅帶等效為低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其與同軸連接器和微帶線之間均存在不連續(xù)性，這種不連續(xù)性直接影響了端口的駐波指標(biāo)。

圖3 鍍金銅帶搭接仿真模型

圖4 原始模型仿真曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中論述的三種傳輸線間互聯(lián)的傳輸性能補(bǔ)償方法，包括基于并聯(lián)單枝節(jié)的性能補(bǔ)償、基于四分之一波長變換器的性能補(bǔ)償和基于微帶漸變線的性能補(bǔ)償。結(jié)合本研究的應(yīng)用場合，最終選擇基于并聯(lián)單枝節(jié)的性能補(bǔ)償方法。

運(yùn)用電子設(shè)計自動化軟件Advanced Design System進(jìn)行匹配設(shè)計，將Impedance Matching插件中的單支節(jié)匹配模型(SingleStubMatch)添加到仿真電路中，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)單支節(jié)阻抗匹配仿真電路

從圖5可以看出，電路仿真設(shè)計之前，需要得到匹配前阻抗參數(shù)ZL的值，并以此作為輸入。從金帶互聯(lián)模型仿真結(jié)果中得到頻率為4.0GHz處的S11=0.093585-j0.18846，根據(jù)輸入端阻抗與反射系數(shù)關(guān)系，得出金帶互聯(lián)處的歸一化輸入阻抗為zL=(1+S11)/(1-S11)=1.115-j0.439，進(jìn)而得出輸入阻抗ZL=zL×Z0=55.753-j22。以該阻抗參數(shù)ZL作為電路的輸入，進(jìn)行針對性的匹配設(shè)計，得到并聯(lián)單支節(jié)的相關(guān)參數(shù)。將得到的枝節(jié)參數(shù)運(yùn)用到模型的建立中，添加并聯(lián)單枝節(jié)后的模型如圖6所示。運(yùn)用三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對該模型進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，駐波指標(biāo)明顯改善，在4.0GHz處的電壓駐波比為1.27。

圖6 并聯(lián)單支節(jié)匹配后仿真模型

圖7 優(yōu)化后模型仿真曲線

2.3 參數(shù)掃描

鍍金銅帶Ω橋搭接的一些參數(shù)將直接影響等效電路中的參數(shù)值(阻值、容值和感值)，進(jìn)而直接影響端口特性。為此，針對典型參數(shù)進(jìn)行建模，如圖8所示，圖中參數(shù)H代表同軸引線最底端距離微帶線的高度，參數(shù)L代表鍍金銅帶投影到微帶線上的直線距離，參數(shù)W代表鍍金銅帶的寬度。

圖8 參數(shù)掃描仿真模型

針對參數(shù)H進(jìn)行參數(shù)掃描仿真，在L=1.5mm，W=1.0mm的前提下，分別仿真H=0.1mm、0.2mm和0.3mm三種條件下的端口駐波特性，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，針對于4GHz頻點(diǎn)，高度越高，駐波性能越差。

針對參數(shù)L進(jìn)行參數(shù)掃描仿真，在H=0.1mm，W=1.0mm的前提下，分別仿真L=1.5mm、1.7mm和1.9mm三種條件下的端口駐波特性，仿真結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，針對于4GHz頻點(diǎn)，銅帶投影長度越大，駐波性能越差。

圖9 引線高度對駐波的影響

圖10 銅帶投影長度對駐波的影響

針對參數(shù)W進(jìn)行參數(shù)掃描仿真，在H=0.1mm，L=1.5mm的前提下，分別仿真W=0.5mm、0.8mm和1.0mm三種條件下的端口駐波特性，仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，針對于4GHz頻點(diǎn)，1.0mm線寬對應(yīng)的駐波性能最好，0.5mm線寬對應(yīng)的駐波性能最差。

綜合上述三種參數(shù)對端口性能的影響，最終確定三種參數(shù)值分別為：L=1.5mm，W=1.0mm，H=0.1mm。

圖11 銅帶寬度對駐波的影響

圖12 變頻單元端口駐波實(shí)測曲線

3 工藝實(shí)現(xiàn)與測試結(jié)果

該鍍金銅帶搭接方式已運(yùn)用到某星載變頻單元中以實(shí)現(xiàn)同軸連接器與微帶間的互聯(lián)，鍍金銅帶搭接均按照L=1.5mm，W=1.0mm，H=0.1mm的參數(shù)裝配。在常溫(+25oC)下，用R&S ZVA 50矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該變頻單元進(jìn)行了全面測試，其中該變頻單元工作頻段下的端口駐波測試曲線如圖12所示。由測試曲線可看出，采用該鍍金銅帶搭接方式的變頻單元端口駐波性能良好，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果較為相符。

4 結(jié)束語

本文針對鍍金銅帶搭接方式對端口特性的影響進(jìn)行了仿真分析，引入了并聯(lián)單支節(jié)匹配的方式以改善端口駐波特性，并對三種關(guān)鍵參數(shù)(高度H、投影長度L和寬度W)對端口特性的影響進(jìn)行了參數(shù)掃描仿真，星載變頻單元端口駐波的實(shí)測結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計的可行性。該鍍金銅帶搭接方式已在工程中得到應(yīng)用，性能穩(wěn)定可靠，有廣泛的應(yīng)用前景。