无背钻孔的微波板间垂直互连研究

凌天庆

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

雷达系统发展方向是功能多样化、工作频率宽带化、体积小型化、重量轻型化，阵面应用的集成综合馈电网络一体化规模日益增大。目前，高频段综合馈电网络分为微波多层印制板及混压多层印制板。微波多层印制板主要由多层微波板通过半固化片多次层压制作而成;混压多层印制板是利用半固化片将多层微波板及环氧板多次混压而成［1］。

当多层带状线层压后，它们之间的微波信号传输有多种形式:耦合式、直通式，准同轴式及准带线式等垂直过渡。耦合式的带宽窄，损耗大;直通式的工作频率低;准同轴或准带线式的带宽宽，损耗小，应用比较广泛。本文重点讨论准同轴式垂直过渡，设计模型同样适用于准带线垂直过渡。

常规准同轴垂直过渡模型中的信号过渡孔的制作流程如下:首先，制作金属化孔贯穿上下地层及需要互连的信号线路;然后，将金属化孔的两端背钻一定长度，保证金属化孔只与要互连的电路相连。层压印制板的平整度及背钻孔的控深误差会导致背钻孔加工过浅或过深，从而影响垂直互连的电性能，情况严重时整块多层板报废。微波信号的工作频率越高，多层板报废的概率越大。

在具体应用频带内，为了简化制板工艺，降低多层板的报废率，提高垂直互连信号的一致性，本文提出了一种新的无背钻孔的垂直互连模型。

1 原理分析

图1给出了微波多层板的常用结构叠层形式。微波信号通过两层带状线电路传输。图中的层L1、L2、L3及L4构成了一层带状线结构，层L5、L6、L7及L8构成了另一层带状线电路。层L1与L2、L2与L7及层L7与L8之间有微波信号传输。层L1、L4、L5及L8为微波地层，通过金属化孔实现微波地互连。

图1 纯微波多层板结构

多层板内微波信号的传输形式通过图2的准同轴垂直过渡实现。

图2 常用准同轴垂直过渡仿真模型

八层微波板的制作流程分为以下几步:1.将每一层的电路蚀刻成型;2.制作层L1与L2、层L7与L8之间的金属化通孔;3.分别将层L1～L4及L5～L8通过半固化片层压成带状线电路;4.制作金属化通孔将两层带状线的微波地互连;5.通过半固化片将两层带状线板层压;6.制作金属化通孔实现两层带状线微波地互连及垂直互连中心孔的互连;7.利用背钻将层L2与层L7之间垂直过渡的中心孔上下钻去一层微波板厚的深度(深度通常比板厚小0.1 mm左右)。图3为加工成型后的垂直互连中心孔的剖面图。

图3 准同轴垂直互连中心孔剖面图

从制作步骤可以看出:层L2与L7之间的互连孔是由层L1～L8之间的金属化通孔背钻实现。

准同轴线垂直互连是由同轴线形式演变而成的，因此，计算它的阻抗时仍引用同轴线阻抗公式。

准同轴线垂直互连的阻抗公式为

式中:εr为同轴线内介质材料的介电常数;a为垂直互连中心孔的直径;b为垂直互连接地孔围成的准圆柱内径。图4为垂直互连结构尺寸示意图。

图4 准同轴线垂直互连变换横切面尺寸图

垂直互连最小工作波长为

垂直互连中心孔的直径确定后，阻抗通常选50 Ω，这样可以确定垂直互连的结构尺寸，根据式(2)可以计算垂直互连的最高工作频率。接地孔的直径可根据需求调整［2-6］。

为了取消反钻孔，将中心孔在长度方向延长至多层板的上下表面，在上下表面中心孔的端头保留一圆形铜箔作匹配用，并蚀刻去部分铜箔使中心孔与上下接地面隔离，如图5所示。

图5 无反钻孔的准同轴垂直互连中心孔剖面图

垂直互连中心孔的延长段及末端保留的部分铜箔等效于在垂直互连的中心内导体与带线连接处加接一段开路线。

垂直互连中心孔延伸长度为单层微波板的厚度，一般取值为1 mm、0.5 mm或0.25 mm。针对图5的仿真模型，下面分析垂直互连中心孔延长后的性能变化。

印制板厚度取常用典型值1 mm，介电常数为2.94。所有金属化孔孔径为0.6 mm。优化后，得到如图6所示准同轴垂直互连的驻波仿真曲线，该互连结构工作频率可到20 GHz。

图6 背钻孔实现的垂直互连驻波仿真曲线

将模型中的背钻孔用金属化通孔代替，增加一段空气柱，保证仿真时中心孔延长段的开路特性。图7为垂直互连孔延长后的仿真模型，图中其他尺寸先不改变，仿真后得到图8的驻波特性曲线。此时，垂直互连的工作频率只能达到4 GHz。对比图6与图8的曲线，当垂直互连的最高工作频率低于4 GHz时，其中心孔两端延长0.5 mm对垂直互连孔的电性能影响不大。当工作频率继续提高后，电性能变化越来越大。

图7 中心孔延长后的垂直互连仿真模型

图8 中心孔延长后的垂直互连驻波仿真曲线

2 仿真模型建立

为了提高中心孔延长后的垂直互连结构的工作频率，需要对垂直互连结构进行阻抗匹配。本文选择了两处匹配点:一是中心金属化孔的末端增加圆形匹配铜箔;二是带线与中心孔连接处附近增加阻抗变换段。

垂直过渡中心孔增加匹配段后的结构形状如图9所示。微波信号主要在其表面传输。

图9 增加匹配段的无背钻孔垂直互连内导体

基于该种匹配形式的垂直互连结构，建立仿真模型。选择厚度为1 mm的微波板CLTE-XT-02055，介电常数为2.94，微波板间层压固化片选择介电常数为3.0的FR28-040材料。通过软件可计算出带线的宽度为1.3 mm。所有金属化孔直径取0.6 mm，七个屏蔽孔分布在直径为5 mm的圆周上，上下表面匹配铜箔直径为1 mm，铜箔厚度为0.5，输入输出带线的夹角为0°，带线匹配段为1.5 mm×1mm，距离中心孔1 mm。垂直过渡模型的外形宽为8 mm，长为8 mm。图10为无背钻孔的垂直互连仿真模型。

图10 0°夹角无背钻孔垂直互连仿真模型

3 仿真优化

利用ANSOFT软件，仿真建立的无背钻孔准带线垂直过渡模型，仿真频率设置为0.5 GHz～20 GHz。初步的性能指标显示垂直互连的最高工作频率不高。为了进一步提高垂直互连的性能，现将垂直互连中的部分尺寸参数化。包括屏蔽孔直径、表面匹配圆形铜箔直径、带线匹配段的位置及长宽尺寸等。利用软件对参数进行手动或自动扫描计算。

优化后的驻波损耗曲线如图11、图12所示。从图中可以看出工作频率可以达到18 GHz。驻波仿真值小于-25 dB，损耗仿真值小于0.1 dB。

图11 无背钻孔垂直互连驻波仿真曲线

图12 无背钻孔垂直互连损耗仿真曲线

4 试验验证

针对0°夹角无背钻孔垂直互连，制作了具体应用试验件。为了方便制作和测试，试验件采用了两个垂直过渡孔互连的印制线路。试验件由八层电路构成，上下面(L1层、L8层)电路如图13所示，L2层、L7层电路所图14、15所示，L4层、L5层为地层，L3层、L6层光板。输入输出采用压接式SMA接头，试验件实物照如图16所示。

图13 试验件上下面电路

图14 试验件L2层电路

图15 试验件L7层电路

图16 试验件实物照

利用矢量网络分析仪测试试验件，其中一个端口的驻波曲线如图17所示，两端口间的传输损耗曲线如图18所示。

图17 端口驻波曲线

图18 两端口之间损耗曲线

从测试曲线看，试验件的驻波、损耗没有仿真优化的数据理想。可能的原因有:试验件中包含2只垂直互连，仿真时只有一只;印制板的设计制造误差引起;SMP转SMA的测试接头性能指标不高引起。但是，当工作频率小于18 GHz时，试验件的驻波基本小于-20 dB，损耗小于0.8 dB。该种形式的无背钻孔垂直互连完全可以工程应用。

5 结束语

本文针对多层印制板中常用的垂直过渡，提出了一种设计制作简单、性能一致性好的无背钻孔垂直过渡形式。文中仿真优化了0°夹角的无背钻孔垂直过渡模型，并制作了试验验证件。仿真试验结果表明0°夹角的无背钻孔垂直过渡最高频率达到了18 GHz，完全适合工程应用。

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