Ka波段寬帶波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 柳,陳曉峰,鄭惠文,吳世國,劉振罡,張海峰

(上海航天電子有限公司,上海 201821)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)集成技術(shù)的高速發(fā)展,毫米波通信技術(shù)因其波長短、通信容量大等特點(diǎn)而獲得廣泛使用。作為毫米波技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)的重要載體,單片微波集成電路組裝(monolithic microware integrated circuit,MMIC )作為單元電路,因其可實(shí)現(xiàn)多路功率合成的方式也日益被廣泛應(yīng)用。然而在實(shí)際應(yīng)用中,受限于MMIC電路所采用的功放芯片輸出功率有限,且多需進(jìn)行氣密性封焊使用,為了更便于后續(xù)電路連接,且實(shí)現(xiàn)大功率輸出,在毫米波電路和工作系統(tǒng)中必須進(jìn)行傳輸線形式更換[1]。

當(dāng)前工程上常用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有脊波導(dǎo)、鰭線、波導(dǎo)-同軸、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換等形式。但對(duì)于毫米波組件而言,部分波導(dǎo)結(jié)構(gòu)雖可在一定帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)指標(biāo),但是在應(yīng)用中依據(jù)電路性能、空間使用、組裝可實(shí)施等需求,上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)存在一定的生產(chǎn)及使用問題,以脊波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)為例,受限于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間尺寸大,不適合小型化微波組件產(chǎn)品需求[2-4]。因此,對(duì)于毫米波組件,尤其是Ka頻段組件必須結(jié)合組件性能需求,設(shè)計(jì)滿足高輸出功率需求且可依托過程實(shí)施的低損耗的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換裝置。胡榮等[5]研究表明,與其結(jié)構(gòu)相比,波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),因波導(dǎo)腔與微帶相互正交且所占空間較小,而被廣泛應(yīng)用于毫米波頻段[5]。張文濤等[6]研究設(shè)計(jì)了一款基板平行于波導(dǎo)傳輸方向的E波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并通過仿真分析可在ka波段33G～38G頻段內(nèi)獲得損耗低指標(biāo)。肖鈺等[7]研究設(shè)計(jì)了一種新型的垂直形式的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),可在34G～36.5G帶寬內(nèi)具有較好性能。解冰一等[8]通過采用漸變型波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),研制出一款可進(jìn)行匹配進(jìn)行功率組合的16W功能模塊。但是上述結(jié)構(gòu)中微帶電路存在不能密封的問題,且多為背靠背設(shè)計(jì)形式結(jié)構(gòu)空間大。僅張兵等[9]、宋志東等[10]研究設(shè)計(jì)了滿足波導(dǎo)到微帶密封的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),依托傳輸線轉(zhuǎn)換同軸再通過同軸過渡微帶,這種形式可為微帶及芯片起到一定的保護(hù)作用,但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然采用探針底部穿入,在同軸和微帶之間存在明顯的階梯不連續(xù)性。

綜上研究發(fā)現(xiàn),基于毫米波頻段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換雖有一定的研究,但是在Ka波導(dǎo)的寬頻帶高功率輸出的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。本文結(jié)合Ka波段33.5G～35.5G頻段功放產(chǎn)品小型化、高功率輸出需求,設(shè)計(jì)研發(fā)了滿足Ka功放產(chǎn)品飽和輸出功率40dBm～42dBm需求的共面輸出新型波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),通過在波導(dǎo)微帶探針結(jié)構(gòu)中引入共面波導(dǎo)間的寬帶互聯(lián)結(jié)構(gòu),大大提高了產(chǎn)品高功率輸出穩(wěn)定性,同時(shí)有效保證了微帶電路的氣密封裝,大大縮小了功放體積。

1 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)分析

本次Ka波段功放組件的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬采用波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換形式,這是由于其一、微帶探針是源于同軸探針設(shè)計(jì)的常用過渡結(jié)構(gòu);其二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,微帶探針可選擇波導(dǎo)中的電磁波與微帶平行或垂直。微帶探針進(jìn)入波導(dǎo)后,與波導(dǎo)中的電磁波進(jìn)行耦合作用,探針在某種意義上成為電探針。探針電流的大小和微帶探針插入的位置有關(guān),探針中心處距短路面處的長度假定為l,通常l為四分之一波長,這也是由于在四分之一波長的位置,探針處于波導(dǎo)的最大磁場位置,確保耦合效率最大[11-13]。

根據(jù)波導(dǎo)場傳播方向和基片平面所在位置設(shè)計(jì),波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換可區(qū)分為是E面探針和H面探針,兩者探針結(jié)構(gòu)相同,區(qū)別在于E面結(jié)構(gòu)的微帶探針保持與電磁波傳播方向平行,而H面的微帶探針與電磁波傳播方向垂直,如圖1、2所示?？紤]到電磁波傳播方向及產(chǎn)品電路結(jié)構(gòu),本次Ka波段功放產(chǎn)品選擇E面探針的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì),基于微帶探針平面與電磁波傳播方向平行的特點(diǎn),此種結(jié)構(gòu)也更加適用于應(yīng)用于瓦片式TR組件用功放產(chǎn)品的立體電路輸出需求。

圖1 E面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of E plane waveguide

圖2 H面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of H plane waveguide

此外,對(duì)于探針轉(zhuǎn)換而言,探針的尺寸、窗口的大小都會(huì)影響到能量的耦合,為了減少腔體內(nèi)能量輻射,耦合窗口不宜開得過大,在仿真之前需進(jìn)行理論計(jì)算。以假設(shè)在矩形波導(dǎo)單模傳輸條件下,探針的輸入阻抗如式(1)所列:

Zin=Rin+Xin

(1)

式中:Zin為輸入阻抗,Rin為輻射電阻,Xin為引入的虛部阻抗。

上式中的輻射電阻R和引入虛部電抗X如式(2)、(3)所列,通過(2)-(3)計(jì)算獲得:

(2)

(3)

式中:Zo為真空平面波阻抗,ko為真空波數(shù),β10為TE10模相位常數(shù),d為探針長度,l探針中心距短路面的距離。

由上式可知,探針引入的輻射阻抗和電抗都可以通過探針長度d和探針中心距短路面的距離l來改變,通過調(diào)節(jié)d和l的大小,使輻射阻抗等于微帶線的特性阻抗,同時(shí)盡量使電抗值接近零,從而完成精確匹配過程。

2 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計(jì)

本次功放輸出的波導(dǎo)口根據(jù)產(chǎn)品的工作帶寬、輸出功率及外接端口要求,最終選取具有高功率容量和高Q值特性的矩波導(dǎo)作為傳輸結(jié)構(gòu),尺寸為2.0mm×7.11mm,設(shè)計(jì)波導(dǎo)內(nèi)部采用鍍金處理。為更好地匹配射頻輸出,本次波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)為兩種結(jié)構(gòu),分別為一段式結(jié)構(gòu)和兩段式結(jié)構(gòu),如圖3、4所示,介質(zhì)基板分別選用介電常數(shù)為3.0的TSM-DS3材料和介電常數(shù)為9.6的氧化鋁陶瓷薄膜探針。其中,介質(zhì)基板厚度為0.254mm,微帶線厚度為35.0μm,鍍金層厚度2.0μm;陶瓷薄膜基板厚度為0.254mm,鍍金厚度為2.0μm。設(shè)計(jì)完畢后利用HFSS對(duì)微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行建模仿真,仿真圖形及結(jié)果如圖5、6所示。

圖3 一段式波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換基板及結(jié)構(gòu)示意(分體式結(jié)構(gòu))Fig.3 Diagram of single parts microstrips(separate structure)

圖4 兩段式波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換基板及結(jié)構(gòu)示意(一體式結(jié)構(gòu))Fig.4 Diagram of two parts microstrips (intergreted structure)

圖5 一段式微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換模型及仿真Fig.5 HFSS simulation of single part microstrip

圖6 兩段式微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換模型及仿真Fig.6 HFSS simulation of two parts microstrips

從圖5、6看出,采用一段式和兩段式微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)基板設(shè)計(jì),微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的回波損耗S(1,1)在工作頻段內(nèi)小于-20dB,插損S(2,1)小于0.1dB,均滿足最初設(shè)計(jì)要求。從仿真結(jié)果可知,基板和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更改可以滿足射頻輸出可行性。

3 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組裝

結(jié)合波導(dǎo)場分布原理及微帶探針輸入阻抗公式分析:

(1)波導(dǎo)端開口的尺寸不宜過大,過大的開口尺寸會(huì)影響電場在波導(dǎo)中的分布;

(2)波導(dǎo)腔短路面表面加工精度和平整度,鍍金層的平整度和一致性,將嚴(yán)重影響波導(dǎo)場分布情況;

(3)R,X的值與探針長度l以及探針與短路面的距離d之間有密切關(guān)系,組裝過程中需不斷調(diào)節(jié)l和d的值,直至達(dá)到所需最佳傳輸條件;

基于組裝原理解析,為有效驗(yàn)證波導(dǎo)口設(shè)計(jì)仿真到組裝實(shí)踐的可行性,本次微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證集中在三點(diǎn),分別是位置精度控制、腔潔凈度控制、波導(dǎo)腔機(jī)殼加工質(zhì)量控制[14-15]。兩種波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)分別采用驗(yàn)證結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接測試,詳見圖7、8所示。

圖7 分體式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of the separate structure

圖8 一體式驗(yàn)證結(jié)示意圖Fig.8 Diagram of the intergraded structure

考慮波導(dǎo)端微帶轉(zhuǎn)換接地及使用可靠性,本次波導(dǎo)口輸出全部通過軟釬焊來實(shí)現(xiàn)微帶優(yōu)接地目標(biāo),過程采取阻焊防護(hù)控制焊料潤濕區(qū)域,在確保微帶接地的同時(shí),采取有效措施確保短路面光潔,控制天線位置精度[16-18]。其次,考慮探針位置對(duì)組裝性能影響較大,本次波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)于微帶組裝位置精度的控制,采用可視化焊接實(shí)現(xiàn)。焊接完成后采用體式顯微鏡和X-ray進(jìn)行表面位置和底部焊透率檢驗(yàn),詳見圖9、10所示。

圖9 一段式微帶轉(zhuǎn)換焊接形貌Fig.9 Solder morphology of the single microstrip

圖10 兩段式微帶轉(zhuǎn)換焊接形貌Fig.10 Solder morphology of the single microstrip

從圖9、10可以看出,經(jīng)過光鏡檢驗(yàn),波導(dǎo)端基板對(duì)位準(zhǔn)確,焊接后無明顯位移;基板表面微帶無明顯焊料飛濺沾污;波導(dǎo)腔體內(nèi)部短路面無可見焊料溢出。經(jīng)X-Ray 透視檢驗(yàn),焊接后波導(dǎo)腔矩形邊界清晰,短路面無錫珠等多余物擴(kuò)散、飛濺,焊接潤濕良好,底部焊透率滿足95%的要求。

4 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)指標(biāo)測試

微帶探針組裝完畢后進(jìn)行電性能指標(biāo)測試,結(jié)果如表1所列,一段式微帶轉(zhuǎn)換波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高頻段的輸出功率指標(biāo)偏小,且在偏離600M位置處有雜散信號(hào)。輸出功率是衡量功放性能的重要判據(jù),輸出功率指標(biāo)與功率芯片功能直接相關(guān)外,也與波導(dǎo)端組裝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密不可分。本次Ka功放組裝采用同批次芯片,同工藝組裝,在過程控制方面差異性較小。

表1 Ka功放產(chǎn)品電性能測試結(jié)果Tab.1 Test results of the Ka power module

通過反復(fù)測試及分析可知,一段式波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單面分體式波導(dǎo)接觸結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)波導(dǎo)端及蓋板的加工難度和加工一致性難度較小,但也由于是分體式接觸,結(jié)構(gòu)件公差容易出現(xiàn)不適配,造成能量泄漏,在一定程度上對(duì)輸出功率造成影響。而兩段式微帶轉(zhuǎn)換采用一體式波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并對(duì)波導(dǎo)處的蓋板進(jìn)行了臺(tái)階設(shè)計(jì),對(duì)比分體式結(jié)構(gòu)的單面接觸縮短了整體接觸面,對(duì)腔高、腔寬分別進(jìn)行了調(diào)整控制,在一定程度上能實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)端結(jié)構(gòu)加工及組裝間隙公差控制在20.0μm或接近20.0μm的要求,同時(shí)在微帶頂部蓋板處增加了螺釘緊固數(shù)量,進(jìn)一步避免了信號(hào)分布泄漏,如圖11、12所示。

圖11 分體式波導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.11 Separate structure of the power module

此外,在介質(zhì)基板及探針電路使用方面,一段式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)微帶加工采用單片TSM-DS3基板實(shí)現(xiàn)探針及轉(zhuǎn)接功能;而兩段式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)微帶加工采用氧化鋁陶瓷基片用于探針功能,TSM-DS3用于微帶轉(zhuǎn)換。 探針及微帶電路的選擇與加工精度也對(duì)整體指標(biāo)有重要影響。由于介質(zhì)基板制造過程中存在機(jī)械切割加工公差、印制電路制造公差及過程組裝公差,導(dǎo)致基板在后續(xù)組裝過程中與波導(dǎo)腔壁內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生錯(cuò)位,進(jìn)而導(dǎo)致微帶插針插入深度存在差異,探針插入一致性直接影響探針引入的輻射阻抗和電抗,而這些在毫米波頻段以上影響十分突出,也是影響波導(dǎo)精確匹配的關(guān)鍵。采用氧化鋁陶瓷進(jìn)行探針加工可在一定程度上精確控制波導(dǎo)端的結(jié)構(gòu)參數(shù),包括探針長度、寬度等。另外,兩段式微帶中間增加金絲鍵合,原則上金絲介入由于電感效應(yīng)的存在極易產(chǎn)生阻抗不匹配,但是在兩段式波導(dǎo)微帶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中,鍵合金絲兩段分別與低阻抗傳輸線和探針串聯(lián),此種使用在一定程度上消除了金絲的等效電感,進(jìn)而完成了阻抗匹配[19]。這種新型的毫米波共面波導(dǎo)間的寬帶互聯(lián)結(jié)構(gòu),在一定程度上也是兩段式微帶性能優(yōu)于一段式微帶且保持穩(wěn)定的重要因素。

5 結(jié)論

文章基于E面波導(dǎo)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)滿足Ka功放產(chǎn)品高功率輸出的共面波導(dǎo)—微帶探針結(jié)構(gòu),并通過HFSS仿真分析、組裝實(shí)踐探索和指標(biāo)測試等方面進(jìn)行分析、對(duì)比一段式分體波導(dǎo)和兩段式一體波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣,提出了滿足Ka功放使用需求的一體式波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換工藝結(jié)構(gòu)以及兩段式微帶焊接工藝方法。通過顯微觀察和X-ray 檢驗(yàn)驗(yàn)證了焊接質(zhì)量。通過對(duì)功放產(chǎn)品的主要指標(biāo)進(jìn)行測試,進(jìn)一步驗(yàn)證了一體式波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和微帶焊接的可操作性,印證了毫米波共面波導(dǎo)間寬帶互聯(lián)結(jié)構(gòu)的特性使用。為后續(xù)Ka頻段產(chǎn)品及其他毫米波頻段產(chǎn)品需求波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換提供了一定的設(shè)計(jì)和工藝保證。