Ka波段寬帶波導-微帶轉換結構設計與應用

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

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

當前工程上常用的轉換結構有脊波導、鰭線、波導-同軸、波導微帶轉換等形式。但對于毫米波組件而言,部分波導結構雖可在一定帶寬內實現指標,但是在應用中依據電路性能、空間使用、組裝可實施等需求,上述波導結構存在一定的生產及使用問題,以脊波導、同軸波導為例,受限于其結構設計空間尺寸大,不適合小型化微波組件產品需求[2-4]。因此,對于毫米波組件,尤其是Ka頻段組件必須結合組件性能需求,設計滿足高輸出功率需求且可依托過程實施的低損耗的波導轉換裝置。胡榮等[5]研究表明,與其結構相比,波導-微帶探針轉換結構,因波導腔與微帶相互正交且所占空間較小,而被廣泛應用于毫米波頻段[5]。張文濤等[6]研究設計了一款基板平行于波導傳輸方向的E波導結構,并通過仿真分析可在ka波段33G～38G頻段內獲得損耗低指標。肖鈺等[7]研究設計了一種新型的垂直形式的波導-微帶轉換結構,可在34G～36.5G帶寬內具有較好性能。解冰一等[8]通過采用漸變型波導-微帶探針轉換結構,研制出一款可進行匹配進行功率組合的16W功能模塊。但是上述結構中微帶電路存在不能密封的問題,且多為背靠背設計形式結構空間大。僅張兵等[9]、宋志東等[10]研究設計了滿足波導到微帶密封的轉換結構,依托傳輸線轉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作用,但是結構設計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性。

綜上研究發現,基于毫米波頻段波導微帶轉換雖有一定的研究,但是在Ka波導的寬頻帶高功率輸出的波導微帶轉換結構鮮有報道。本文結合Ka波段33.5G～35.5G頻段功放產品小型化、高功率輸出需求,設計研發了滿足Ka功放產品飽和輸出功率40dBm～42dBm需求的共面輸出新型波導-微帶轉換結構,通過在波導微帶探針結構中引入共面波導間的寬帶互聯結構,大大提高了產品高功率輸出穩定性,同時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-微帶轉換結構分析

本次Ka波段功放組件的波導-微帶過渡結構設計擬采用波導-微帶探針轉換形式,這是由于其一、微帶探針是源于同軸探針設計的常用過渡結構;其二、結構設計上,微帶探針可選擇波導中的電磁波與微帶平行或垂直。微帶探針進入波導后,與波導中的電磁波進行耦合作用,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,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,探針處于波導的最大磁場位置,確保耦合效率最大[11-13]。

根據波導場傳播方向和基片平面所在位置設計,波導-微帶探針轉換可區分為是E面探針和H面探針,兩者探針結構相同,區別在于E面結構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品電路結構,本次Ka波段功放產品選擇E面探針的結構進行分析設計,基于微帶探針平面與電磁波傳播方向平行的特點,此種結構也更加適用于應用于瓦片式TR組件用功放產品的立體電路輸出需求。

圖1 E面波導結構示意Fig.1 Diagram of E plane waveguide

圖2 H面波導結構示意Fig.2 Diagram of H plane waveguide

此外,對于探針轉換而言,探針的尺寸、窗口的大小都會影響到能量的耦合,為了減少腔體內能量輻射,耦合窗口不宜開得過大,在仿真之前需進行理論計算。以假設在矩形波導單模傳輸條件下,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)計算獲得:

(2)

(3)

式中:Zo為真空平面波阻抗,ko為真空波數,β10為TE10模相位常數,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,通過調節d和l的大小,使輻射阻抗等于微帶線的特性阻抗,同時盡量使電抗值接近零,從而完成精確匹配過程。

2 波導-微帶轉換結構仿真與設計

本次功放輸出的波導口根據產品的工作帶寬、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值特性的矩波導作為傳輸結構,尺寸為2.0mm×7.11mm,設計波導內部采用鍍金處理。為更好地匹配射頻輸出,本次波導微帶轉換設計為兩種結構,分別為一段式結構和兩段式結構,如圖3、4所示,介質基板分別選用介電常數為3.0的TSM-DS3材料和介電常數為9.6的氧化鋁陶瓷薄膜探針。其中,介質基板厚度為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。設計完畢后利用HFSS對微帶波導轉換單元進行建模仿真,仿真圖形及結果如圖5、6所示。

圖3 一段式波導-微帶轉換基板及結構示意(分體式結構)Fig.3 Diagram of single parts microstrips(separate structure)

圖4 兩段式波導-微帶轉換基板及結構示意(一體式結構)Fig.4 Diagram of two parts microstrips (intergreted structure)

圖5 一段式微帶波導轉換模型及仿真Fig.5 HFSS simulation of single part microstrip

圖6 兩段式微帶波導轉換模型及仿真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波導基板設計,微帶-波導轉換的回波損耗S(1,1)在工作頻段內小于-20dB,插損S(2,1)小于0.1dB,均滿足最初設計要求。從仿真結果可知,基板和結構設計更改可以滿足射頻輸出可行性。

3 波導-微帶轉換結構組裝

結合波導場分布原理及微帶探針輸入阻抗公式分析:

(1)波導端開口的尺寸不宜過大,過大的開口尺寸會影響電場在波導中的分布;

(2)波導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,將嚴重影響波導場分布情況;

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

基于組裝原理解析,為有效驗證波導口設計仿真到組裝實踐的可行性,本次微帶轉波導結構設計驗證集中在三點,分別是位置精度控制、腔潔凈度控制、波導腔機殼加工質量控制[14-15]。兩種波導-微帶轉換設計分別采用驗證結構進行焊接測試,詳見圖7、8所示。

圖7 分體式驗證結構示意圖Fig.7 Diagram of the separate structure

圖8 一體式驗證結示意圖Fig.8 Diagram of the intergraded structure

考慮波導端微帶轉換接地及使用可靠性,本次波導口輸出全部通過軟釬焊來實現微帶優接地目標,過程采取阻焊防護控制焊料潤濕區域,在確保微帶接地的同時,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,考慮探針位置對組裝性能影響較大,本次波導結構對于微帶組裝位置精度的控制,采用可視化焊接實現。焊接完成后采用體式顯微鏡和X-ray進行表面位置和底部焊透率檢驗,詳見圖9、10所示。

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

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

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

4 波導-微帶轉換結構指標測試

微帶探針組裝完畢后進行電性能指標測試,結果如表1所列,一段式微帶轉換波導結構在高頻段的輸出功率指標偏小,且在偏離600M位置處有雜散信號。輸出功率是衡量功放性能的重要判據,輸出功率指標與功率芯片功能直接相關外,也與波導端組裝及結構設計密不可分。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功放產品電性能測試結果Tab.1 Test results of the Ka power module

通過反復測試及分析可知,一段式波導轉微帶結構設計為單面分體式波導接觸結構,此類結構波導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,結構件公差容易出現不適配,造成能量泄漏,在一定程度上對輸出功率造成影響。而兩段式微帶轉換采用一體式波導結構,并對波導處的蓋板進行了臺階設計,對比分體式結構的單面接觸縮短了整體接觸面,對腔高、腔寬分別進行了調整控制,在一定程度上能實現對波導端結構加工及組裝間隙公差控制在20.0μm或接近20.0μm的要求,同時在微帶頂部蓋板處增加了螺釘緊固數量,進一步避免了信號分布泄漏,如圖11、12所示。

圖11 分體式波導產品結構Fig.11 Separate structure of the power module

此外,在介質基板及探針電路使用方面,一段式轉換結構微帶加工采用單片TSM-DS3基板實現探針及轉接功能;而兩段式轉換結構微帶加工采用氧化鋁陶瓷基片用于探針功能,TSM-DS3用于微帶轉換。 探針及微帶電路的選擇與加工精度也對整體指標有重要影響。由于介質基板制造過程中存在機械切割加工公差、印制電路制造公差及過程組裝公差,導致基板在后續組裝過程中與波導腔壁內側面產生錯位,進而導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,也是影響波導精確匹配的關鍵。采用氧化鋁陶瓷進行探針加工可在一定程度上精確控制波導端的結構參數,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的存在極易產生阻抗不匹配,但是在兩段式波導微帶設計結構中,鍵合金絲兩段分別與低阻抗傳輸線和探針串聯,此種使用在一定程度上消除了金絲的等效電感,進而完成了阻抗匹配[19]。這種新型的毫米波共面波導間的寬帶互聯結構,在一定程度上也是兩段式微帶性能優于一段式微帶且保持穩定的重要因素。

5 結論

文章基于E面波導設計原理,設計滿足Ka功放產品高功率輸出的共面波導—微帶探針結構,并通過HFSS仿真分析、組裝實踐探索和指標測試等方面進行分析、對比一段式分體波導和兩段式一體波導微帶轉換結構的優劣,提出了滿足Ka功放使用需求的一體式波導微帶轉換工藝結構以及兩段式微帶焊接工藝方法。通過顯微觀察和X-ray 檢驗驗證了焊接質量。通過對功放產品的主要指標進行測試,進一步驗證了一體式波導微帶轉換結構設計的可行性和微帶焊接的可操作性,印證了毫米波共面波導間寬帶互聯結構的特性使用。為后續Ka頻段產品及其他毫米波頻段產品需求波導微帶轉換提供了一定的設計和工藝保證。