基于液体金属的接触PIM抑制方法和实验验证

张可越,陈 雄,赵小龙,张松昌,曹 智,贺永宁

(1.西安交通大学 微电子学院,西安 710049;2.西北工业大学 电子信息学院,西安 710129)

0 引言

由于电磁波会激发金属接触结上的非线性信号,而三阶互调信号会严重降低系统的信噪比[1-2]。这使得在具有高线性度的射频电路中必须避免不可靠的接触[3]。目前有3种常见的方法来抑制不可靠的接触对射频系统线性的影响。第1种是增加接触面的压力,通过高压避免氧化层和不同高度的微凸体对接触状态的影响,从而达到可靠接触[4];第2种方法是通过镀金或镀银来改善不理想的表面接触[5];第3种是根据大量的工程经验,通过综合设计直接去除金属接触界面[6-8]。以前的研究证明,上述技术和实现方式可以在一定程度上有效地抑制由金属接触引起的PIM产品[9]。然而,这些方式均需要较大的硬件开支和空间设计,对类似移动终端设备中的射频前端而言实用性很差。首先,由于移动设备中的垂直尺寸非常小,很难通过简单地增加力来改善接触。其次,贵金属涂层会增加成本。由于涂层没有从根本上改善金属接触结点的本质,接触面的非线性电流抑制程度有限。最后,焊接对移动终端的维护和更换部件是不利的。

本文通过结合新材料的特性,简单且有效地实现对金属接触无源互调(passive intermodulation,PIM)的抑制。液态金属及其合金在室温下是流动的,具有高润湿性,无毒无害[10-11]。它们可以被认为是传统焊接的可替代品。从根本上说,这种常温涂抹焊接是可逆的、可重复的[12-13]。液态金属的这种特性为移动终端的设备维护提供了良好的硬件基础。通过实验研究验证了冷焊方法的可靠性和稳定性。测试结果表明,由液体金属(eutectic gallium-indium,EGaIn)连接时,它可以将由金属接触带来的PIM抑制到相当可观的程度。

平面倒F天线(planar inverted F antenna,PIFA)因其体积小、重量轻、工艺一致性好、比吸收率(specific absorption ratio,SAR)低而成为移动通信设备中应用最广泛的天线之一[14]。同时,为了降低维护和修理的成本,安装在这些通信设备上的天线辐射贴片通常被连接在后盖或框架上,其中的馈电和短接是通过弹片或金属泡沫实现的。这样一来,暴露在辐射场中的接触结点就成为恶化PIFA的PIM水平的主要因素。本文基于这一实际工程背景,利用PIFA中的金属接触作为测试样本,对EGaIn的PIM抑制能力进行了实验验证。

本文先详细介绍了金属触点的等效电路模型,包括线性和非线性分立元件。然后制备了通过金属触点馈电的PIFA。最后通过比较EGaIn冷焊前后的PIFA的PIM水平,验证了冷焊技术对PIFA的PIM抑制效果和EGaIn的低PIM应用潜力。

1 金属触点等效电路

PIFA中无论是弹片馈电还是顶针馈电,其根源都是由金属接触引起的PIM问题[15]。如图1所示为一个单点接触界面的等效电路图,其中RMM代表金属接触的非线性电阻,Ci代表由接触点周围的金属和空气构成的恒定电容,Ls代表由天线贴片的表面电流引起的电感。RMM和Ls都与接触结点压降有关,由于天线上的表面电流随着电压的变化而变化,所以Ls也可以看作是电压的一个函数。RMM是接触点位置和接触电压降的一个函数。PIFA的PIM可以通过等效电路产生的非线性电流电压关系来解释。

图1 单点接触界面的等效电路Fig.1 Equivalent circuit for a single point of contact interface

当接触界面足够大时,等效电路可以被认为是单点接触电路模型的并联拓扑结构。在这个意义上,Ci对接触点的PIM行为有决定性的影响。当接触界面非常小时,接触结的等效参数强烈依赖于接触点的状态,因此PIM测试结果也经常在一定范围内波动。

在接触面积较大的情况下,接触结点的形态和金属表面形貌的分布满足高斯统计分布规律。此外,Ci是由金属表面的粗糙度决定的,不同接触位置的等效电路参数可以被认为是几乎稳定的,这使得相对大面积的金属接触结的PIM测试具有良好的可重复性[16]。

2 PIFA设计和电参数测试

在这项工作中,两支工作频率为2.6GHz的PIFA被设计并实现,它们的馈点分别通过顶针和弹片实现,而短路点统一通过顶针实现。

PIFA通常由辐射单元、接地板、馈电结构和短路金属组成。为了更好地控制和观察PIFA中的金属接触,使用了平面辐射单元而没有使用传统的单极天线。如图2所示,显示了用于测试的PIFA的模型图,它主要包括两片覆铜板,其中上层覆铜板的底部被蚀刻成天线贴片,而下层覆铜板的底部是反射地。此外,天线贴片和地面之间的连接是由弹片或顶针完成的,而短路金属统一通过顶针实现。如图3所示为弹片和顶针的结构图。天线的详细图片和组装好的天线模型如图4所示。

图2 实验中使用的PIFA模型图Fig.2 Structural diagram of the PIFA used in the experiment

图3 馈电弹片和顶针的结构Fig.3 Construction of feeder shrapnel and pin

图4 PIFA的局部照片和装配照片Fig.4 Partial and assembly photos of PIFA

随后对两支天线的电参数进行了测量,如图5所示。无论是弹片馈电还是顶针馈电,天线回波损耗的测量结果与仿真结果都很接近,且工作频率的偏移量非常小。两支天线的回波损耗在2.6GHz PIM测试频段都小于-15dB,它们在2.6GHz频段都有良好的输入匹配。

图5 不同馈电方式的PIFA回波损耗测试结果和仿真结果对比曲线Fig.5 Comparison of PIFA return loss simulation results and test results for different feeding methods

3 PIFA中接触结点的低PIM设计思路

由于轧制技术和铜箔材料性能的限制,在实际应用中,覆铜板的表面并非绝对光滑,而是分布着不同形式的微凸体,这些微凸体的直径和高度与表面粗糙度有关。具体来说,在实际装配过程中,没有完美的点对点或面对面的接触。相反,两个不平坦的表面上的一些微凸体的顶部或侧面往往会出现相切或塑性形变,这使金属接触的微观形态分析变得复杂。

如图1所示,在PIFA中,馈点处金属接触的等效电路模型可以被认为是接触电阻、间隙电容和电感的并联。其中非线性电阻RMM主要来自于接触界面两边的势能差,它与接触压力和电压降有关。等效恒定电容Ci源于接触界面两侧的微凸体之间的空气和一些金属氧化物,当平面粗糙度固定时,间隙电容随着接触位置的变化在一定范围内波动。电感Ls是由分布在金属贴片上的时间变化的电流引起的。

PIFA中PIM的主要来源是覆铜板和馈电端口之间不可靠的接触,PIFA的PIM抑制可以从这两个方面着手:一方面,通过控制铜箔与介质板的界面,PCB供应商已经能够将商业印刷电路板的PIM降低到-165dBc以下;另一方面,由于常见的金属接触的PIM抑制方法在PIFA的应用中受限,因此,开发新的方法或材料来改善PIFA的接触可靠性有利于进一步提高PIM指标。

根据上一节中的测试结果认为可重构的焊接可以抑制PIFA中馈点带来的PIM。考虑移动终端设备中的维修和拆卸要求,使用EGaIn作为冷焊剂对馈点进行可重构的焊接。广义的冷焊是利用机械力、分子力或电力使焊接材料扩散到仪器表面的一种工艺。焊接后,两个接触面的相对位置是固定的。尽管如此,EGaIn在室温下的流动性和表面张力决定了这种材料在冷焊接过程中不会对接触面造成破坏,这对移动终端设备来说是非常有利的。在进一步研究之前,应该对EGaIn自身的PIM进行评估,如果液态金属的PIM水平过高,虽然其物理性能符合要求,但仍不适合用于低PIM设备。

为了准确评估对EGaIn的PIM水平,利用缝隙波导对其自身材料特性进行评估。本文中所用EGaIn是由体积比为85.8%的Ga和14.2%的In构成的。如图6所示,由于电磁波在自由空间的传播特性,在缝隙波导上方两厘米的空间会有强烈的近场辐射。测试结果表明,将EGaIn放置在图6中的缝隙上时,测试环路的PIM水平将从-168dBc提高到-159dBc。而将传统的低互调无铅焊锡放置在图6中的缝隙上时,测试环路的PIM水平也从-168dBc提高到了-162dBc。这表明EGaIn在低PIM研究中作为传统焊剂的替代品是有潜在的应用前景的。

图6 基于矩形缝隙波导的EGaIn的PIM水平测试示意图Fig.6 Schematic of the rectangular gap waveguide-based PIM level test for EGaIn

4 低PIM冷焊方案测试和验证

EGaIn滴落在固体上时,EGaIn会向固体进行浸润,其在相对光滑的表面上附着力会更大,这是基于EGaIn的冷焊方法的前提。冷焊过程中先将少量EGaIn滴落在贴片上,然后将天线组装,这个过程中EGaIn的量需要尽可能地少。如果EGaIn量太多,在贴片上的附着力不足以在天线移动过程中对抗EGaIn产生的重力,就会引起EGaIn流动或者滴落,从而导致电连接失效。为了除去EGaIn表面自然氧化的薄膜,在测试前需要用稀盐酸对其进行还原。

天线和测试回路的连接通过RG141低PIM同轴电缆实现,如图7所示为冷焊前后由顶针馈电的PIFA的回波损耗测试结果对比。它表明在冷焊前后PIFA的回波损耗参数略有波动,但整体而言加入EGaIn后PIFA的电参数没有明显的恶化。

图7 冷焊前后顶针馈电PIFA的回波损耗仿真和测试结果Fig.7 Comparison of simulation and test results of return loss of PIFA fed by pin before and after cold soldering

本文用双载波PIM测试系统测试天线的反射PIM水平,图8是天线反射PM测试框架。两个工作在2.6GHz频段的信号通过合路器被传输到耦合器上,大部分的功率通过PIFA辐射到自由空间,由天线中金属接触的非线性引起的PIM信号被高灵敏度的接收机接收。

图8 天线反射PIM测试框架Fig.8 Antenna reflected PIM test framework

利用上一小节中制备的2.6GHz的PIFA,在PIFA中馈电触点和短路触点上用EGaIn进行冷焊,之后测试冷焊前后PIFA的回波损耗和反射PIM。以验证低PIM冷焊方案在PIFA中的有效性,在测试过程中PIFA由耐高温的绝缘胶带固定在木质框架上。在不同的输入功率下,可以得到两支天线的反射PIM变化曲线。

为了明确EGaIn对PIFA中PIM的抑制水平,分别测试了冷焊前后PIFA的反射PIM。由于EGaIn带有流动性,所以本文记录了10分钟内两支PIFA在冷焊前后的反射PIM变化曲线。在测试过程中PIFA的PIM呈现相对稳定,这表明触点处少量的EGaIn可以稳定地粘附在金属贴片表面而未对PIFA性能产生影响。这也是区别于传统焊接的在连接稳定性上需要被排除的不确定性。

在测试过程中,为了保证测量中PIM的稳定性,在10分钟内断断续续地测试了几组数据。如图9所示,PIFA在用EGaIn冷焊前后的反射PIM变化曲线,它表明EGaIn可以通过短路上一节中提到的非线性金属接触的等效电路模型有效地改善PIFA的PIM水平;同时,虽然PIFA在未经冷焊时的PIM都高于-140dBc,但是在冷焊过后其PIM水平均下降到-150dBc以下,且其PIM水平最大下降了约35dB。综上所述,EGaIn作为冷焊剂在改善电连接方面具有实际的且有前景的应用。这是因为通过EGaIn建立的相对大面积的可靠接触界面削弱了非线性电阻RMM和电感LS的作用,同时将原PIFA的反射PIM降低了约35dB。所以用EGaIn处理PIFA中电连接的方法可以有效改善接触非线性产生的可靠性问题。同时本文也发现了EGaIn本身作为射频材料的低PIM应用前景。

图9 两种馈电方式的PIFA在冷焊前后反射PIM测试变化曲线Fig.9 Reflected PIM test variation curves before and after cold welding for two feeds of PIFA

同时EGaIn在射频低PIM应用中有两个规避不了的问题。首先是EGaIn在空气中的自然氧化可能会为测试回路带来新的接触PIM风险;其次是EGaIn对金属的腐蚀作用在长时间的使用过程中可能会破坏原本电路中的金属部分,但只要合理利用EGaIn的导电性、浸润性、流动性和可重构性的优势,它在射频低PIM设计中仍然会有很宽阔的应用空间。

5 结论

本文介绍了一种利用EGaIn来降低PIFA天线中金属接触PIM的方法。EGaIn是一种可重构的液态合金,可以在接触点灵活地放置以改变接触面的非线性特性。通过在PIFA天线的金属接触点处放置EGaIn,可以显著降低PIM水平,提高天线的性能。与传统的焊接方法相比,EGaIn提供了一种更稳定的接触方式,可以有效地降低PIM水平。实验结果表明,在加载了EGaIn的PIFA天线中,反射PIM最高可以改善35dB,这符合5G移动终端中多天线和电连接的装配要求。此外,EGaIn还可以作为常温焊料的替代品,用于更多可重构的低PIM组件,如波导连接和微带馈电。综上所述,这项工作为电连接中降低非线性失真和调控移动通信终端产品中,由接触产生的PIM提供了一种具有革新意义的参考方法。