組裝方法對(duì)微波模塊VSWR的影響

劉炳龍，唐 亮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031）

1 引言

電壓駐波比（VSWR）作為檢測(cè)微波組件最重要的指標(biāo)之一，是電路設(shè)計(jì)與制造水平的綜合反映，其數(shù)值的高低決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。在產(chǎn)品的制造過(guò)程中，對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行有效控制以保證產(chǎn)品具有良好的電壓駐波比是很有必要的。因此，找出影響電壓駐波比的因素對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量是有必要的。

2 電壓駐波比

微波電路作為分布參數(shù)電路而言，信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電路的微帶線(xiàn)長(zhǎng)。信號(hào)線(xiàn)上入射波與反射波相互作用形成了駐波。電壓駐波比S是傳輸線(xiàn)上最大電壓與最小電壓的比值，反映了在不同條件下反射回源端的信號(hào)能量[1]。電壓駐波比是反映傳輸線(xiàn)波阻抗不均勻性的參數(shù)，它定義為：

式中ρ為輸入端反射系數(shù)。

VSWR與反射系數(shù)ρ一樣，可用來(lái)描述傳輸線(xiàn)的工作狀態(tài)。其大小反映了信號(hào)的反射情況，尤其是在微波模塊中，VSWR衡量了一個(gè)微波器件在系統(tǒng)中的匹配情況，也是分析微波器件和微波模塊特性的重要依據(jù)。

3 影響電壓駐波比的因素分析

微波組件的VSWR主要受器件參數(shù)、器件間的級(jí)聯(lián)匹配和裝配工藝等因素影響。在實(shí)際應(yīng)用中，微波組件內(nèi)部的阻抗不匹配程度越大，組件的插入損耗( IL) 、VSWR也相應(yīng)增加，而且這種影響隨著工作頻率的增加會(huì)越來(lái)越明顯。在生產(chǎn)過(guò)程中，接地效果、裝配間隙和互連工藝的變化，都會(huì)使組件的VSWR變得不穩(wěn)定。電壓駐波比是反映傳輸線(xiàn)波阻抗不均勻性的參數(shù)，因此可以將對(duì)電壓駐波比的分析轉(zhuǎn)換為對(duì)波阻抗不均勻性的分析。

3.1 接地效果對(duì)電壓駐波比的影響

微波器件接地不良或局部接地不良必會(huì)引起電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致幅頻持性變化乃至自激；接地不穩(wěn)定、不可靠是造成電路性能不穩(wěn)定和變化的主要原因。微波電路基片采用面焊接技術(shù)，把基片釬焊到電路盒體是最佳的接地方案。而釬透率直接反映接地效果，是整個(gè)技術(shù)的重要指標(biāo)。電路基板的大面積接地釬焊的缺陷對(duì)微波電路的性能影響較大，而釬焊的缺陷是隨機(jī)分布的，通過(guò)工藝過(guò)程中采取相應(yīng)措施，減少釬焊缺陷，提高釬焊的釬透率，保證微波電路基板的釬焊可靠性、一致性。

3.2 裝配間隙對(duì)電壓駐波比的影響

裝配間隙大，微帶板與芯片焊盤(pán)互連線(xiàn)變長(zhǎng)，互連線(xiàn)長(zhǎng)度加大，電感量也隨之加大，微波信號(hào)傳輸過(guò)程損耗變大，造成電壓駐波比變大；互連線(xiàn)長(zhǎng)度相同，信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性在有介質(zhì)和無(wú)介質(zhì)狀態(tài)不同，裝配間隙使得互連線(xiàn)下方無(wú)介質(zhì)，微波信號(hào)傳輸過(guò)程會(huì)造成信號(hào)傳輸?shù)牟贿B續(xù)性，也會(huì)使電壓駐波比變大。

3.3 互連工藝對(duì)電壓駐波比的影響

與低頻數(shù)字電路不同，高頻微波電路中，鍵合引線(xiàn)本身產(chǎn)生的微波效應(yīng)是影響多芯片組件微波性能的一個(gè)重要因素。理論上要求鍵合引線(xiàn)越短越好，即引線(xiàn)的拱高越低、跨距越短，則由引線(xiàn)產(chǎn)生的寄生電感和電阻就越小，從而對(duì)微波傳輸特性的影響越小。但由于多芯片微組裝工藝條件的限制，鍵合引線(xiàn)的實(shí)際跨距往往比電路設(shè)計(jì)要求的大；而且引線(xiàn)也不能絕對(duì)平直，因?yàn)槠街币€(xiàn)沒(méi)有伸縮余地，在受到溫度沖擊或振動(dòng)時(shí)容易斷裂，必須要有一定的弧度和拱高才能保證鍵合的可靠性。因此，引線(xiàn)的長(zhǎng)度就難以達(dá)到理論上要求的最短化，由此產(chǎn)生的寄生電感較大，致使實(shí)際的微波特性與設(shè)計(jì)值相比有較大偏差。這時(shí)就可以通過(guò)增加鍵合引線(xiàn)的根數(shù)來(lái)彌補(bǔ)上述缺陷。采用兩根或多根并行的金絲實(shí)現(xiàn)鍵合互連時(shí)可降低串聯(lián)電感，其效果接近平直簡(jiǎn)短的單根引線(xiàn)，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣纱蠓档?，便可得到較好的微波特性[3]。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

4.1 接地效果驗(yàn)證試驗(yàn)

將微帶板通過(guò)焊接方式裝入測(cè)試架，利用X-Ray檢測(cè)焊接效果，通過(guò)選擇兩種焊接釬透率不同的試驗(yàn)件進(jìn)行電壓駐波比規(guī)律摸索試驗(yàn)，見(jiàn)表1。通過(guò)回波損耗測(cè)試數(shù)據(jù)分析，我們可以得出，焊接釬透率越高，接地效果越好，駐波越小，50Ω微帶線(xiàn)的接地效果不同時(shí)對(duì)VSWR影響非常大。

表1 焊接效果S21測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)表

4.2 裝配精度驗(yàn)證試驗(yàn)

應(yīng)用相同的工藝組裝3件5dB均衡器的樣件，分別為微帶線(xiàn)開(kāi)芯片安裝槽比芯片尺寸大0.05mm的樣件C1、微帶線(xiàn)開(kāi)芯片安裝槽比芯片尺寸大0.2mm的樣件C2和微帶線(xiàn)拼接安裝孔比芯片尺寸大1.5mm的樣件C3。通過(guò)電測(cè)分析，C1樣件的VSWR＜1.67，C2樣件的VSWR＜1.8，C3樣件的VSWR＜2.3，XY方向裝配間隙越大，微波信號(hào)的插損和駐波越大（見(jiàn)表2）。應(yīng)用相同的工藝組裝兩件6dB均衡器的樣件，目視樣件的組裝平坦度不同，通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)表3），我們得出組裝Z軸方向精度偏差越小越有利于信號(hào)傳輸，減小微波信號(hào)的插損和駐波。

表2 5dB均衡器回波損耗測(cè)試對(duì)比表

表3 6dB均衡器回波損耗測(cè)試對(duì)比表

4.3 互連方法驗(yàn)證試驗(yàn)

將HMC460裝載在測(cè)試架上，分別通過(guò)金絲鍵合、金帶鍵合和金箔鍵合等互連方式對(duì)比試驗(yàn)，比較樣件電壓駐波比的變化。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置Vdd=8V，Vgg=-1.0V，G=15dB（2GHz），13dB（18GHz）；VSWR在18GHz時(shí)≥2，在輸入微帶線(xiàn)上貼金箔，VSWR改善＜2，Gain變得平緩下降，曲線(xiàn)走勢(shì)改善。依據(jù)電訊測(cè)試駐波比得出結(jié)論，多線(xiàn)鍵合使鍵合引線(xiàn)總的寄生電阻和電感減小，使信號(hào)傳輸線(xiàn)的特性阻抗降低，從而減小了微波信號(hào)的插損和駐波。金絲鍵合、金帶鍵合和金箔鍵合三種互連方法比較，金箔互連對(duì)傳輸線(xiàn)的匹配效果最好，回波損耗最低，VSWR最小。見(jiàn)表4、表5。

表4 金絲鍵合根數(shù)對(duì)駐波的影響對(duì)比表

表5 不同互連形式S21電測(cè)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果分析表明，接地效果、裝配間隙、互連工藝是影響組件電壓駐波比的重要因素。通過(guò)此專(zhuān)題試驗(yàn)的研究，我們得到了組件組裝降低電壓駐波比的一些控制方法。

[1]李健，董軍. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)（DOE）在射頻電纜裝配工藝研究中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程，2005（4）：16-18.

[2]范疇康. 微波技術(shù)與微波電路[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]陸敏暖. 微波控制電路中PIN管的引線(xiàn)互連技術(shù)[J]. 電子工藝技術(shù)，2008，29（6）：334-337.