垂直互連在多通道T/R組件中的應用

朱文舉,陳 娜

(中國電子科技集團公司第十三研究所,河北 石家莊 050051)

垂直互連在多通道T/R組件中的應用

朱文舉,陳 娜

(中國電子科技集團公司第十三研究所,河北 石家莊 050051)

垂直互連在多通道T/R組件中應用廣泛。通過仿真軟件CST建立模型進行仿真,通過理論分析,優化參數,得到最佳的結構尺寸和微帶匹配參數,并根據仿真結果加工實物,驗證仿真結果的可靠性。測試結果表明,優化后的垂直互連適用于6～18 GHz的射頻信號傳輸,根據需要可以優化結構并將其工作頻率提高到30 GHz以上。

T/R組件;垂直互連;多通道

0 引 言

有源相控陣天線在軍用雷達、通信、電子對抗等系統中已經得到了廣泛應用[1]。T/R組件是有源相控陣天線的核心部件。傳統相控陣天線是用單個T/R組件裝配天線陣面,然后進行整體測試,對大型陣面裝配和測試十分復雜。近年來西方提出了可擴展構造塊的概念,其核心是將幾個T/R組件和天線單元集成為一個“積木塊”。積木塊本身是一個標準的子陣模塊,可以集成制造和單獨測試。同時,子陣模塊具有可擴展性,可以再次組合形成更大陣面,通過可擴展構造塊的結構、接口以及制造、測試過程的標準化,實現不同規模有源相控陣天線的模塊化,簡化大型陣面裝配和測試,其中具有代表性的結構為片式T/R組件。片式結構為多層結構,電路的功能越趨復雜,對電性能指標和外形尺寸的要求不斷提高。在滿足微波電路電氣性能指標要求的前提下盡可能提高微波電路的集成度、減小體積和質量是目前T/R組件設計的難點之一[2-3]。

垂直互連技術是實現上述目標的有效途徑。由于垂直互聯的高頻傳輸性能不易保證,且連接可靠性較差,未來應當發展新的垂直互聯形式,改進現有垂直互聯技術的工藝特性,提高其可靠性和可生產性。本文提出了一種新型的垂直互連結構,將射頻接插件的絕緣子做成釘頭絕緣子,通過點焊金帶的方式與帶線互連,通過自動組裝和自動鍵合,可以保證多通道T/R組件間的幅度和相位一致性指標,大大減小調試工作量和工藝操作難度。

1 新型的垂直互連結構

圖1為在電磁仿真軟件CST中建立的垂直互連結構的模型[4]。

圖1 垂直互連結構仿真模型

設計中,采用介電常數為2.2的羅杰斯5880板材,厚度為10 mil,50 Ω特性阻抗下微帶線寬度W1=0.76 mm;輸出接插件是采用西安艾力特公司的SMPM-JHD1;結構設計中燒結接插件的臺階孔直徑為1.2 mm,高度為0.4 mm。為了改善端口駐波,在50 Ω傳輸帶線上增加了匹配帶線,模型如圖2所示。圖中,W1為特性阻抗為50 Ω的微帶線寬度,W2為匹配帶線的寬度,L為匹配帶線的長度。

圖2 微帶匹配電路

通過仿真軟件對垂直互連結構進行優化,得到最佳的匹配帶線以及釘頭絕緣子的尺寸,即W2=1.16 mm,L=0.55 mm,釘頭絕緣子釘頭的直徑為0.8 mm,高度為0.2 mm;電路板與空氣腔邊緣的距離為0 mm,金帶寬度為500 μm,仿真結果如圖3所示。可以看出,在DC～30 GHz的頻率范圍內,端口的S11以及S22均優于-15dB。

圖3 新型垂直互連結構仿真結果

2 性能測試

為了驗證該垂直互連結構對多通道T/R組件的端口駐波以及通道間幅度和相位一致性的影響,根據仿真結果,加工了1只四功分器樣件,裝配完成的實物照片如圖4所示。樣件中使用的3只二功分器芯片為中國電子科技集團公司第十三研究所生產的BW506,其工作頻率為6～18 GHz,插入損耗為3.5～4.2 dB,利用失量網絡分析儀對樣件進行測試,測試結果如圖5、圖6所示。

圖4 實物照片

圖5 增益、駐波測試曲線

圖6 幅度、相位一致性測試曲線

可以看出,在6～18 GHz,樣件的端口駐波在2以內,插損小于9 dB,4個通道間的幅度一致性在±0.2 dB以內,相位一致性在±1°以內。除端口駐波略有惡化外,其他指標與仿真結果基本一致,可以很好地滿足工程應用的需求。

3 結束語

本文提出基于鍵合工藝的新型垂直互連結構,可以應用于寬帶接收機的本振功分、T/R子陣以及多通道收發信機的功分、合成網絡等,實測結果驗證了該垂直互連結構的可行性。

由于該模型是建立在理想邊界條件下,即PCB板接地面與盒體接觸良好,在實際應用中,PCB板與盒體間必然有一定的縫隙,輸入、輸出端口與帶線之間的不連續,導致實測結果比仿真曲線略有惡化[5]。隨著頻率的升高,這種不連續的影響將愈發突出[6]。在后續的研究中,可以優化結構參數,將PCB板側壁進行金屬化處理,使各層地之間通過側壁緊密連接在一起,將使用頻率擴展到30 GHz以上。

[1] 黃建.毫米波有源相控陣TR組件集成技術[J].電訊技術,2011,51(2):1-5.

[2] 徐銳敏,陳志凱,趙偉.微波集成電路的發展趨勢[J].微波學報,2013,29(5/6):55-60．

[3] 顧墨琳,林守遠.微波集成電路技術——回顧與展望[J].微波學報,2000,16(3):278-290．

[4] 張敏.CST微波工作室用戶全書[M].成都:電子科技大學出版社,2004.

[5] 張松松,劉飛飛.高速電路板級信號完整性設計[J].電子科技,2013,26(10):106-109.

[6] 甘體國.毫米波工程[M].成都:電子科技大學出版社,2006.

Application of vertical interconnection in multichannel T/R Module

ZHU Wen-ju, CHEN Na

(No.13 Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050051)

Vertical interconnection is widely used in the multichannel T/R module. The simulation software CST is used to create a model, and the optimal structure dimensions and the parameters of the microstrip are obtained through the theoretical analysis and parameter optimization. According to the simulation result, a module is manufactured to verify its reliability. Test results indicate that the optimized vertical interconnection can be used to transmit the RF signals of 6～18 GHz. According to the requirements, the structure can be optimized, and the operating frequency can be increased to over 30 GHz.

T/R module; vertical interconnection; multichannel

2017-01-05;

2017-01-20

朱文舉 (1983-),男,工程師,碩士,研究方向:多通道寬帶接收機及毫米波上、下變頻;陳娜(1989-),女,助理工程師,碩士,研究方向:微波寬帶接收機、3D MCM多功能模塊。

TN817

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1009-0401(2017)01-0042-03