基于數(shù)模混壓多層板工藝的超寬帶功分器設(shè)計(jì)

魏 娟

(南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

隨著芯片集成技術(shù)與工藝的不斷發(fā)展,無線系統(tǒng)逐漸趨于小型化與集成化,相控陣設(shè)備開始大規(guī)模應(yīng)用于各種場合。射頻功分器是相控陣中的關(guān)鍵器件,其功能是將發(fā)射信號(hào)功分至多路通道中分別放大輸出,或是將多路接收通道中的信號(hào)進(jìn)行波束合成,以達(dá)到定向發(fā)射或者定向接收的目的。目前設(shè)備中微波組件收發(fā)通道數(shù)量不斷增加,而體積要求卻越來越小,因此需要開發(fā)一款多功能處理背板,將射頻功分、合路、控制、驅(qū)動(dòng)和電源等多種功能集成在一起,并采用組件直插的硬連接方式替換原先的電纜+組件+控制板互聯(lián)方式,提高系統(tǒng)的集成度。

1 設(shè)計(jì)思路

基于多層板工藝的綜合背板,通常存在以下限制:(1)信號(hào)隔離度低,射頻信號(hào)易受數(shù)字信號(hào)串?dāng)_或外界信號(hào)干擾,導(dǎo)致信號(hào)底噪變差,信號(hào)比惡化,系統(tǒng)靈敏度下降;(2)射頻信號(hào)傳輸損耗變大,需要更高的驅(qū)動(dòng)功率[1]。

本文基于數(shù)模混壓多層板工藝設(shè)計(jì)一款超寬帶功分器應(yīng)用于綜合背板中,通過將數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)層間隔離來降低數(shù)模信號(hào)相互干擾的程度;利用射頻多層板方式,將功分器、電阻預(yù)埋在中間層,減小射頻信號(hào)的空間輻射與串?dāng)_,降低損耗;通過對射頻傳輸過孔理論分析及HFSS軟件仿真優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)寬帶低損耗射頻信號(hào)傳輸功能。

2 數(shù)模混壓多層板架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于Wilkinson結(jié)構(gòu)的超寬帶功分器為帶狀線結(jié)構(gòu),采用高頻PCB印制板和半固化片(黏合膠片)制造。高頻PCB板材選擇標(biāo)準(zhǔn)是:(1)材質(zhì)硬、熱膨脹系數(shù)(CTE)小,其原因是可靠性高,強(qiáng)度大,同層不容易被拉斷;(2)介電常數(shù)(εr)穩(wěn)定性好,損耗角正切(tanφ)小的材質(zhì),以保證高頻信號(hào)性能穩(wěn)定且損耗相對較低[2-3]。

本文設(shè)計(jì)的功分器電路采用4層混壓板架構(gòu),其疊層圖如圖1所示。第一層L1 PCB與第二層L2 PCB選用Taconic的TSM-DS3,其材料成分為PTFE填料—玻纖布,介電常數(shù)約3.0,厚度10mil;中間電路L3層集成薄膜工藝電阻,增加功分器各端口間的隔離度。設(shè)計(jì)完成后,再將多層數(shù)字板(通常采用FR4板材)與微波板通過半固化片連接,組成一整塊數(shù)?；靿喊?。這樣既能保證射頻信號(hào)的完整性,減小數(shù)模信號(hào)的干擾,又能實(shí)現(xiàn)多層電路的高密度集成。

該多層板的L1層為信號(hào)轉(zhuǎn)接層,包含各類高低頻插座,其中射頻信號(hào)經(jīng)插座傳輸至L1層,再經(jīng)一小段微帶線及盲孔傳輸至L3層。L1層剩余部分及L4層為GND平面,作為帶狀線功分器的地平面,可大幅降低外部干擾信號(hào)及板上數(shù)字信號(hào)的串?dāng)_問題。選擇L3層作為帶狀線功分器的主體電路實(shí)現(xiàn)并將L2層空置的原因是半固化片高頻介電常數(shù)不穩(wěn)定,厚度相對PCB板材較薄且誤差較大,不適宜用于高頻信號(hào)的介質(zhì)層。

3 關(guān)鍵電路仿真設(shè)計(jì)

3.1 微帶—帶狀線過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4層PCB板上射頻信號(hào)通過高頻連接器與外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)互連,而連接器均位于PCB表層,因此L1層射頻微帶線一般需要經(jīng)過一段垂直過渡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微帶-帶狀線的互連。

PCB板上過渡孔外形如圖2所示,其過孔內(nèi)徑為r,過孔外徑為R,兩層平面間距為h。當(dāng)傳輸信號(hào)為低頻信號(hào)時(shí),過孔可以近似為理想的傳輸線,而隨著頻率的上升,過孔的寄生參數(shù)會(huì)逐漸影響信號(hào)的完整性,增加損耗,導(dǎo)致寬帶功分器失配。

圖2 過孔結(jié)構(gòu)

在射頻應(yīng)用中,過孔的側(cè)壁形成的圓柱體或者圓柱面,可等效為串聯(lián)寄生電感,感值大小近似為:

(1)

過孔的上下兩個(gè)焊盤可以等效為并聯(lián)寄生電容,容值大小估算為:

(2)

其中,D為反焊盤直徑，ε為介電常數(shù)。

在高頻應(yīng)用中,串聯(lián)寄生電感與并聯(lián)寄生電容可以近似形成射頻濾波器,可通過以下兩種方式降低寄生參數(shù)對射頻信號(hào)的影響:(1)調(diào)節(jié)過孔半徑、反焊盤直徑等參數(shù),將該濾波器的通帶范圍調(diào)節(jié)到功分器的功分范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的有效傳輸;(2)過渡結(jié)構(gòu)周圍增加接地孔,改善接地效果,形成類同軸結(jié)構(gòu),減小過渡孔帶來的非線性影響[4-5]。

綜上所述,采用HFSS軟件對過孔進(jìn)行建模,并通過調(diào)節(jié)過孔參數(shù)及外圍接地電路等結(jié)構(gòu)優(yōu)化其在SC波段的性能,如圖3所示。仿真模型采用4層射頻板,板材參數(shù)如本文第二部分所述,仿真結(jié)果如圖4。從仿真結(jié)果可以看出,該射頻過孔在S波段,其優(yōu)化后的回波損耗全頻段均小于-20dB,插損約為0.1dB,整體性能符合使用要求。

圖3 過孔仿真模型

圖4 過孔仿真結(jié)果

3.2 功分器仿真

本文設(shè)計(jì)的SC波段一分四功分器,由3個(gè)一分二功分器級(jí)聯(lián)而得。該一分二功分器采用帶狀線式Wilkinson結(jié)構(gòu),具有駐波好、損耗低的特點(diǎn),同時(shí)采用隔離電阻提高端口隔離度。單級(jí)的Wilkinson工作頻段較窄,難以覆蓋SC波段。本文采用多級(jí)阻抗變化級(jí)聯(lián)的方法來拓展功分器帶寬,即通過增加功分器級(jí)聯(lián)節(jié)數(shù),犧牲插入損耗的方式拓展帶寬[6-7]。

利用ADS軟件中無源電路自動(dòng)設(shè)計(jì)功能,設(shè)置仿真環(huán)境為4層印制板,板材厚度為10mil,介電常數(shù)為3.0,工作頻帶覆蓋SC波段,可得所需的功分器電路初步節(jié)數(shù)與尺寸。將理論計(jì)算數(shù)據(jù)代入HFSS軟件中建模,得到仿真模型如圖5所示[8]。

圖5 一分二功分器仿真模型

對該模型進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后隔離電阻R1、R2、R3取值分別為180Ω、200Ω、200Ω,可得仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出,該波段一分二功分器插損小于4dB,隔離度大于20dB,回波損耗大于12dB。

圖6 一分二功分器仿真結(jié)果

在圖3過孔結(jié)構(gòu)及圖5一分二功分器的基礎(chǔ)上進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化,可得SC波段一分四功分器的仿真結(jié)果,如圖7所示。該功分器插損小于7dB,隔離度大于24dB,回波損耗小于14dB。各項(xiàng)仿真結(jié)果均滿足使用要求。

圖7 一分四SC波段功分器仿真結(jié)果

4 測試結(jié)果

對該電路進(jìn)行實(shí)物加工并調(diào)試,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果如圖8所示。從實(shí)測結(jié)果可以看出,2.7GHz～6.2GHz內(nèi),該電路的插損小于8dB,駐波小于1.6dB,隔離度大于25dB,滿足設(shè)計(jì)與使用要求。表1所示為該電路4個(gè)射頻通道的幅相一致性,以通道1為基準(zhǔn),可得其相位一致性為小于等于±7°,幅度一致性為小于等于±0.5dB。

圖8 實(shí)測結(jié)果

表1 4通道幅相一致性

實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相近,存在的一些區(qū)別經(jīng)分析,原因可能包括:(1)仿真未帶入射頻接頭模型,會(huì)引入額外損耗及匹配失配現(xiàn)象;(2)PCB加工精度存在公差,與理想仿真模型并不完全一致。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于數(shù)模混壓多層板的超寬帶帶狀線一分四功分器。該多層板位于電路板的上四層,射頻信號(hào)通過插座饋入至多層板的L1層,經(jīng)過匹配優(yōu)化后的過孔傳輸至第三層,經(jīng)四等分后再通過頂層輸出。在HFSS軟件中對該電路進(jìn)行了建模與優(yōu)化,并制作了實(shí)物測試。實(shí)測結(jié)果近似仿真結(jié)果,其駐波小于1.6dB,總插損小于8dB,通道間隔離度大于25dB,具有幅相一致性好,集成度高、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),大幅減小了設(shè)備的尺寸與復(fù)雜度,符合實(shí)際工程需求。該電路可應(yīng)用于多通道組件的綜合背板上,實(shí)現(xiàn)射頻及供電控制信號(hào)的高密度集成,能有效減小電路尺寸,降低接線的復(fù)雜度。