基于数模混压多层板工艺的超宽带功分器设计

魏 娟

(南京邮电大学通达学院, 江苏 扬州 225127)

随着芯片集成技术与工艺的不断发展,无线系统逐渐趋于小型化与集成化,相控阵设备开始大规模应用于各种场合。射频功分器是相控阵中的关键器件,其功能是将发射信号功分至多路通道中分别放大输出,或是将多路接收通道中的信号进行波束合成,以达到定向发射或者定向接收的目的。目前设备中微波组件收发通道数量不断增加,而体积要求却越来越小,因此需要开发一款多功能处理背板,将射频功分、合路、控制、驱动和电源等多种功能集成在一起,并采用组件直插的硬连接方式替换原先的电缆+组件+控制板互联方式,提高系统的集成度。

1 设计思路

基于多层板工艺的综合背板,通常存在以下限制:(1)信号隔离度低,射频信号易受数字信号串扰或外界信号干扰,导致信号底噪变差,信号比恶化,系统灵敏度下降;(2)射频信号传输损耗变大,需要更高的驱动功率[1]。

本文基于数模混压多层板工艺设计一款超宽带功分器应用于综合背板中,通过将数字信号与射频信号层间隔离来降低数模信号相互干扰的程度;利用射频多层板方式,将功分器、电阻预埋在中间层,减小射频信号的空间辐射与串扰,降低损耗;通过对射频传输过孔理论分析及HFSS软件仿真优化,实现宽带低损耗射频信号传输功能。

2 数模混压多层板架构设计

本文设计的基于Wilkinson结构的超宽带功分器为带状线结构,采用高频PCB印制板和半固化片(黏合胶片)制造。高频PCB板材选择标准是:(1)材质硬、热膨胀系数(CTE)小,其原因是可靠性高,强度大,同层不容易被拉断;(2)介电常数(εr)稳定性好,损耗角正切(tanφ)小的材质,以保证高频信号性能稳定且损耗相对较低[2-3]。

本文设计的功分器电路采用4层混压板架构,其叠层图如图1所示。第一层L1 PCB与第二层L2 PCB选用Taconic的TSM-DS3,其材料成分为PTFE填料—玻纤布,介电常数约3.0,厚度10mil;中间电路L3层集成薄膜工艺电阻,增加功分器各端口间的隔离度。设计完成后,再将多层数字板(通常采用FR4板材)与微波板通过半固化片连接,组成一整块数模混压板。这样既能保证射频信号的完整性,减小数模信号的干扰,又能实现多层电路的高密度集成。

该多层板的L1层为信号转接层,包含各类高低频插座,其中射频信号经插座传输至L1层,再经一小段微带线及盲孔传输至L3层。L1层剩余部分及L4层为GND平面,作为带状线功分器的地平面,可大幅降低外部干扰信号及板上数字信号的串扰问题。选择L3层作为带状线功分器的主体电路实现并将L2层空置的原因是半固化片高频介电常数不稳定,厚度相对PCB板材较薄且误差较大,不适宜用于高频信号的介质层。

3 关键电路仿真设计

3.1 微带—带状线过渡结构设计

4层PCB板上射频信号通过高频连接器与外部设备实现互连,而连接器均位于PCB表层,因此L1层射频微带线一般需要经过一段垂直过渡结构实现微带-带状线的互连。

PCB板上过渡孔外形如图2所示,其过孔内径为r,过孔外径为R,两层平面间距为h。当传输信号为低频信号时,过孔可以近似为理想的传输线,而随着频率的上升,过孔的寄生参数会逐渐影响信号的完整性,增加损耗,导致宽带功分器失配。

图2 过孔结构

在射频应用中,过孔的侧壁形成的圆柱体或者圆柱面,可等效为串联寄生电感,感值大小近似为:

(1)

过孔的上下两个焊盘可以等效为并联寄生电容,容值大小估算为:

(2)

其中,D为反焊盘直径，ε为介电常数。

在高频应用中,串联寄生电感与并联寄生电容可以近似形成射频滤波器,可通过以下两种方式降低寄生参数对射频信号的影响:(1)调节过孔半径、反焊盘直径等参数,将该滤波器的通带范围调节到功分器的功分范围内,实现射频信号的有效传输;(2)过渡结构周围增加接地孔,改善接地效果,形成类同轴结构,减小过渡孔带来的非线性影响[4-5]。

综上所述,采用HFSS软件对过孔进行建模,并通过调节过孔参数及外围接地电路等结构优化其在SC波段的性能,如图3所示。仿真模型采用4层射频板,板材参数如本文第二部分所述,仿真结果如图4。从仿真结果可以看出,该射频过孔在S波段,其优化后的回波损耗全频段均小于-20dB,插损约为0.1dB,整体性能符合使用要求。

图3 过孔仿真模型

图4 过孔仿真结果

3.2 功分器仿真

本文设计的SC波段一分四功分器,由3个一分二功分器级联而得。该一分二功分器采用带状线式Wilkinson结构,具有驻波好、损耗低的特点,同时采用隔离电阻提高端口隔离度。单级的Wilkinson工作频段较窄,难以覆盖SC波段。本文采用多级阻抗变化级联的方法来拓展功分器带宽,即通过增加功分器级联节数,牺牲插入损耗的方式拓展带宽[6-7]。

利用ADS软件中无源电路自动设计功能,设置仿真环境为4层印制板,板材厚度为10mil,介电常数为3.0,工作频带覆盖SC波段,可得所需的功分器电路初步节数与尺寸。将理论计算数据代入HFSS软件中建模,得到仿真模型如图5所示[8]。

图5 一分二功分器仿真模型

对该模型进行优化,优化后隔离电阻R1、R2、R3取值分别为180Ω、200Ω、200Ω,可得仿真结果如图6所示。从仿真结果可以看出,该波段一分二功分器插损小于4dB,隔离度大于20dB,回波损耗大于12dB。

图6 一分二功分器仿真结果

在图3过孔结构及图5一分二功分器的基础上进行级联设计及仿真优化,可得SC波段一分四功分器的仿真结果,如图7所示。该功分器插损小于7dB,隔离度大于24dB,回波损耗小于14dB。各项仿真结果均满足使用要求。

图7 一分四SC波段功分器仿真结果

4 测试结果

对该电路进行实物加工并调试,矢量网络分析仪测试结果如图8所示。从实测结果可以看出,2.7GHz～6.2GHz内,该电路的插损小于8dB,驻波小于1.6dB,隔离度大于25dB,满足设计与使用要求。表1所示为该电路4个射频通道的幅相一致性,以通道1为基准,可得其相位一致性为小于等于±7°,幅度一致性为小于等于±0.5dB。

图8 实测结果

表1 4通道幅相一致性

实测结果与仿真结果相近,存在的一些区别经分析,原因可能包括:(1)仿真未带入射频接头模型,会引入额外损耗及匹配失配现象;(2)PCB加工精度存在公差,与理想仿真模型并不完全一致。

5 结语

本文设计了一款基于数模混压多层板的超宽带带状线一分四功分器。该多层板位于电路板的上四层,射频信号通过插座馈入至多层板的L1层,经过匹配优化后的过孔传输至第三层,经四等分后再通过顶层输出。在HFSS软件中对该电路进行了建模与优化,并制作了实物测试。实测结果近似仿真结果,其驻波小于1.6dB,总插损小于8dB,通道间隔离度大于25dB,具有幅相一致性好,集成度高、抗外界干扰能力强等特点,大幅减小了设备的尺寸与复杂度,符合实际工程需求。该电路可应用于多通道组件的综合背板上,实现射频及供电控制信号的高密度集成,能有效减小电路尺寸,降低接线的复杂度。