镀金铜带搭接方式对端口特性的影响研究

刘伯文，张 伟，崔 平，王 雷

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军93205部队，新疆 马兰 841700)

0 引言

同轴连接器是微波组件最基本的输入输出单元，其装配要同时具备高可靠性和优良的传输性能。射频同轴连接器中绝缘子内导体到微带线转换过渡设计和连接工艺，是保证传输性能和可靠性的重要因素[1]。同轴连接器与微带线等传输线实现微波互联时需考虑连接过渡的稳定性和可靠性等[2-3]。直接焊接和Ω桥搭接是实现微波互联的两种重要方式，前者表现出的性能最为理想[4]，在地面设备中常用。在航空航天等特殊场合中，受温度和力学等因素的长期影响，直接焊接存在焊点开裂、性能恶化失效等隐患，而Ω桥搭接能有效避免[5]，必要时还可通过点胶加固进一步提高可靠性[6]，故Ω桥搭接更合适。该法可选用的材料有镀金铜引线、镀金铜带。带状导体较丝状导体可靠性更高[7]，直流或低频信号互联一般用镀金铜引线[8]，高频、微波信号互联则用镀金铜带。本文重点研究同轴连接器与微带间镀金铜带的搭接方式对端口特性的影响。

1 基本原理

同轴连接器与微带间通过镀金铜带Ω桥搭接的方式实现微波互联，但互联会导致连接区域的阻抗有很大差异[9]。信号传输过程中分别经过聚四氟乙烯介质同轴线、空气介质镀金铜带和介质微带线，三部分传输线级联示意图如图1所示。

图1 镀金铜带搭接级联示意图

三部分传输线的特性阻抗分别为Z1、Z2和Z3，其中，Z1为同轴线的特性阻抗，Z2代表空气介质镀金铜带的特性阻抗，Z3代表介质微带线的特性阻抗。Z1、Z2和Z3的表达式分别为[10]：

(1)

(2)

(3)

式中，b为同轴线的介质外径，a为同轴线的介质内径；εr为同轴线聚四氟乙烯介质的介电常数；W2为镀金铜带宽度，h2为铜带距金属面的高度；W3为介质微带线的宽度，h3为介质微带线的介质板厚度；εe为介质板的有效介电常数。

三部分间的阻抗失配分别用反射系数Γ12和Γ23表示(图1中虚线所示)。Γ12和Γ23的表达式分别为：

(4)

(5)

图2 镀金铜带搭接等效电路模型

综合式(1)～式(5)，即可定量求出微波互联各节点的阻抗失配程度。

互联模型同样可以用串联电阻R、串联电感L、并联电容C1和并联电容C2组成的低通滤波网络来表示[11]，如图2所示。这些参数的具体数值与同轴线与标准微带线的高度差、镀金铜带的拱高、长度和宽度等参数有关。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

在三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS中进行建模，模型如图3所示。模型中，同轴连接器选用853厂生产的SMA型插座，具有CAST-C等级产品，引线直径0.8mm，引线长度1.5mm。印制板采用介电常数为3.48，厚度为0.508mm的Rogers 4350B介质板。镀金铜带需形成一定的拱形，拱高在0.2mm～1.0mm之间，以适应温度和振动应力环境[12]。

2.2 模型优化

运用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS对图3的模型进行仿真，仿真曲线如图4所示。从图4可以发现，驻波指标较差，在4.0GHz处的电压驻波比为1.54。由图2可知，镀金铜带等效为低通滤波网络，其与同轴连接器和微带线之间均存在不连续性，这种不连续性直接影响了端口的驻波指标。

图3 镀金铜带搭接仿真模型

图4 原始模型仿真曲线

根据文献[13]中论述的三种传输线间互联的传输性能补偿方法，包括基于并联单枝节的性能补偿、基于四分之一波长变换器的性能补偿和基于微带渐变线的性能补偿。结合本研究的应用场合，最终选择基于并联单枝节的性能补偿方法。

运用电子设计自动化软件Advanced Design System进行匹配设计，将Impedance Matching插件中的单支节匹配模型(SingleStubMatch)添加到仿真电路中，如图5所示。

图5 并联单支节阻抗匹配仿真电路

从图5可以看出，电路仿真设计之前，需要得到匹配前阻抗参数ZL的值，并以此作为输入。从金带互联模型仿真结果中得到频率为4.0GHz处的S11=0.093585-j0.18846，根据输入端阻抗与反射系数关系，得出金带互联处的归一化输入阻抗为zL=(1+S11)/(1-S11)=1.115-j0.439，进而得出输入阻抗ZL=zL×Z0=55.753-j22。以该阻抗参数ZL作为电路的输入，进行针对性的匹配设计，得到并联单支节的相关参数。将得到的枝节参数运用到模型的建立中，添加并联单枝节后的模型如图6所示。运用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS对该模型进行仿真，仿真曲线如图7所示。从图7可以发现，驻波指标明显改善，在4.0GHz处的电压驻波比为1.27。

图6 并联单支节匹配后仿真模型

图7 优化后模型仿真曲线

2.3 参数扫描

镀金铜带Ω桥搭接的一些参数将直接影响等效电路中的参数值(阻值、容值和感值)，进而直接影响端口特性。为此，针对典型参数进行建模，如图8所示，图中参数H代表同轴引线最底端距离微带线的高度，参数L代表镀金铜带投影到微带线上的直线距离，参数W代表镀金铜带的宽度。

图8 参数扫描仿真模型

针对参数H进行参数扫描仿真，在L=1.5mm，W=1.0mm的前提下，分别仿真H=0.1mm、0.2mm和0.3mm三种条件下的端口驻波特性，仿真结果如图9所示。从图9可以看出，针对于4GHz频点，高度越高，驻波性能越差。

针对参数L进行参数扫描仿真，在H=0.1mm，W=1.0mm的前提下，分别仿真L=1.5mm、1.7mm和1.9mm三种条件下的端口驻波特性，仿真结果如图10所示。从图10可以看出，针对于4GHz频点，铜带投影长度越大，驻波性能越差。

图9 引线高度对驻波的影响

图10 铜带投影长度对驻波的影响

针对参数W进行参数扫描仿真，在H=0.1mm，L=1.5mm的前提下，分别仿真W=0.5mm、0.8mm和1.0mm三种条件下的端口驻波特性，仿真结果如图11所示。从图11可以看出，针对于4GHz频点，1.0mm线宽对应的驻波性能最好，0.5mm线宽对应的驻波性能最差。

综合上述三种参数对端口性能的影响，最终确定三种参数值分别为：L=1.5mm，W=1.0mm，H=0.1mm。

图11 铜带宽度对驻波的影响

图12 变频单元端口驻波实测曲线

3 工艺实现与测试结果

该镀金铜带搭接方式已运用到某星载变频单元中以实现同轴连接器与微带间的互联，镀金铜带搭接均按照L=1.5mm，W=1.0mm，H=0.1mm的参数装配。在常温(+25oC)下，用R&S ZVA 50矢量网络分析仪对该变频单元进行了全面测试，其中该变频单元工作频段下的端口驻波测试曲线如图12所示。由测试曲线可看出，采用该镀金铜带搭接方式的变频单元端口驻波性能良好，实测结果与仿真结果较为相符。

4 结束语

本文针对镀金铜带搭接方式对端口特性的影响进行了仿真分析，引入了并联单支节匹配的方式以改善端口驻波特性，并对三种关键参数(高度H、投影长度L和宽度W)对端口特性的影响进行了参数扫描仿真，星载变频单元端口驻波的实测结果进一步验证了设计的可行性。该镀金铜带搭接方式已在工程中得到应用，性能稳定可靠，有广泛的应用前景。