微波組件幅相特性影響因素分析

肖 暉，脫英英，呂英飛，羅建強

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

1 引言

在雷達、通信、導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域，用于信號接收和發(fā)射的收發(fā)（T/R）組件是陣列天線和相控陣雷達中的核心組成部分，其性能決定著整個系統(tǒng)的性能。但是，對于批量生產(chǎn)的微波組件，因原材料的批次差異或生產(chǎn)廠家的不同，電路基板的材料參數(shù)（例如介電常數(shù)、損耗角正切值、金屬表面粗糙度等）存在差異；因微組裝設(shè)備的不同或操作人員的差異，微組裝工藝參數(shù)（例如級聯(lián)金絲弧高、級聯(lián)金絲跨距）存在波動。這導(dǎo)致不同組件或同一組件不同通道之間的信號幅度和相位出現(xiàn)不同程度的偏差，使得微波組件的幅相一致性不達標，最終影響系統(tǒng)的性能。

為將微波組件的幅相特性控制在設(shè)計范圍內(nèi)，減少后續(xù)組件調(diào)試和裝配校準的工作量，需要研究電路基板材料參數(shù)和微組裝工藝參數(shù)對組件幅相特性的影響，明確影響微波組件幅相特性的主要因素。本文以T/R 組件中常用的移相模塊為例，采用三維電磁仿真軟件HFSS18.0 對移相模塊進行建模仿真，分析電路基板的介電常數(shù)、損耗角正切值、信號傳輸線表面粗糙度、級聯(lián)金絲弧高和跨距等因素對微波組件幅相特性的影響，并根據(jù)分析結(jié)果提出基板選材和微波組件裝配過程中的注意事項，從而為微波組件的幅相一致性提供保障。

2 仿真建模

采用三維電磁仿真軟件HFSS18.0 對移相模塊進行建模，微帶線結(jié)構(gòu)移相網(wǎng)絡(luò)見圖1 中圓圈內(nèi)所示的深藍色電路片，將移相網(wǎng)絡(luò)直通路徑的各部分以及移相網(wǎng)絡(luò)和微帶傳輸線通過鍵合金絲級聯(lián)得到移相模塊，級聯(lián)金絲結(jié)構(gòu)見圖1 的內(nèi)插圖。微帶傳輸線的基板材料為0.19 mm 厚的Duriod5880，基板介電常數(shù)為2.2，損耗角正切值為0.0009，信號傳輸線是厚度為0.015 mm 的銅，表面粗糙度為0 mm；移相網(wǎng)絡(luò)的基板材料為0.254 mm 厚的氧化鋁陶瓷，基板介電常數(shù)為9.8，損耗角正切值為0.0001，信號傳輸線是厚度為0.004 mm 的金，級聯(lián)金絲直徑為0.025 mm，金絲弧高為0.10 mm，金絲跨距為0.20 mm，仿真頻段為1～40 GHz。相位滯后仿真結(jié)果為負值，相位超前仿真結(jié)果為正值。

圖1 移相模塊仿真模型

3 仿真分析

因原料的差異或制備工藝的不同，微波組件中起互連、支撐、絕緣作用的電路基板材料參數(shù)（例如介電常數(shù)、損耗角正切值和金屬表面粗糙度）存在批次性差異。受器件加工偏差、腔體加工偏差、裝配定位偏差等因素的影響，微組裝工藝參數(shù)（例如級聯(lián)金絲弧高和跨距）的波動范圍較大。為分析每一個參數(shù)對組件幅度和相位的影響大小，明確主要影響因素，下面分別將每一個基板材料參數(shù)和微組裝工藝參數(shù)設(shè)為仿真變量，仿真分析當其他參數(shù)保持不變、單個參數(shù)變化時組件幅相特性的變化情況。

3.1 電路基板材料參數(shù)仿真

3.1.1 基板介電常數(shù)

電路基板的損耗角正切值、金屬表面粗糙度、級聯(lián)金絲弧高和跨距取仿真模型中的設(shè)定值，僅將基板材料的介電常數(shù)εr設(shè)為仿真變量，仿真分析εr的變化對組件幅相特性的影響。εr的初始值為2.2，變化范圍為2.0～2.5，步進為0.1。

基板介電常數(shù)變化時，移相模塊相位φ、通道損耗S21和電壓駐波比（VSWR，記作RVSW）的仿真曲線見圖2。以εr取初始值時的相位為基準進行比較，對比介電常數(shù)取不同值時通道的相位變化，從圖2（a）中可以看到，1～40 GHz、不同介電常數(shù)下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著介電常數(shù)的增加，相位由超前變?yōu)闇螅辔蛔兓秶鸀?8.89°～－72.14°@40 GHz。同時，如圖2(b)所示，通道損耗和電壓駐波比隨著介電常數(shù)的變化而小幅波動，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.33～－0.37 dB，RVSW的最差值變化范圍為1.19～1.31。

仿真結(jié)果表明，通道損耗和駐波受介電常數(shù)變化的影響較小，而通道相位對基板介電常數(shù)的變化比較敏感。因此，為保證微波組件的相位一致性，在微波電路的制備初期就要對基板材料的介電常數(shù)進行檢測 和篩選，嚴格控制基板介電常數(shù)的一致性。

圖2 基板εr 變化時，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

3.1.2 基板損耗角正切值

電路基板的介電常數(shù)、金屬表面粗糙度、級聯(lián)金絲弧高和跨距取仿真模型中的設(shè)定值，僅將基板介質(zhì)材料的損耗角正切值tan δ 設(shè)為仿真變量，仿真分析tan δ 的變化對組件幅相特性的影響。tan δ 的初始值為0.0009，變化范圍為0.0005～0.0025，步進為0.0004。

基板損耗角正切值變化時，移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線見圖3。以tan δ 取初始值時的相位為基準進行比較，對比通道相位隨基材損耗角正切值的變化情況，從圖3（a）中可以看到，1～40 GHz、不同損耗角正切值下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，而同一頻率下通道相位隨著損耗角正切值的變化波動極小且無規(guī)律，相位變化范圍為-0.31°～1.79°@40 GHz。同時，如圖3（b）所示，通道損耗隨著損耗角正切值的增加而增加，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為-0.30～-0.44 dB，通道電壓駐波比隨著損耗角正切值的增加基本不變，RVSW的最差值變化范圍為1.12～1.18。

仿真結(jié)果表明，基板損耗角正切值變化對移相模塊的相位和駐波的影響均極小，可以忽略，而通道損耗隨著損耗角正切值的增加而增加。因此，為降低通道損耗、提高通道增益，微波電路應(yīng)選擇損耗角正切值較小的基板材料。

圖3 基板tan δ 變化時，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

3.1.3 金屬表面粗糙度

因趨膚效應(yīng)，電路中微波信號沿傳輸線表面?zhèn)鬏?，如果金屬表面粗糙度變化較大，組件微波傳輸性能將受到影響。因此，將金屬傳輸線表面均方根粗糙度Ra設(shè)為仿真變量，仿真分析僅Ra變化時組件幅相特性的變化。Ra的初始值為0.000 mm，變化范圍為0.000～0.004 mm，步進為0.001 mm。

金屬表面粗糙度變化時移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線見圖4。以Ra取初始值時的相位為基準進行比較，對比分析金屬表面粗糙度不同時通道的相位值，從圖4（a）中可以看到，1～40 GHz、不同粗糙度下通道相位隨著頻率的增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著粗糙度的增加，通道相位幾乎不變，相位變化范圍為0.00°～－1.70°@40 GHz。同時，如圖4（b）所示，通道損耗和電壓駐波比隨著金屬表面粗糙度的變化而波動，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.35～－0.52dB，RVSW的最差值變化范圍為1.22～1.23。

仿真結(jié)果表明，傳輸線表面粗糙度的變化對通道相位和電壓駐波比的影響極小，而通道損耗隨著粗糙度的增加而明顯增加。同時隨著頻率的升高，趨膚深度減小，當趨膚深度小于Ra后，通道損耗將基本不再受Ra變化的影響。因此，微波組件制備時需要減小金屬傳輸線的表面粗糙度以降低微波信號的傳輸損耗，進而保證微波組件的幅度一致性。

圖4 Ra 變化時，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

3.2 微組裝工藝參數(shù)仿真

本節(jié)將級聯(lián)金絲弧高和跨距分別設(shè)為仿真變量，仿真分析各工藝參數(shù)變化對組件幅相特性的影響。移相模塊的直通路徑上共有4 處級聯(lián)金絲，每一處的級聯(lián)金絲根數(shù)為2 根，金絲弧高和跨距變化時，4 處的參數(shù)同時變化。

3.2.1 級聯(lián)金絲弧高

電路基板的介電常數(shù)、損耗角正切值、金屬表面粗糙度、級聯(lián)金絲跨距取仿真模型中的設(shè)定值，將級聯(lián)金絲弧高h 設(shè)為仿真變量，仿真分析h 變化對組件幅相特性的影響。h 的初始值為0.10 mm，變化范圍為0.10～0.40 mm，步進為0.10 mm。

級聯(lián)金絲弧高變化時移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線如圖5 所示，以金絲弧高取初始值時的相位為基準進行比較，對比不同金絲弧高下通道的相位值，從圖5（a）中可以看到，1～40 GHz、不同金絲弧高下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著金絲弧高的增加，通道相位逐漸滯后，變化范圍為0.00°～－89.72°@40 GHz。同時，如圖5（b）所示，通道損耗和電壓駐波比隨著金絲弧高的增加而惡化，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.31～－0.97 dB，RVSW的最差值變化范圍為1.17～2.15。

圖5 h 變化時，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

仿真結(jié)果表明，金絲弧高變化會對移相模塊的幅相特性產(chǎn)生較大的影響。金絲弧高增加，模塊的幅相特性變差。因此，在微波組件的裝配過程中，應(yīng)注意保持級聯(lián)金絲弧高的一致性。同時金絲弧高不宜過高，一般情況下應(yīng)低于0.20 mm。

3.2.2 級聯(lián)金絲跨距

將移相模塊中的級聯(lián)金絲跨距d 設(shè)為仿真變量，仿真分析僅d 變化時通道幅相特性的變化。d 的初始值為0.20 mm，變化范圍為0.15～0.35 mm，步進為0.05 mm。

級聯(lián)金絲跨距變化時移相模塊相位、通道損耗和電壓駐波比的仿真曲線如圖6 所示，以金絲跨距取初始值時的相位為基準進行比較，對比不同金絲跨距下通道的相位值，從圖6（a）中可以看到，1～40 GHz、不同金絲跨距下的通道相位隨著頻率增加而近似單調(diào)變化，同一頻率下隨著金絲跨距的增加，通道相位由超前變?yōu)闇?，變化范圍?.26°～-26.76°@40 GHz。同時，如圖6（b）所示，通道損耗和電壓駐波比隨著金絲跨距的增加而小幅惡化，全頻段內(nèi)，S21的最差值變化范圍為－0.31～－0.44 dB，RVSW的最差值變化范圍為1.14～1.38。

仿真結(jié)果表明，金絲跨距對通道損耗和電壓駐波比的影響相對較小，而對通道相位的影響較大。因此，在微波組件的裝配中，應(yīng)保持級聯(lián)金絲跨距的一致性。同時金絲跨距不宜過長，一般情況下應(yīng)小于0.30 mm。

圖6 d 變化時，移相模塊的φ、S21 和RVSW 仿真曲線

4 結(jié)論

本文以微波電路中常用的移相模塊為例，仿真分析了電路基板的介電常數(shù)、損耗角正切值、金屬表面粗糙度、級聯(lián)金絲弧高和跨距等因素對組件幅相特性的影響。組件相位對基板介電常數(shù)的變化比較敏感，通道損耗隨著介質(zhì)損耗角正切值和金屬表面粗糙度的增加而增加，級聯(lián)金絲弧高和跨距對組件幅度和相位的影響較大。為提高微波組件的幅相特性，在電路基板制備前應(yīng)對基板的介電常數(shù)和金屬表面粗糙度進行一致性檢測篩選，在組件裝配過程中需要保持金絲弧高和跨距的一致性，并且級聯(lián)金絲的弧高應(yīng)小于0.20 mm，金絲跨距應(yīng)小于0.30 mm。

以上仿真模型及結(jié)果可用于組件精細化仿真設(shè)計、智能工藝方案及制造文件自動生成，從而實現(xiàn)設(shè)計制造高效協(xié)同，提高微波組件的性能，并減少組件后續(xù)調(diào)試工作量，提高組件的一次設(shè)計成功率。