宽带射频信号背板实现的可行性分析

侯红英,闫 鸿

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

随着技术的发展,电子设备功能的急剧增加导致产品设计向着高度集成化、综合化方向发展。但是目前在综合化电子设备中,由于对信号传输的高性能要求,几十兆赫到几千兆赫的射频微波信号仍然主要采用各种射频电缆的传统互联方式,使得机架内布设的射频电缆数目越来越多,造成产品可靠性降低,对产品的小型化、轻便化、高度集成设计带来极大的不利影响。如何在保证系统性能指标要求的情况下实现射频信号互联的小型化、集成化设计成为有必要进行研究和探讨的重要课题,尤其在数字、模拟、射频混合信号传输的应用环境下,目前还未在国内外的科技期刊中发现相关报道。本文结合现有的工艺技术和器件水平,对宽带射频信号纳入多层印制板传输的可行性进行了评估和探讨。

2 宽带射频信号背板的关键技术

(1)大尺寸、高机械强度多层射频背板的基材选择和加工[1]

为了支持高达吉赫的射频信号传输,需使用微波电路板基材。在微波电路板基材中,主要有改性FR4材料、PPO、PI、PTFE基复合材料。陶瓷类的特殊微波电路板基材通常较软、较脆,不易于加工为大尺寸、高机械强度的多层板。对于大多数军用环境来讲,只有PTFE基复合材料作为首选,因为其具有优良的电气、机械及热性能,工作在小于300℃的环境下不会发生软化、氧化或其它形式的分解,能够加工为复杂结构的多层板。微波电路板基材根据介电常数主要分为 2.2～3.6、3.6～6.6、6.6～ 9.63个段。较常用的选择有美国Rogers公司生产的RT/Duxiod系列、TMM系列和RO系列微波基材,主要有玻璃纤维增强型聚四氟乙烯覆铜板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆铜板和陶瓷粉填充热固性树脂覆铜板,虽然价格昂贵,但因其具有优异的介电性能和良好的机械性能,具有较大应用优势。另外,美国雅龙公司(Arlon)生产的25N、25FR热固陶瓷基材,其性能特点类似Rogers RO4000系列热固陶瓷,可加工为较大面积的多层板。

(2)射频连接器的选择

要想将射频信号纳入背板,首先要考虑是否有合适的射频连接器支持印制板焊接和安装。射频连接器通常有单路和集成混装,绝大多数产品都建议通过电缆来传输射频信号。因此传统连接器的改造设计成为关键,不仅要适应印制板焊接安装方式,最重要的是达到需要的信号带宽。

单路比较常见的有SMA类射频连接器。根据手册,两端都通过射频电缆互联时最高使用频率为DC～18 GHz,最佳使用频段仅为DC～6 GHz。此种SMA射频连接器若改为以印制板插装、焊接方式安装,能够保证的频段会大大下降。类SMP系列连接器中的部分产品可采用表贴方式安装,通过合理的设计能够满足频率带宽。

此外,集成混装的射频连接器厂家通常只提供电缆连接方式的产品。以中航光电的LRM系列连接器为例,截止目前未以量产方式提供可以支持印制板插装焊接方式的射频连接器,仅有一款型号为LRM2-A35T7(2B)-B35T7(2B)R-Z＊(＊可取1,3,4)的试验产品,能够提供两路射频接头以印制板插装焊接方式安装,但与使用电缆射频的使用频率DC～18 GHz相比,能够传输的信号频率迅速下降为DC～6 GHz范围,而且其连接器本身的驻波和插损均有一定程度增加。所以说射频连接器的选择是实现射频背板的难点之一。

(3)复杂电磁环境下的路间隔离度

大系统的背板不仅需要很多信号层来传输数字、模拟信号,且需要很多平面层来处理电源、地,电磁环境相当复杂,若再考虑纳入射频信号,复杂电磁环境下射频信号之间、数字信号和射频信号之间的路间隔离度无疑成为关键难点。

(4)宽带频段范围内的信号自激的抑制和消除

不仅要考虑信号在本身的工作带宽范围内传输性能良好,而且至少要保守估计信号3～5次谐波的影响。目前除需要传输吉赫级的射频信号外,同时还需要传输速率达吉赫级的数字信号,因此需要考虑约10 GHz带宽范围无自激隐患,需要精心评估板卡的电源完整性、信号完整性。

3 宽带射频背板的可行性研究

为支持研究工作,设计和加工了一块试验用多层微波基材背板。

3.1 微波基材选择[2,4]

在介电常数在3.6～6.6范围内的主流产品内进行选择,使用了Rogers公司的Rogers4000系列基材,使用RO4403C的芯板和RO4450B的半固化片,可加工为电气性能优良、机械强度高的较大面积多层板,且不会明显增加成本。Rogers RO4000系列基材的特性参数为:在10 GHz条件下,介电常数为3.17～3.54,损耗因数为0.004～0.005。

3.2 射频连接器选择

本文主要考察2 GHz带宽范围内的情况,为了便于测试,未选择集成混装连接器,所涉及的射频信号全部采用SMA射频连接器,以印制板插装、焊接方式安装。

3.3 电路、结构优化仿真

试验背板为10层板,尺寸为320 mm×150 mm,板厚为3.5 mm,其中2、4、7、9层为带状线信号层,其它均为地平面层。此板卡提供验证不同情况下射频信号驻波、插损、线间隔离度的条件,同时提供了验证数模隔离度的条件,设计了9组案例。

试验板实物如图1所示。

图1 试验板实物Fig.1 The photo of test-board

3.3.1 插损和驻波

以S11参数评估驻波、以S21参数评估插损,对所有的带状线进行了仿真和测试[5-7]。未进行阻抗平滑过渡、安装孔设计参数优化时,考察其中一组线宽为12 mil、阻抗为50 Ψ的带状线,仿真和测试结果显示在1 GHz频点插损S21约为2 dB,S11换算为驻波系数后约为2,驻波和插损在特定情况下是特定的。具体仿真和测试结果如图2所示。

图2 S11和S21的测试仿真结果Fig.2 The simulaition and test result of S11and S21

图2表明驻波和插损都不是非常良好,且插损S21呈现与S11变化呼应的波动。可通过改善SMA接头处阻抗情况、优化线宽来改善插损和驻波曲线的平滑度。在基材和介电特性确定情况下,依赖于策划出足够的线宽并保证传输链路的阻抗平滑、连续来保证插入损耗和驻波指标。重新策划层间介质厚度、调整地平面的分布后,实现了线宽为70 mil的50 Ψ阻抗线,并在HFSS中分别对走线与连接器接头处的过渡、接插件安装孔的阻抗情况使用参数化模型进行仿真,找到走线过渡的最佳距离和最佳线宽,以及能够使连接器安装孔保证最佳阻抗平滑状态的反焊盘尺寸。在HFSS中对SMA连接器安装孔的结构建立参数化模型如图3所示,仿真结果如图4所示。

图3 在HFSS中对试验板建立的仿真模型Fig.3 The simulationmodel of part of test board in HFSS

图4 优化设计参数后的S11、S21仿真结果Fig.4 The simulation result of S11and S21after parameter optimized

进行仿真和实施设计优化后,在1 GHz时S21的仿真结果为0.5 dB,S11曲线根据反射系数的公式换算为驻波系数后约为1.5。可见,插损和驻波指标可控、可以被优化。具体在实施工程应用阶段还可以针对不同要求采用分支线等窄带阻抗匹配方法、不完整地平面等方法,提高眼图展开程度,有效扩展带宽。

3.3.2 复杂电磁环境下的路间隔离度

此试验板最为重要的是验证多层板各种不同情况下的带状线路间隔离度。主要考察了以下4种情况。

(1)同信号层层、不同间距平行带状线对之间的隔离度

设计了同层1倍、2倍、4倍、6倍间距的平行带状线对,仿真线对之间的隔离度结果如图5所示。

图5 同层1倍、2倍、4倍、6倍间距的平行带状线对之间的隔离度仿真结果Fig.5 Isolation simulation result of parallel stripline in the same layer at 1,2,4,6 times distance

图中最上边曲线为同层1倍间距条件下的隔离度,仅大于20 dB,距离隔离度目标指标大于60～80 dB有很大差距;其它曲线为间隔2倍及以上间距,仿真结果显示间距增加隔离度迅速提高,且大于80 dB。

1倍间距条件下的隔离度测试结果如图6所示,其它间距条件下的隔离度如图7所示。

图6 同信号层1倍间距走线之间的隔离度测试结果Fig.6 Isolation simulation result of parallel stripline in the same layer at 1 time distance

图7 同层2倍及以上间距走线之间的隔离度测试结果Fig.7 Isolation simulation result of parallel stripline in the same layer at 2,4,6 times distance

(2)不同信号层、不同间距平行带状线对之间的隔离度

不同信号层1倍、2倍、4倍、6倍间距的平行带状线对之间的隔离度仿真结果如图8所示。

图8 不同信号层1、2、4、6倍间距平行带状线对之间的隔离度仿真结果(大于100 dB)Fig.8 Isolation test result of parallel stripline in different layer at 1,2,4,6 times distance

不同信号层、不同间距平行带状线对之间的隔离度测试同图7。不过只有6倍以上线间距时允许以距离带状线2倍以上的间距打隔离地孔,可以保证良好的隔离效果。

(3)不同层、正交带状线相互之间的隔离度

所设计的不同层、正交带状线,仿真和测试结果显示隔离度良好,测试结果同图7,隔离度普遍大于60 dB,这里不再赘述。

(4)数模之间隔离度

板卡中射频区域地平面或电源若与其它地、电源平面有空间重叠,形成数模干扰途径,未严格分区和严格分区时数字、射频之间的隔离度明显很低;一旦对各自的地(包括电源)平面实行非常严格的分隔处理后,仿真结果显示隔离度良好,高于60 dB,限于篇幅,不再给出仿真曲线。

另外,为了验证在有金属衬底或金属屏蔽机箱的情况下板卡中各种信号之间的隔离度,搭建了测试环境。测试结果表明相对于独立单板,将单板的地接触金属衬底或将单板完全置于金属屏蔽机箱内时,隔离度从平均值60 dB下降为平均值为50 dB,恶化了大约10 dB。

3.3.3 宽带范围内谐振和自激的抑制

系统的背板通常传输众多各种工作频率的信号,板卡本身的谐振会引发信号自激。但为保持整洁、美观,设计背板时通常不放置去耦电容或仅放置少量电容。为评估分立电容或埋容去耦和消除谐振的效果,可通过Ansys公司的SIWave软件仿真先找出谐振区域,再通过阻抗参数曲线评估是否还存在阻抗突变频点,达到消除谐振、改善平面层阻抗的目的,保证宽带射频背板的电源完整性和信号完整性。

4 结束语

根据以上的分析和研究结果总结出,选择可行的基板介质和射频连接器并进行电路优化后,能够利用现有的基材和加工工艺实现至少1 GHz频率的多层射频信号背板,保守估计能够达到的插入损耗约为0.5 dB,驻波系数约1.5,隔离度约60 dB,对于集成化系统机箱内部的频率基准分发、多通道中频传输等应用,具有极大的应用参考价值。现正在与射频连接器加工设计厂商合作,研制可用于更高频率的盲插集成混装射频连接器,争取通过改进,适当采用窄带等匹配方法[8],使得射频多层背板互联结构可应用于更高频率和更多环境。

[1]陈彦青,汪方宝,管美章.微波PCB特种制造技术[J].电子工艺技术,2007,28(1):34-37.CHEN Yan-qing,WANG Fang-bao,GUAN Mei-zhang.Special Microwave PCB manufacturing Techniques[J].Electronics Process T echnology,2007,28(1):34-37.(in Chinese)

[2]毛晓丽.微波多层板层压制造技术研究[J].电子工艺技术,2007,28(3):142-145,149.MAO Xiao-li.The Study of Microwave Multilayer Laminated Manufacturing Technology[J].Electronics Process Technology,2007,28(3):142-145,149.(in Chinese)

[3]Russell Hornung,Jack Frankosky,李海.军用微波多层板的选材[J].印制电路信息,2007(3):34-38.Russell Hornung,Jack Frankosky,Li Hai.Selection ofMilitary Microwave Multilayer Board[J].Printed Circuit Information,2007(3):34-38.(in Chinese)

[4]肖庆,何卫国.单板射频及射频/数字混合电路设计探讨[J].微电子学,2008,38(3):363-368.XIAO Qing,HE Wei-guo.Veneer RF and RF/Digital Hybrid Circuit Design[J].Microelectronics,2008,38(3):363-368.(in Chinese)

[5]Don DeGroot.Guidelines for Multiport Mixed-mode S-parameters Measurements In High-Speed Interconnection Design[C]//Proceedings of 2009 International Conference on Design.Santa Clara,CA,IEEE,2009:1-17.

[6]Pupalaikis P J.Validation Methods for S-parameters Measurement Based Models of Differential Transmission Lines[C]//Proceedings of 2008 International Conference on Design.Santa Clara,CA:IEEE,2008:1-12.

[7]Yuriy Shlepnev,Alfred Neves,Tom Dagostino,et al.Practical Identification of Dispersive Dielectric Models With Generalized Model S-parameters for Analysis of Interconnects In 6～100 Gbps Applications[C]//Proceedings of 2010 International Conference on Design.Santa Clara,CA:IEEE,2010:1-24.

[8]Vladimir Duvanenko,Nicholas Biunno.Matched Terminated Stub VIA Technology for Higher Bandwidth Transmission In Line Cards and Backplanes[C]//Proceedings of 2010 International Conference on Design.Santa Clara,CA:IEEE,2010:1-18.