一种有高度差的射频传输方法研究

郭立涛

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 054000）

0 引言

目前，微波组件的应用环境越来越复杂，使用场合也越来越多，当前微波组件正朝着小型化、高集成、多通道、高效率的方向发展。微波组件由装在不同电路板上的裸芯片组成一个完整的射频传输链路。正常设计中，要求整条射频链路上不同功能的射频器件输入、输出端口级联时的高度差不大于0.2mm，否则由于引入的寄生效应，射频传输的连续性被破坏。回波损耗和插入损耗会有不同程度的恶化，工作频率越高，影响越明显。在射频组件小型化和高集成的应用场景下，微波组件的输入端口和输出端口不在一个水平面上的情况越来越多。随着技术的发展，射频组件的工作频率不断提高。为了适应工程应用对射频组件的新需求，并降低射频传输链路失配对传输特性的影响，本文提出了一种新颖的满足小型化和高集成射频组件使用的一种有高度差的射频传输线过渡方法。

1 具有高度差的射频传输链路解决方案

在一款Ku 波段微波组件设计过程中，为了匹配后前级射频功能模块和后级射频功能模块的整体布局，微波组件的射频输入端的SMP 连接器和射频输出端SMP 连接器设计在不同的参考平面上，互联结构如图1所示。

图1 具有高度差的互联结构

这个射频传输系统包括前级射频模块、微波组件和天线组件。为了匹配前级射频模块的输出端口和天线组件的位置，微波组件的射频输入端和射频输出端不在一个平面上，两个参考平面之间的高度落差为4.5mm。该高度差给微波组件的设计带来了很大的困难，随着工作频率的提升，该问题越难通过常规的射频级联方式处理，必须采用专门的过渡结构来实现。

对于射频端口存在高度差的微波组件，考虑到所选用的元器件均为平面结构，不能直接实现高度差的过渡，因此，组件内部射频传输布局时会设计在不同的参考GND 平面上。内部将PCB 电路板按功能分成不同的模块设计，元器件合理地布局到不同高度差的电路板上，具有高度差的微波组件装配如图2 所示。图中虚框内的互联点1（芯片输出PAD）和互联点2（微带线互联PAD）通过金丝键合互联，两个键合点的高度落差有4mm 以上。为验证该高度差是否可以直接采用金丝键合的方式进行射频端口级联，对上述结构进行建模仿真，仿真模型如图3 所示。具有高度差传输结构回波仿真结果如图4 所示。

图2 具有高度差的微波组件装配

图3 具有高度差传输结构仿真模型

图4 具有高度差传输结构回波仿真结果

在直接金丝键合的情况下，回波损耗S11 的仿真结果为-10～-7.25dB；S22 仿真结果在-12.5～-7.55dB，不满足工程化使用要求。由此可见，在Ku 工作频段不通过任何射频过渡结构，直接通过金丝键合的方式互联，很难通过阻抗匹配的方式来解决两个不同电路板的互联问题，针对此问题需要开展专项研究。

本文中作者提出了通过多层压合的台阶电路板解决传输高度差的方法。台阶电路板采用微波多层材料设计，选用介电常数为2.94±0.03 的介质板，为了保证高度差符合要求，电路板设计为6 层结构，叠层结构如图5 所示，第一层介质板厚度为0.127mm，第二层介质板厚度3.55mm，第三次介质板厚度为0.254mm，计算上各层覆铜的厚度，该台阶电路板的总厚度设计值在4.1mm 左右，符合使用要求。

图5 叠层结构

由图5 可见，台阶电路板设计了两种孔，第一种为VIA 孔，均为射频地孔；第二种为背钻盲孔。背钻盲孔为了互联台阶上的射频微带线和台阶下的射频微带线，实现高度差的过渡。

在台阶过渡结构中，不同高度差过渡部分采用类同轴形式实现，同轴结构的特性阻抗计算公式[1-3]如下：

式中：Zc——同轴结构特性阻抗；Di——过孔直径；D0——各屏蔽过孔中轴围成的圈外径；εr——介电常数。

通过仿真软件建模进行仿真，模型如图6 所示。模型中包含4 个组成部分分别是台阶上的电路、键合金丝、台阶过渡电路板、SMP 连接器。仿真在工作频带内回波损耗≤15dB，插入损耗≤0.3dB。仿真结果如图7所示，其中图7a 为回波损耗仿真结果，图7b 为插入损耗仿真结果。

图6 仿真模型

图7 仿真结果

2 实物设计制作及测试结果

根据仿真结果绘制PCB 板，台阶上微带线采用T型结构设计，T 型结构尺寸为0.72mm×0.2mm，MID4 层为了保证阻抗匹配，单独设计一个直径为0.7mm 的PAD，做为阻抗变换的匹配结构。台阶下微带线宽度0.6mm，带线渐变宽度0.2mm，PCB 设计结果如图8 所示，加工实物如图9 所示。

图8 过渡台阶板PCB 设计

图9 台阶过渡结构实物

将过渡台阶板装入微波组件中，与台阶板直接互联的射频器件是微带环形器和SSMP 连接器[4]。

为了验证本文方法的有效性，选用同样射频器件设计两个射频链路，其中链路1 具有射频传输高度差，通过装配台阶板实现过渡；链路2 的所有射频器件输入、输出端口均设计在一个平面上，不存在高度差，未装配有台阶板。对两种微波组件测试结果进行对比，如表1 所示。

样品增益和回波损耗的测试曲线分别如图10、图11 所示。图10 中Ga1 为未装配有台阶板的射频链路，Ga2 为装有台阶板的射频链路。增加台阶板后增益曲线无畸变。

图10 增益比较

图11 回波损耗比较

由表1 及图10 和图11 测试结果对比，可计算出台阶过渡板的损耗约为0.4dB，回波损耗恶化约1dB，在预期范围内，指标满足要求。可以应用于具有高度差的射频传输链路中[5]。

3 结论

本文设计了一种应用于微波组件不同射频传输线级联端口有高度差的问题的解决方法，该过渡结构在Ku 频段内设计插损低于0.25～0.3dB，回波损耗优于15dB，在实际工程应用中，实测损耗在0.3～0.4dB，测试微波组件的总体指标满足应用需求，经高低温测试等试验验证，测试指标无明显变化，对于解决有高度差的微波组件设计难题，有很重要的工程应用价值。