Ka波段宽带波导-微带转换结构设计与应用

陈 柳,陈晓峰,郑惠文,吴世国,刘振罡,张海峰

(上海航天电子有限公司,上海 201821)

0 引言

随着现代通信系统集成技术的高速发展,毫米波通信技术因其波长短、通信容量大等特点而获得广泛使用。作为毫米波技术工程实现的重要载体,单片微波集成电路组装(monolithic microware integrated circuit,MMIC )作为单元电路,因其可实现多路功率合成的方式也日益被广泛应用。然而在实际应用中,受限于MMIC电路所采用的功放芯片输出功率有限,且多需进行气密性封焊使用,为了更便于后续电路连接,且实现大功率输出,在毫米波电路和工作系统中必须进行传输线形式更换[1]。

当前工程上常用的转换结构有脊波导、鳍线、波导-同轴、波导微带转换等形式。但对于毫米波组件而言,部分波导结构虽可在一定带宽内实现指标,但是在应用中依据电路性能、空间使用、组装可实施等需求,上述波导结构存在一定的生产及使用问题,以脊波导、同轴波导为例,受限于其结构设计空间尺寸大,不适合小型化微波组件产品需求[2-4]。因此,对于毫米波组件,尤其是Ka频段组件必须结合组件性能需求,设计满足高输出功率需求且可依托过程实施的低损耗的波导转换装置。胡荣等[5]研究表明,与其结构相比,波导-微带探针转换结构,因波导腔与微带相互正交且所占空间较小,而被广泛应用于毫米波频段[5]。张文涛等[6]研究设计了一款基板平行于波导传输方向的E波导结构,并通过仿真分析可在ka波段33G～38G频段内获得损耗低指标。肖钰等[7]研究设计了一种新型的垂直形式的波导-微带转换结构,可在34G～36.5G带宽内具有较好性能。解冰一等[8]通过采用渐变型波导-微带探针转换结构,研制出一款可进行匹配进行功率组合的16W功能模块。但是上述结构中微带电路存在不能密封的问题,且多为背靠背设计形式结构空间大。仅张兵等[9]、宋志东等[10]研究设计了满足波导到微带密封的转换结构,依托传输线转换同轴再通过同轴过渡微带,这种形式可为微带及芯片起到一定的保护作用,但是结构设计依然采用探针底部穿入,在同轴和微带之间存在明显的阶梯不连续性。

综上研究发现,基于毫米波频段波导微带转换虽有一定的研究,但是在Ka波导的宽频带高功率输出的波导微带转换结构鲜有报道。本文结合Ka波段33.5G～35.5G频段功放产品小型化、高功率输出需求,设计研发了满足Ka功放产品饱和输出功率40dBm～42dBm需求的共面输出新型波导-微带转换结构,通过在波导微带探针结构中引入共面波导间的宽带互联结构,大大提高了产品高功率输出稳定性,同时有效保证了微带电路的气密封装,大大缩小了功放体积。

1 波导-微带转换结构分析

本次Ka波段功放组件的波导-微带过渡结构设计拟采用波导-微带探针转换形式,这是由于其一、微带探针是源于同轴探针设计的常用过渡结构;其二、结构设计上,微带探针可选择波导中的电磁波与微带平行或垂直。微带探针进入波导后,与波导中的电磁波进行耦合作用,探针在某种意义上成为电探针。探针电流的大小和微带探针插入的位置有关,探针中心处距短路面处的长度假定为l,通常l为四分之一波长,这也是由于在四分之一波长的位置,探针处于波导的最大磁场位置,确保耦合效率最大[11-13]。

根据波导场传播方向和基片平面所在位置设计,波导-微带探针转换可区分为是E面探针和H面探针,两者探针结构相同,区别在于E面结构的微带探针保持与电磁波传播方向平行,而H面的微带探针与电磁波传播方向垂直,如图1、2所示。考虑到电磁波传播方向及产品电路结构,本次Ka波段功放产品选择E面探针的结构进行分析设计,基于微带探针平面与电磁波传播方向平行的特点,此种结构也更加适用于应用于瓦片式TR组件用功放产品的立体电路输出需求。

图1 E面波导结构示意Fig.1 Diagram of E plane waveguide

图2 H面波导结构示意Fig.2 Diagram of H plane waveguide

此外,对于探针转换而言,探针的尺寸、窗口的大小都会影响到能量的耦合,为了减少腔体内能量辐射,耦合窗口不宜开得过大,在仿真之前需进行理论计算。以假设在矩形波导单模传输条件下,探针的输入阻抗如式(1)所列:

Zin=Rin+Xin

(1)

式中:Zin为输入阻抗,Rin为辐射电阻,Xin为引入的虚部阻抗。

上式中的辐射电阻R和引入虚部电抗X如式(2)、(3)所列,通过(2)-(3)计算获得:

(2)

(3)

式中:Zo为真空平面波阻抗,ko为真空波数,β10为TE10模相位常数,d为探针长度,l探针中心距短路面的距离。

由上式可知,探针引入的辐射阻抗和电抗都可以通过探针长度d和探针中心距短路面的距离l来改变,通过调节d和l的大小,使辐射阻抗等于微带线的特性阻抗,同时尽量使电抗值接近零,从而完成精确匹配过程。

2 波导-微带转换结构仿真与设计

本次功放输出的波导口根据产品的工作带宽、输出功率及外接端口要求,最终选取具有高功率容量和高Q值特性的矩波导作为传输结构,尺寸为2.0mm×7.11mm,设计波导内部采用镀金处理。为更好地匹配射频输出,本次波导微带转换设计为两种结构,分别为一段式结构和两段式结构,如图3、4所示,介质基板分别选用介电常数为3.0的TSM-DS3材料和介电常数为9.6的氧化铝陶瓷薄膜探针。其中,介质基板厚度为0.254mm,微带线厚度为35.0μm,镀金层厚度2.0μm;陶瓷薄膜基板厚度为0.254mm,镀金厚度为2.0μm。设计完毕后利用HFSS对微带波导转换单元进行建模仿真,仿真图形及结果如图5、6所示。

图3 一段式波导-微带转换基板及结构示意(分体式结构)Fig.3 Diagram of single parts microstrips(separate structure)

图4 两段式波导-微带转换基板及结构示意(一体式结构)Fig.4 Diagram of two parts microstrips (intergreted structure)

图5 一段式微带波导转换模型及仿真Fig.5 HFSS simulation of single part microstrip

图6 两段式微带波导转换模型及仿真Fig.6 HFSS simulation of two parts microstrips

从图5、6看出,采用一段式和两段式微带转波导基板设计,微带-波导转换的回波损耗S(1,1)在工作频段内小于-20dB,插损S(2,1)小于0.1dB,均满足最初设计要求。从仿真结果可知,基板和结构设计更改可以满足射频输出可行性。

3 波导-微带转换结构组装

结合波导场分布原理及微带探针输入阻抗公式分析:

(1)波导端开口的尺寸不宜过大,过大的开口尺寸会影响电场在波导中的分布;

(2)波导腔短路面表面加工精度和平整度,镀金层的平整度和一致性,将严重影响波导场分布情况;

(3)R,X的值与探针长度l以及探针与短路面的距离d之间有密切关系,组装过程中需不断调节l和d的值,直至达到所需最佳传输条件;

基于组装原理解析,为有效验证波导口设计仿真到组装实践的可行性,本次微带转波导结构设计验证集中在三点,分别是位置精度控制、腔洁净度控制、波导腔机壳加工质量控制[14-15]。两种波导-微带转换设计分别采用验证结构进行焊接测试,详见图7、8所示。

图7 分体式验证结构示意图Fig.7 Diagram of the separate structure

图8 一体式验证结示意图Fig.8 Diagram of the intergraded structure

考虑波导端微带转换接地及使用可靠性,本次波导口输出全部通过软钎焊来实现微带优接地目标,过程采取阻焊防护控制焊料润湿区域,在确保微带接地的同时,采取有效措施确保短路面光洁,控制天线位置精度[16-18]。其次,考虑探针位置对组装性能影响较大,本次波导结构对于微带组装位置精度的控制,采用可视化焊接实现。焊接完成后采用体式显微镜和X-ray进行表面位置和底部焊透率检验,详见图9、10所示。

图9 一段式微带转换焊接形貌Fig.9 Solder morphology of the single microstrip

图10 两段式微带转换焊接形貌Fig.10 Solder morphology of the single microstrip

从图9、10可以看出,经过光镜检验,波导端基板对位准确,焊接后无明显位移;基板表面微带无明显焊料飞溅沾污;波导腔体内部短路面无可见焊料溢出。经X-Ray 透视检验,焊接后波导腔矩形边界清晰,短路面无锡珠等多余物扩散、飞溅,焊接润湿良好,底部焊透率满足95%的要求。

4 波导-微带转换结构指标测试

微带探针组装完毕后进行电性能指标测试,结果如表1所列,一段式微带转换波导结构在高频段的输出功率指标偏小,且在偏离600M位置处有杂散信号。输出功率是衡量功放性能的重要判据,输出功率指标与功率芯片功能直接相关外,也与波导端组装及结构设计密不可分。本次Ka功放组装采用同批次芯片,同工艺组装,在过程控制方面差异性较小。

表1 Ka功放产品电性能测试结果Tab.1 Test results of the Ka power module

通过反复测试及分析可知,一段式波导转微带结构设计为单面分体式波导接触结构,此类结构波导端及盖板的加工难度和加工一致性难度较小,但也由于是分体式接触,结构件公差容易出现不适配,造成能量泄漏,在一定程度上对输出功率造成影响。而两段式微带转换采用一体式波导结构,并对波导处的盖板进行了台阶设计,对比分体式结构的单面接触缩短了整体接触面,对腔高、腔宽分别进行了调整控制,在一定程度上能实现对波导端结构加工及组装间隙公差控制在20.0μm或接近20.0μm的要求,同时在微带顶部盖板处增加了螺钉紧固数量,进一步避免了信号分布泄漏,如图11、12所示。

图11 分体式波导产品结构Fig.11 Separate structure of the power module

此外,在介质基板及探针电路使用方面,一段式转换结构微带加工采用单片TSM-DS3基板实现探针及转接功能;而两段式转换结构微带加工采用氧化铝陶瓷基片用于探针功能,TSM-DS3用于微带转换。 探针及微带电路的选择与加工精度也对整体指标有重要影响。由于介质基板制造过程中存在机械切割加工公差、印制电路制造公差及过程组装公差,导致基板在后续组装过程中与波导腔壁内侧面产生错位,进而导致微带插针插入深度存在差异,探针插入一致性直接影响探针引入的辐射阻抗和电抗,而这些在毫米波频段以上影响十分突出,也是影响波导精确匹配的关键。采用氧化铝陶瓷进行探针加工可在一定程度上精确控制波导端的结构参数,包括探针长度、宽度等。另外,两段式微带中间增加金丝键合,原则上金丝介入由于电感效应的存在极易产生阻抗不匹配,但是在两段式波导微带设计结构中,键合金丝两段分别与低阻抗传输线和探针串联,此种使用在一定程度上消除了金丝的等效电感,进而完成了阻抗匹配[19]。这种新型的毫米波共面波导间的宽带互联结构,在一定程度上也是两段式微带性能优于一段式微带且保持稳定的重要因素。

5 结论

文章基于E面波导设计原理,设计满足Ka功放产品高功率输出的共面波导—微带探针结构,并通过HFSS仿真分析、组装实践探索和指标测试等方面进行分析、对比一段式分体波导和两段式一体波导微带转换结构的优劣,提出了满足Ka功放使用需求的一体式波导微带转换工艺结构以及两段式微带焊接工艺方法。通过显微观察和X-ray 检验验证了焊接质量。通过对功放产品的主要指标进行测试,进一步验证了一体式波导微带转换结构设计的可行性和微带焊接的可操作性,印证了毫米波共面波导间宽带互联结构的特性使用。为后续Ka频段产品及其他毫米波频段产品需求波导微带转换提供了一定的设计和工艺保证。