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(lái)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(shí)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(guò)多次高溫壓合形成整板。上下微波板之間的微波信號(hào)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(hào)垂直互連。

微波信號(hào)互連形式多樣，最簡(jiǎn)易的信號(hào)互連形式是將需要連接的兩條傳輸線直接通過(guò)單個(gè)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的聯(lián)通，但信號(hào)的帶寬一樣較窄。本文利用準(zhǔn)同軸設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種中間導(dǎo)體互連信號(hào)，采用金屬化孔在中心導(dǎo)體圓周邊實(shí)現(xiàn)微波地屏蔽的垂直互連形式。該形式已經(jīng)長(zhǎng)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(jì)垂直互連的形式。本文的垂直互連主要針對(duì)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(shí)現(xiàn)兩層帶線間微波信號(hào)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(hào)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(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)，無(wú)法利用現(xiàn)有公式計(jì)算準(zhǔn)帶線阻抗。本文首先計(jì)算圓柱內(nèi)導(dǎo)體帶線的阻抗，然后利用軟件實(shí)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(shí)，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(hào)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(jì)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(yàn)要小于最高工作頻率的1/4波長(zhǎng)值。

2 模型建立

多層印制板制作時(shí)，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(shí)現(xiàn)。

根據(jù)式(1)、式(2)，可以計(jì)算出帶線厚度的初值約為1.3 mm。利用Ansoft軟件仿真計(jì)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(jì)算與仿真計(jì)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(guò)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(guò)固化片F(xiàn)R28-040熱壓形成兩層帶狀線電路，通過(guò)軟件可計(jì)算出帶線的寬度為0.68 mm。利用準(zhǔn)帶線垂直互連實(shí)現(xiàn)兩層帶線的信號(hào)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)孔直徑及帶線末端半圓半徑設(shè)置為參數(shù)，對(duì)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(shí)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(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)0°、180°準(zhǔn)帶線垂直互連，制作了具體應(yīng)用試驗(yàn)件。試驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)兩層帶狀線之間的信號(hào)互連。通過(guò)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(yàn)件由八層電路構(gòu)成，第3、6層沒(méi)有電路，第4、5、8層為微波地層。

試驗(yàn)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(guò)背鉆孔實(shí)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(shí)現(xiàn)。

圖14 試驗(yàn)件電路圖

測(cè)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(cè)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(jì)制作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)超寬帶信號(hào)板間互連提出了一種設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)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(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)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(jì)需求，完全適合工程應(yīng)用。

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