一種有高度差的射頻傳輸方法研究

郭立濤

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 054000）

0 引言

目前，微波組件的應用環境越來越復雜，使用場合也越來越多，當前微波組件正朝著小型化、高集成、多通道、高效率的方向發展。微波組件由裝在不同電路板上的裸芯片組成一個完整的射頻傳輸鏈路。正常設計中，要求整條射頻鏈路上不同功能的射頻器件輸入、輸出端口級聯時的高度差不大于0.2mm，否則由于引入的寄生效應，射頻傳輸的連續性被破壞?；夭〒p耗和插入損耗會有不同程度的惡化，工作頻率越高，影響越明顯。在射頻組件小型化和高集成的應用場景下，微波組件的輸入端口和輸出端口不在一個水平面上的情況越來越多。隨著技術的發展，射頻組件的工作頻率不斷提高。為了適應工程應用對射頻組件的新需求，并降低射頻傳輸鏈路失配對傳輸特性的影響，本文提出了一種新穎的滿足小型化和高集成射頻組件使用的一種有高度差的射頻傳輸線過渡方法。

1 具有高度差的射頻傳輸鏈路解決方案

在一款Ku 波段微波組件設計過程中，為了匹配后前級射頻功能模塊和后級射頻功能模塊的整體布局，微波組件的射頻輸入端的SMP 連接器和射頻輸出端SMP 連接器設計在不同的參考平面上，互聯結構如圖1所示。

圖1 具有高度差的互聯結構

這個射頻傳輸系統包括前級射頻模塊、微波組件和天線組件。為了匹配前級射頻模塊的輸出端口和天線組件的位置，微波組件的射頻輸入端和射頻輸出端不在一個平面上，兩個參考平面之間的高度落差為4.5mm。該高度差給微波組件的設計帶來了很大的困難，隨著工作頻率的提升，該問題越難通過常規的射頻級聯方式處理，必須采用專門的過渡結構來實現。

對于射頻端口存在高度差的微波組件，考慮到所選用的元器件均為平面結構，不能直接實現高度差的過渡，因此，組件內部射頻傳輸布局時會設計在不同的參考GND 平面上。內部將PCB 電路板按功能分成不同的模塊設計，元器件合理地布局到不同高度差的電路板上，具有高度差的微波組件裝配如圖2 所示。圖中虛框內的互聯點1（芯片輸出PAD）和互聯點2（微帶線互聯PAD）通過金絲鍵合互聯，兩個鍵合點的高度落差有4mm 以上。為驗證該高度差是否可以直接采用金絲鍵合的方式進行射頻端口級聯，對上述結構進行建模仿真，仿真模型如圖3 所示。具有高度差傳輸結構回波仿真結果如圖4 所示。

圖2 具有高度差的微波組件裝配

圖3 具有高度差傳輸結構仿真模型

圖4 具有高度差傳輸結構回波仿真結果

在直接金絲鍵合的情況下，回波損耗S11 的仿真結果為-10～-7.25dB；S22 仿真結果在-12.5～-7.55dB，不滿足工程化使用要求。由此可見，在Ku 工作頻段不通過任何射頻過渡結構，直接通過金絲鍵合的方式互聯，很難通過阻抗匹配的方式來解決兩個不同電路板的互聯問題，針對此問題需要開展專項研究。

本文中作者提出了通過多層壓合的臺階電路板解決傳輸高度差的方法。臺階電路板采用微波多層材料設計，選用介電常數為2.94±0.03 的介質板，為了保證高度差符合要求，電路板設計為6 層結構，疊層結構如圖5 所示，第一層介質板厚度為0.127mm，第二層介質板厚度3.55mm，第三次介質板厚度為0.254mm，計算上各層覆銅的厚度，該臺階電路板的總厚度設計值在4.1mm 左右，符合使用要求。

圖5 疊層結構

由圖5 可見，臺階電路板設計了兩種孔，第一種為VIA 孔，均為射頻地孔；第二種為背鉆盲孔。背鉆盲孔為了互聯臺階上的射頻微帶線和臺階下的射頻微帶線，實現高度差的過渡。

在臺階過渡結構中，不同高度差過渡部分采用類同軸形式實現，同軸結構的特性阻抗計算公式[1-3]如下：

式中：Zc——同軸結構特性阻抗；Di——過孔直徑；D0——各屏蔽過孔中軸圍成的圈外徑；εr——介電常數。

通過仿真軟件建模進行仿真，模型如圖6 所示。模型中包含4 個組成部分分別是臺階上的電路、鍵合金絲、臺階過渡電路板、SMP 連接器。仿真在工作頻帶內回波損耗≤15dB，插入損耗≤0.3dB。仿真結果如圖7所示，其中圖7a 為回波損耗仿真結果，圖7b 為插入損耗仿真結果。

圖6 仿真模型

圖7 仿真結果

2 實物設計制作及測試結果

根據仿真結果繪制PCB 板，臺階上微帶線采用T型結構設計，T 型結構尺寸為0.72mm×0.2mm，MID4 層為了保證阻抗匹配，單獨設計一個直徑為0.7mm 的PAD，做為阻抗變換的匹配結構。臺階下微帶線寬度0.6mm，帶線漸變寬度0.2mm，PCB 設計結果如圖8 所示，加工實物如圖9 所示。

圖8 過渡臺階板PCB 設計

圖9 臺階過渡結構實物

將過渡臺階板裝入微波組件中，與臺階板直接互聯的射頻器件是微帶環形器和SSMP 連接器[4]。

為了驗證本文方法的有效性，選用同樣射頻器件設計兩個射頻鏈路，其中鏈路1 具有射頻傳輸高度差，通過裝配臺階板實現過渡；鏈路2 的所有射頻器件輸入、輸出端口均設計在一個平面上，不存在高度差，未裝配有臺階板。對兩種微波組件測試結果進行對比，如表1 所示。

樣品增益和回波損耗的測試曲線分別如圖10、圖11 所示。圖10 中Ga1 為未裝配有臺階板的射頻鏈路，Ga2 為裝有臺階板的射頻鏈路。增加臺階板后增益曲線無畸變。

圖10 增益比較

圖11 回波損耗比較

由表1 及圖10 和圖11 測試結果對比，可計算出臺階過渡板的損耗約為0.4dB，回波損耗惡化約1dB，在預期范圍內，指標滿足要求?？梢詰糜诰哂懈叨炔畹纳漕l傳輸鏈路中[5]。

3 結論

本文設計了一種應用于微波組件不同射頻傳輸線級聯端口有高度差的問題的解決方法，該過渡結構在Ku 頻段內設計插損低于0.25～0.3dB，回波損耗優于15dB，在實際工程應用中，實測損耗在0.3～0.4dB，測試微波組件的總體指標滿足應用需求，經高低溫測試等試驗驗證，測試指標無明顯變化，對于解決有高度差的微波組件設計難題，有很重要的工程應用價值。