垂直互连在多通道T/R组件中的应用

朱文举,陈 娜

(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 050051)

垂直互连在多通道T/R组件中的应用

朱文举,陈 娜

(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 050051)

垂直互连在多通道T/R组件中应用广泛。通过仿真软件CST建立模型进行仿真,通过理论分析,优化参数,得到最佳的结构尺寸和微带匹配参数,并根据仿真结果加工实物,验证仿真结果的可靠性。测试结果表明,优化后的垂直互连适用于6～18 GHz的射频信号传输,根据需要可以优化结构并将其工作频率提高到30 GHz以上。

T/R组件;垂直互连;多通道

0 引 言

有源相控阵天线在军用雷达、通信、电子对抗等系统中已经得到了广泛应用[1]。T/R组件是有源相控阵天线的核心部件。传统相控阵天线是用单个T/R组件装配天线阵面,然后进行整体测试,对大型阵面装配和测试十分复杂。近年来西方提出了可扩展构造块的概念,其核心是将几个T/R组件和天线单元集成为一个“积木块”。积木块本身是一个标准的子阵模块,可以集成制造和单独测试。同时,子阵模块具有可扩展性,可以再次组合形成更大阵面,通过可扩展构造块的结构、接口以及制造、测试过程的标准化,实现不同规模有源相控阵天线的模块化,简化大型阵面装配和测试,其中具有代表性的结构为片式T/R组件。片式结构为多层结构,电路的功能越趋复杂,对电性能指标和外形尺寸的要求不断提高。在满足微波电路电气性能指标要求的前提下尽可能提高微波电路的集成度、减小体积和质量是目前T/R组件设计的难点之一[2-3]。

垂直互连技术是实现上述目标的有效途径。由于垂直互联的高频传输性能不易保证,且连接可靠性较差,未来应当发展新的垂直互联形式,改进现有垂直互联技术的工艺特性,提高其可靠性和可生产性。本文提出了一种新型的垂直互连结构,将射频接插件的绝缘子做成钉头绝缘子,通过点焊金带的方式与带线互连,通过自动组装和自动键合,可以保证多通道T/R组件间的幅度和相位一致性指标,大大减小调试工作量和工艺操作难度。

1 新型的垂直互连结构

图1为在电磁仿真软件CST中建立的垂直互连结构的模型[4]。

图1 垂直互连结构仿真模型

设计中,采用介电常数为2.2的罗杰斯5880板材,厚度为10 mil,50 Ω特性阻抗下微带线宽度W1=0.76 mm;输出接插件是采用西安艾力特公司的SMPM-JHD1;结构设计中烧结接插件的台阶孔直径为1.2 mm,高度为0.4 mm。为了改善端口驻波,在50 Ω传输带线上增加了匹配带线,模型如图2所示。图中,W1为特性阻抗为50 Ω的微带线宽度,W2为匹配带线的宽度,L为匹配带线的长度。

图2 微带匹配电路

通过仿真软件对垂直互连结构进行优化,得到最佳的匹配带线以及钉头绝缘子的尺寸,即W2=1.16 mm,L=0.55 mm,钉头绝缘子钉头的直径为0.8 mm,高度为0.2 mm;电路板与空气腔边缘的距离为0 mm,金带宽度为500 μm,仿真结果如图3所示。可以看出,在DC～30 GHz的频率范围内,端口的S11以及S22均优于-15dB。

图3 新型垂直互连结构仿真结果

2 性能测试

为了验证该垂直互连结构对多通道T/R组件的端口驻波以及通道间幅度和相位一致性的影响,根据仿真结果,加工了1只四功分器样件,装配完成的实物照片如图4所示。样件中使用的3只二功分器芯片为中国电子科技集团公司第十三研究所生产的BW506,其工作频率为6～18 GHz,插入损耗为3.5～4.2 dB,利用失量网络分析仪对样件进行测试,测试结果如图5、图6所示。

图4 实物照片

图5 增益、驻波测试曲线

图6 幅度、相位一致性测试曲线

可以看出,在6～18 GHz,样件的端口驻波在2以内,插损小于9 dB,4个通道间的幅度一致性在±0.2 dB以内,相位一致性在±1°以内。除端口驻波略有恶化外,其他指标与仿真结果基本一致,可以很好地满足工程应用的需求。

3 结束语

本文提出基于键合工艺的新型垂直互连结构,可以应用于宽带接收机的本振功分、T/R子阵以及多通道收发信机的功分、合成网络等,实测结果验证了该垂直互连结构的可行性。

由于该模型是建立在理想边界条件下,即PCB板接地面与盒体接触良好,在实际应用中,PCB板与盒体间必然有一定的缝隙,输入、输出端口与带线之间的不连续,导致实测结果比仿真曲线略有恶化[5]。随着频率的升高,这种不连续的影响将愈发突出[6]。在后续的研究中,可以优化结构参数,将PCB板侧壁进行金属化处理,使各层地之间通过侧壁紧密连接在一起,将使用频率扩展到30 GHz以上。

[1] 黄建.毫米波有源相控阵TR组件集成技术[J].电讯技术,2011,51(2):1-5.

[2] 徐锐敏,陈志凯,赵伟.微波集成电路的发展趋势[J].微波学报,2013,29(5/6):55-60．

[3] 顾墨琳,林守远.微波集成电路技术——回顾与展望[J].微波学报,2000,16(3):278-290．

[4] 张敏.CST微波工作室用户全书[M].成都:电子科技大学出版社,2004.

[5] 张松松,刘飞飞.高速电路板级信号完整性设计[J].电子科技,2013,26(10):106-109.

[6] 甘体国.毫米波工程[M].成都:电子科技大学出版社,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

朱文举 (1983-),男,工程师,硕士,研究方向:多通道宽带接收机及毫米波上、下变频;陈娜(1989-),女,助理工程师,硕士,研究方向:微波宽带接收机、3D MCM多功能模块。

TN817

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1009-0401(2017)01-0042-03