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基于复合基板微波电路设计的小型化TR组件

2020-04-05 23:07rf射频/无线 人已围观

简介TR 组件是航空、航天系统机载、弹载、舰载、星载等电子对抗装备中通信、雷达和光电子设备的核心模块。随着电子装备向小型化、集成化和多功能化方向发展,具备多功能、高可靠性...

  TR 组件是航空、航天系统机载、弹载、舰载、星载等电子对抗装备中通信、雷达和光电子设备的核心模块。随着电子装备向小型化、集成化和多功能化方向发展,具备多功能、高可靠性、小体积的组件优势日趋明显,多层板三维互联和封装技术俨然成为当下研究热点。
  
  近年来国内外电子材料技术飞速发展,共烧陶瓷基板、硅基板、金属基板和微波复合基板在微波技术领域的应用展现出良好的电气性能。从工艺复杂度、成本、周期、工程研制等方面考虑,微波复合基板具备独特的优势。本文采用多层微波复合基板设计微波电路,以解决 TR 组件小型化问题。
  

  1电路分析

  
  1.1层级结构设计
  
  微波信号传输线属于无源器件,可以制作在复合基板中的任意层,同层间的信号传输设计简单方便, 不同层之间的信号传输互连通过通孔实现。为了提高布线密度,减小传输线线宽,将传输微波信号的参考地设计在中间任一层,即在中间层印刷大面积金属层, 为防止地的不连续性,使用通孔与背面金属层相连(通孔填充了金、银、铜等贵重金属),从而与系统微波地相连。图 1 为微波复合基板内部传输线的示意图。
  图1 微波复合基板内部传输线的示意图
  图1 微波复合基板内部传输线的示意图
  
  1.2微带线设计
  
  由图 1 可见,微带线的参考地层位于微波基板中的中间层,基板的背面为射频地层,两层通过若干接地通孔相连,保证了微波系统的一致。相较于常规微带线,该种形式微带线的参考地已不是理想的射频地,信号的传输模式发生了改变。本文对连接基板中间金属层与背面金属层的金属化通孔进行了研究, 采用图 2 所示的方式设置接地孔。
  图2 两侧设接地孔的多层微带线示意图
  图2 两侧设接地孔的多层微带线示意图
  
  将图 2 所示的接地连接方式在 HFSS 软件中建模并进行仿真分析,特性曲线见图 3。
  图3 两侧设接地孔的多层微带线仿真结果
  图3 两侧设接地孔的多层微带线仿真结果
  
  由图 3 可知,接地孔能够沿微带线传输方向对电磁场的辐射起到束缚作用,对于高频段会有较好的抑制谐振作用。通过合理设置接地通孔,将高次模出现的最低频率移至较高的频率范围,可有效抑制高次模,提高性能,扩展应用频率。
  
  1.3微带线-带状线转换结构设计
  
  通孔与微带线和带状线等微波传输线的连接方式有很多种,在三维微波互连结构中,垂直微波互连对于实现微带线和带状线之间的平稳转换、保证微波信号的有效传输是至关重要的。通过查阅大量文献资料及参考 HFSS 软件的仿真结果,最终确定选用图 4 的连接方式。
  图4 垂直通孔与微波传输线连接方式示意图
  图4 垂直通孔与微波传输线连接方式示意图
  
  综合上述分析,得出如图 5 所示的复合基板微带线- 带状线的转换结构示意图。
  图5 微带线-带状线的互连结构示意图
  图5 微带线-带状线的互连结构示意图
  

  2模型及仿真分析

  
  为简化仿真过程,避免复合基板内微带线、带状线接地性能对仿真结果的影响,三维模型建立时,将微带线参考地与带状线上层地设置成同一层,将基板背面地与带状线下层地设置为同一层, 且将微带线地设置为与背面地理想相连。
  
  本组件的复合基板分层具体见图 6,理论上整板总厚度为 1.1 mm。Top 层为微波芯片贴装层,通过微带线进行信号传输 ;Power 层为数字电路层,包含供电电路、遥测电路等 ;Stripline 层为带状线层,通过金属化孔(图中矩形为金属化孔)连接 Top 层,信号以微带线- 带状线垂直过渡形式传输,且 Gnd1、Power、Gnd2 每一层均设计金属化焊盘相匹配。
  图6 复合基板分层结构示意图
  图6 复合基板分层结构示意图
  
  组件的频率为C 波段,第6 层设计在 Stripline 层,深埋在基板中,组件的本振信号、接收通道的接收信号以及接收通道输出中频信号有部分传输路径设计在此层中,为了保证信号传输损耗最小,使用三维电磁仿真软件 HFSS 对整块复合印制板进行电磁特性仿真,其模型详见图7。模型仿真结果如图8 所示。
  图7 复合基板电磁特性仿真模型
  图7 复合基板电磁特性仿真模型
  图8 仿真结果
  图8 仿真结果
  
  由图 8 可知,在 5.25~7.65 GHz 频带范围内, 模型端口回波损耗 dB(S(1,1)) ≥ 15 dB,插入损耗dB(S(2,1)) ≤ 0.5 dB,信号的传输特性优良,设计方案可行。

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