基于液體金屬的接觸PIM抑制方法和實驗驗證

張可越,陳 雄,趙小龍,張松昌,曹 智,賀永寧

(1.西安交通大學 微電子學院,西安 710049;2.西北工業大學 電子信息學院,西安 710129)

0 引言

由于電磁波會激發金屬接觸結上的非線性信號,而三階互調信號會嚴重降低系統的信噪比[1-2]。這使得在具有高線性度的射頻電路中必須避免不可靠的接觸[3]。目前有3種常見的方法來抑制不可靠的接觸對射頻系統線性的影響。第1種是增加接觸面的壓力,通過高壓避免氧化層和不同高度的微凸體對接觸狀態的影響,從而達到可靠接觸[4];第2種方法是通過鍍金或鍍銀來改善不理想的表面接觸[5];第3種是根據大量的工程經驗,通過綜合設計直接去除金屬接觸界面[6-8]。以前的研究證明,上述技術和實現方式可以在一定程度上有效地抑制由金屬接觸引起的PIM產品[9]。然而,這些方式均需要較大的硬件開支和空間設計,對類似移動終端設備中的射頻前端而言實用性很差。首先,由于移動設備中的垂直尺寸非常小,很難通過簡單地增加力來改善接觸。其次,貴金屬涂層會增加成本。由于涂層沒有從根本上改善金屬接觸結點的本質,接觸面的非線性電流抑制程度有限。最后,焊接對移動終端的維護和更換部件是不利的。

本文通過結合新材料的特性,簡單且有效地實現對金屬接觸無源互調(passive intermodulation,PIM)的抑制。液態金屬及其合金在室溫下是流動的,具有高潤濕性,無毒無害[10-11]。它們可以被認為是傳統焊接的可替代品。從根本上說,這種常溫涂抹焊接是可逆的、可重復的[12-13]。液態金屬的這種特性為移動終端的設備維護提供了良好的硬件基礎。通過實驗研究驗證了冷焊方法的可靠性和穩定性。測試結果表明,由液體金屬(eutectic gallium-indium,EGaIn)連接時,它可以將由金屬接觸帶來的PIM抑制到相當可觀的程度。

平面倒F天線(planar inverted F antenna,PIFA)因其體積小、重量輕、工藝一致性好、比吸收率(specific absorption ratio,SAR)低而成為移動通信設備中應用最廣泛的天線之一[14]。同時,為了降低維護和修理的成本,安裝在這些通信設備上的天線輻射貼片通常被連接在后蓋或框架上,其中的饋電和短接是通過彈片或金屬泡沫實現的。這樣一來,暴露在輻射場中的接觸結點就成為惡化PIFA的PIM水平的主要因素。本文基于這一實際工程背景,利用PIFA中的金屬接觸作為測試樣本,對EGaIn的PIM抑制能力進行了實驗驗證。

本文先詳細介紹了金屬觸點的等效電路模型,包括線性和非線性分立元件。然后制備了通過金屬觸點饋電的PIFA。最后通過比較EGaIn冷焊前后的PIFA的PIM水平,驗證了冷焊技術對PIFA的PIM抑制效果和EGaIn的低PIM應用潛力。

1 金屬觸點等效電路

PIFA中無論是彈片饋電還是頂針饋電,其根源都是由金屬接觸引起的PIM問題[15]。如圖1所示為一個單點接觸界面的等效電路圖,其中RMM代表金屬接觸的非線性電阻,Ci代表由接觸點周圍的金屬和空氣構成的恒定電容,Ls代表由天線貼片的表面電流引起的電感。RMM和Ls都與接觸結點壓降有關,由于天線上的表面電流隨著電壓的變化而變化,所以Ls也可以看作是電壓的一個函數。RMM是接觸點位置和接觸電壓降的一個函數。PIFA的PIM可以通過等效電路產生的非線性電流電壓關系來解釋。

圖1 單點接觸界面的等效電路Fig.1 Equivalent circuit for a single point of contact interface

當接觸界面足夠大時,等效電路可以被認為是單點接觸電路模型的并聯拓撲結構。在這個意義上,Ci對接觸點的PIM行為有決定性的影響。當接觸界面非常小時,接觸結的等效參數強烈依賴于接觸點的狀態,因此PIM測試結果也經常在一定范圍內波動。

在接觸面積較大的情況下,接觸結點的形態和金屬表面形貌的分布滿足高斯統計分布規律。此外,Ci是由金屬表面的粗糙度決定的,不同接觸位置的等效電路參數可以被認為是幾乎穩定的,這使得相對大面積的金屬接觸結的PIM測試具有良好的可重復性[16]。

2 PIFA設計和電參數測試

在這項工作中,兩支工作頻率為2.6GHz的PIFA被設計并實現,它們的饋點分別通過頂針和彈片實現,而短路點統一通過頂針實現。

PIFA通常由輻射單元、接地板、饋電結構和短路金屬組成。為了更好地控制和觀察PIFA中的金屬接觸,使用了平面輻射單元而沒有使用傳統的單極天線。如圖2所示,顯示了用于測試的PIFA的模型圖,它主要包括兩片覆銅板,其中上層覆銅板的底部被蝕刻成天線貼片,而下層覆銅板的底部是反射地。此外,天線貼片和地面之間的連接是由彈片或頂針完成的,而短路金屬統一通過頂針實現。如圖3所示為彈片和頂針的結構圖。天線的詳細圖片和組裝好的天線模型如圖4所示。

圖2 實驗中使用的PIFA模型圖Fig.2 Structural diagram of the PIFA used in the experiment

圖3 饋電彈片和頂針的結構Fig.3 Construction of feeder shrapnel and pin

圖4 PIFA的局部照片和裝配照片Fig.4 Partial and assembly photos of PIFA

隨后對兩支天線的電參數進行了測量,如圖5所示。無論是彈片饋電還是頂針饋電,天線回波損耗的測量結果與仿真結果都很接近,且工作頻率的偏移量非常小。兩支天線的回波損耗在2.6GHz PIM測試頻段都小于-15dB,它們在2.6GHz頻段都有良好的輸入匹配。

圖5 不同饋電方式的PIFA回波損耗測試結果和仿真結果對比曲線Fig.5 Comparison of PIFA return loss simulation results and test results for different feeding methods

3 PIFA中接觸結點的低PIM設計思路

由于軋制技術和銅箔材料性能的限制,在實際應用中,覆銅板的表面并非絕對光滑,而是分布著不同形式的微凸體,這些微凸體的直徑和高度與表面粗糙度有關。具體來說,在實際裝配過程中,沒有完美的點對點或面對面的接觸。相反,兩個不平坦的表面上的一些微凸體的頂部或側面往往會出現相切或塑性形變,這使金屬接觸的微觀形態分析變得復雜。

如圖1所示,在PIFA中,饋點處金屬接觸的等效電路模型可以被認為是接觸電阻、間隙電容和電感的并聯。其中非線性電阻RMM主要來自于接觸界面兩邊的勢能差,它與接觸壓力和電壓降有關。等效恒定電容Ci源于接觸界面兩側的微凸體之間的空氣和一些金屬氧化物,當平面粗糙度固定時,間隙電容隨著接觸位置的變化在一定范圍內波動。電感Ls是由分布在金屬貼片上的時間變化的電流引起的。

PIFA中PIM的主要來源是覆銅板和饋電端口之間不可靠的接觸,PIFA的PIM抑制可以從這兩個方面著手:一方面,通過控制銅箔與介質板的界面,PCB供應商已經能夠將商業印刷電路板的PIM降低到-165dBc以下;另一方面,由于常見的金屬接觸的PIM抑制方法在PIFA的應用中受限,因此,開發新的方法或材料來改善PIFA的接觸可靠性有利于進一步提高PIM指標。

根據上一節中的測試結果認為可重構的焊接可以抑制PIFA中饋點帶來的PIM?？紤]移動終端設備中的維修和拆卸要求,使用EGaIn作為冷焊劑對饋點進行可重構的焊接。廣義的冷焊是利用機械力、分子力或電力使焊接材料擴散到儀器表面的一種工藝。焊接后,兩個接觸面的相對位置是固定的。盡管如此,EGaIn在室溫下的流動性和表面張力決定了這種材料在冷焊接過程中不會對接觸面造成破壞,這對移動終端設備來說是非常有利的。在進一步研究之前,應該對EGaIn自身的PIM進行評估,如果液態金屬的PIM水平過高,雖然其物理性能符合要求,但仍不適合用于低PIM設備。

為了準確評估對EGaIn的PIM水平,利用縫隙波導對其自身材料特性進行評估。本文中所用EGaIn是由體積比為85.8%的Ga和14.2%的In構成的。如圖6所示,由于電磁波在自由空間的傳播特性,在縫隙波導上方兩厘米的空間會有強烈的近場輻射。測試結果表明,將EGaIn放置在圖6中的縫隙上時,測試環路的PIM水平將從-168dBc提高到-159dBc。而將傳統的低互調無鉛焊錫放置在圖6中的縫隙上時,測試環路的PIM水平也從-168dBc提高到了-162dBc。這表明EGaIn在低PIM研究中作為傳統焊劑的替代品是有潛在的應用前景的。

圖6 基于矩形縫隙波導的EGaIn的PIM水平測試示意圖Fig.6 Schematic of the rectangular gap waveguide-based PIM level test for EGaIn

4 低PIM冷焊方案測試和驗證

EGaIn滴落在固體上時,EGaIn會向固體進行浸潤,其在相對光滑的表面上附著力會更大,這是基于EGaIn的冷焊方法的前提。冷焊過程中先將少量EGaIn滴落在貼片上,然后將天線組裝,這個過程中EGaIn的量需要盡可能地少。如果EGaIn量太多,在貼片上的附著力不足以在天線移動過程中對抗EGaIn產生的重力,就會引起EGaIn流動或者滴落,從而導致電連接失效。為了除去EGaIn表面自然氧化的薄膜,在測試前需要用稀鹽酸對其進行還原。

天線和測試回路的連接通過RG141低PIM同軸電纜實現,如圖7所示為冷焊前后由頂針饋電的PIFA的回波損耗測試結果對比。它表明在冷焊前后PIFA的回波損耗參數略有波動,但整體而言加入EGaIn后PIFA的電參數沒有明顯的惡化。

圖7 冷焊前后頂針饋電PIFA的回波損耗仿真和測試結果Fig.7 Comparison of simulation and test results of return loss of PIFA fed by pin before and after cold soldering

本文用雙載波PIM測試系統測試天線的反射PIM水平,圖8是天線反射PM測試框架。兩個工作在2.6GHz頻段的信號通過合路器被傳輸到耦合器上,大部分的功率通過PIFA輻射到自由空間,由天線中金屬接觸的非線性引起的PIM信號被高靈敏度的接收機接收。

圖8 天線反射PIM測試框架Fig.8 Antenna reflected PIM test framework

利用上一小節中制備的2.6GHz的PIFA,在PIFA中饋電觸點和短路觸點上用EGaIn進行冷焊,之后測試冷焊前后PIFA的回波損耗和反射PIM。以驗證低PIM冷焊方案在PIFA中的有效性,在測試過程中PIFA由耐高溫的絕緣膠帶固定在木質框架上。在不同的輸入功率下,可以得到兩支天線的反射PIM變化曲線。

為了明確EGaIn對PIFA中PIM的抑制水平,分別測試了冷焊前后PIFA的反射PIM。由于EGaIn帶有流動性,所以本文記錄了10分鐘內兩支PIFA在冷焊前后的反射PIM變化曲線。在測試過程中PIFA的PIM呈現相對穩定,這表明觸點處少量的EGaIn可以穩定地粘附在金屬貼片表面而未對PIFA性能產生影響。這也是區別于傳統焊接的在連接穩定性上需要被排除的不確定性。

在測試過程中,為了保證測量中PIM的穩定性,在10分鐘內斷斷續續地測試了幾組數據。如圖9所示,PIFA在用EGaIn冷焊前后的反射PIM變化曲線,它表明EGaIn可以通過短路上一節中提到的非線性金屬接觸的等效電路模型有效地改善PIFA的PIM水平;同時,雖然PIFA在未經冷焊時的PIM都高于-140dBc,但是在冷焊過后其PIM水平均下降到-150dBc以下,且其PIM水平最大下降了約35dB。綜上所述,EGaIn作為冷焊劑在改善電連接方面具有實際的且有前景的應用。這是因為通過EGaIn建立的相對大面積的可靠接觸界面削弱了非線性電阻RMM和電感LS的作用,同時將原PIFA的反射PIM降低了約35dB。所以用EGaIn處理PIFA中電連接的方法可以有效改善接觸非線性產生的可靠性問題。同時本文也發現了EGaIn本身作為射頻材料的低PIM應用前景。

圖9 兩種饋電方式的PIFA在冷焊前后反射PIM測試變化曲線Fig.9 Reflected PIM test variation curves before and after cold welding for two feeds of PIFA

同時EGaIn在射頻低PIM應用中有兩個規避不了的問題。首先是EGaIn在空氣中的自然氧化可能會為測試回路帶來新的接觸PIM風險;其次是EGaIn對金屬的腐蝕作用在長時間的使用過程中可能會破壞原本電路中的金屬部分,但只要合理利用EGaIn的導電性、浸潤性、流動性和可重構性的優勢,它在射頻低PIM設計中仍然會有很寬闊的應用空間。

5 結論

本文介紹了一種利用EGaIn來降低PIFA天線中金屬接觸PIM的方法。EGaIn是一種可重構的液態合金,可以在接觸點靈活地放置以改變接觸面的非線性特性。通過在PIFA天線的金屬接觸點處放置EGaIn,可以顯著降低PIM水平,提高天線的性能。與傳統的焊接方法相比,EGaIn提供了一種更穩定的接觸方式,可以有效地降低PIM水平。實驗結果表明,在加載了EGaIn的PIFA天線中,反射PIM最高可以改善35dB,這符合5G移動終端中多天線和電連接的裝配要求。此外,EGaIn還可以作為常溫焊料的替代品,用于更多可重構的低PIM組件,如波導連接和微帶饋電。綜上所述,這項工作為電連接中降低非線性失真和調控移動通信終端產品中,由接觸產生的PIM提供了一種具有革新意義的參考方法。