某瓦片式数字收发组件的多层互联结构设计

康 颖 雷国忠 崔 敏 王 洁

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

收发组件是有源相控阵雷达的关键部件，一部规模较大的相控阵雷达中有成千上万个收发组件，因此收发组件的性能将直接影响整部雷达的性能指标[1][3]。传统的收发组件多为二维平面的砖块式设计，这种结构形式在垂直方向上可能较薄，但在水平方向上尺寸很大。随着相控阵雷达的工作频率的提高和装载平台的变化，传统的砖块式设计形式受到很大的限制，收发组件向着小型化、轻量化、高密度、低成本的方向发展，瓦片式组件得到越来越多的应用[2][5]。

1 瓦片式组件的设计难点

瓦片式收发组件是在以三维高密度集成技术为基础发展起来的新一代收发组件，它满足了雷达对体积小、重量轻等方面的要求[6]。瓦片式收发组件最重要的特点就是将组件的平面结构变为三维结构，把芯片和电路的连接空间向三维方向发展，在组件功能不变的前提下，提高集成密度，缩小体积，减轻重量。本文所描述的某组件，采用大功率瓦片式多路数字收发子阵实现阵元级数字收发，将辐射单元和有源电路一体化设计，采用更紧凑的结构方案，电气连接均通过内部一体化协同设计完成，辐射单元的面积就是有源电路的平面面积，需要将收发子阵电路分层放在辐射单元对应的面积上，因此如何实现层与层之间的互联，完成大功率微波信号低损耗大功率传输，是瓦片式组件的设计难点和关键。

2 多层互联实现方法

对于瓦片式T/R组件三维集成微波电路来说，形成三维结构的关键在于如何实现各平面微波电路间的垂直互联。垂直互联是指三维模块中的电源、接地及层间射频信号所需的互联，互联既要保证微波信号的完整性，又要具有结构简单的特点。本文研制的瓦片式数字收发组件，在有限的空间范围内，经过合理的结构设计和巧妙的电路布局，利用三个平行的层面，完成了信号的接收和发射功率辐射。

2.1 组件的结构组成

本文所描述的瓦片式组件，整体分为以下几个部分：散热底座、微波层、电源调制层、主板壳体、控制主板层、信号分配层、天线支撑板等，如图1所示。

图1 组件外形组成示意图

结构件作为整个瓦片的实现主体完成了固定、安装、连接、隔离、导热等多方面的功能，而SMP、毛纽扣等则是实现垂直互联的桥梁。

2.2 通过SMP进行射频信号的连接

SMP为超小型推入式射频连接器，因其体积小，可以节省较大的安装空间，同时其使用的频带宽，可承载大功率射频信号，可实现快速插拔。板间连接成对使用时，多种界面形式能够满足盲配所需的轴向或径向浮动，可用于高密度高集成度场合的装配。图2为SMP系列连接器。

图2 SMP连接器示例

玻璃烧结SMP指标:

1)VSWR≤1.20 (DC～18GHz)；

2)VSWR≤1.25 (18GHz～26.5GHz)；

3)VSWR≤1.35 (26.5GHz～40GHz)。

在层间的连接设计中，由于制造及装配误差，层与层之间所需插入射频同轴连接器的部分都会存在一定的水平位置度公差和垂直位置度公差，反映到射频同轴连接器上的问题就是径向、轴向及角度容差。在机械结构设计方面有两个问题：一是相对于大尺寸连接器，小尺寸连接器更难配合对准；二是小尺寸连接器机械强度低，如使用不当则较易损坏。在电气性能方面，径向和轴向容差是必须考虑的问题。径向容差主要是为了补偿连接器以及PCB设计和装配的机械公差。而角度和轴向容差则主要关系到传输信号的完整性水平，配合间隙将使阻抗变化，造成反射和驻波(VSWR)变大，可靠性降低。目前的连接器在其接口边采用了“碗状”设计来导入连接，这种容差设计使在非可视状态下的盲插成为可能，并且整个系统在设计时也通过公差设计最大限度地实现了层间的连接，保证信号传输的完整性。

2.3 通过毛纽扣连接器进行信号的连接

毛纽扣作为一种应用于微波频段的新型材料可以实现良好的直流和微波连接，是一种占用空间非常小的垂直安装连接方案。毛纽扣的弹性内导体是由一根镀金金属丝经过特殊工艺缠绕成型，具有弹性的接触件，其被装入支撑介质中与上、下层基板压紧固定，接触电阻仅为1mΩ， 可实现高密度、高质量无焊接互连，性能优良、装卸方便、维修性高。层和层之间通过弹性内导体压缩保证电流或射频信号的传输，使用频率为DC～40GHz，最大承受电流可达到5A。将毛纽扣用于传输射频信号，当使用频率为30GHz时，用HFSS进行仿真，产品的电压驻波比为1.06～1.07。其技术参数见表1所示。

表1 毛纽扣技术参数

毛纽扣组合件是毛纽扣与结构件相结合的一种新型的毛纽扣连接器。考虑到微波垂直互联的连续性，射频传输时的路径要与腔体、低频信号做好充分的屏蔽和隔离，避免因辐射引起的各种信号干扰。电路上采取合理布局，结构上采取分腔设计，保证电路的稳定性。通过上述分析，结合实现的空间和装配难度，采用多功能组合件，即采用结构件做为主体，进行腔体分隔，实现对信号的屏蔽隔离以及上下层之间的支撑，同时，在结构件的隔墙上一体化安装毛纽扣，进行上下层之间信号的互连。见图3、图4所示。图3为毛纽扣组合件三维立体图，图4为毛纽扣实物局部图。

图4 毛纽扣实物局部图

毛纽扣接触件焊盘尺寸高低频有所区别，见图5、图6所示。层与层之间互联的最终实现需要通过毛纽扣与上下基板之间和导体之间的精确定位和可靠压紧来实现。毛纽扣对对位精度要求非常高，对位不准确会对微波性能和可靠性带来很大影响。因此，在设计及装配时要充分考虑对毛纽扣的定位准确性。

图5 高频毛纽扣焊盘尺寸图

图6 低频毛纽扣焊盘尺寸图

2.4 通过其他组合连接器

考虑到层间互联的复杂性和多样性，除了采用专门的连接器如毛纽扣和SMP以外，还可以结合器件，将器件的输入输出端口采用毛纽扣或者SMP，这样可以减少中间层的转接，提高可靠性和精度，减小尺寸。图7所示的连接器，采用毛纽扣、SMP、光模块等连接方式，集合了直流、控制、光信号、射频等各种信号的连接器，是组件所有信号的入口，详见图7所示。

图7 组合连接器

3 用公差设计来保证垂直互联的可靠性接触

在瓦片式高集成度收发组件实现过程中，为了保证信号传输的完整性，需要通过对垂直方向尺寸链的精确设计来实现。在尺寸设计时要科学地分配公差范围，不仅要考虑到加工的公差，还要考虑到装配的公差，保证在各种公差累计的情况下均不会出现接触不良的情况，防止出现信号传输失效[4]。

对于平面方向的尺寸，每一块印制板和每一个器件的开孔尺寸和开槽尺寸都有公差要求，并且有定位销定位。对于垂直方向的尺寸，因为器件集成度高，有多条尺寸链最终都要在同一高度内完成对接，有结构件，有多层板，有微带板，有毛纽扣、有SMP、有元器件，各自都有其自身的加工公差和相互之间的配合公差，需要合理分配公差，既保证各自的加工可达性，又保证相互之间对接在允许的公差范围内，并最终通过合理的连接来实现垂直互联功能，达到最优的电气指标。比如SMP，如果针与座未到底配合，对于射频连接器，这种未到底配合会造成阻抗失配，带来信号反射和驻波变大。图8是多层连接的尺寸链分配图。

图8 尺寸链分配图

因尺寸链多，公差大，故采用极值法分配公差。最终分配的公差要求见表2、表3所示。

表2 尺寸链1(混合信号腔：子阵壳体与天线支撑板之间 )

表3 尺寸链2(子阵主板到子阵散热板之间)

以上只是其中的两条尺寸链，还有多条尺寸链没有一一罗列。通过对公差的列表、合理分配，最终达到了设计的要求，满足了垂直互联的可靠性指标。

4 用工装来保证垂直互联的装配成功率

因为垂直互联用到了大量的SMP等连接器，而SMP在往微带板上进行焊接装配时，尤其是进批量装配时，无法保证其焊接垂直度，进而会影响装配精度，导致信号连接不上或者无法达到设计指标。为了保证器件的位置度和垂直度要求，设计了焊接工装，见图9所示。

图9 工装示意图

焊接工装首先设计定位销，保证微带板的安装位置，同时在工装上开槽保证SMP的外形刚好放入，同时通过工装结构件保证定位销与SMP安装槽的相对位置度和垂直度，最后把微带板通过定位销放好，SMP放入安装槽，焊接工只需要进行焊接就好，通过这个焊接工装就可以直接保证SMP在微带板上的垂直度和位置度，节省时间，提高效率，保证了装配质量。

5 结束语

瓦片式收发组件的多层互连方法是比较复杂的，我们通过对某瓦片式数字收发组件的结构设计获得了一些成功经验，掌握了一些设计思路。组件性能优越，满足设计指标，相比于砖块式组件，体积和重量都大幅缩小，具有较高的指导意义，也有广泛的应用前景。