組裝方法對微波模塊VSWR的影響

劉炳龍，唐 亮

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230031）

1 引言

電壓駐波比（VSWR）作為檢測微波組件最重要的指標之一，是電路設計與制造水平的綜合反映，其數值的高低決定了產品的質量。在產品的制造過程中，對相關工藝參數進行有效控制以保證產品具有良好的電壓駐波比是很有必要的。因此，找出影響電壓駐波比的因素對提高產品的質量是有必要的。

2 電壓駐波比

微波電路作為分布參數電路而言，信號的波長遠遠大于電路的微帶線長。信號線上入射波與反射波相互作用形成了駐波。電壓駐波比S是傳輸線上最大電壓與最小電壓的比值，反映了在不同條件下反射回源端的信號能量[1]。電壓駐波比是反映傳輸線波阻抗不均勻性的參數，它定義為：

式中ρ為輸入端反射系數。

VSWR與反射系數ρ一樣，可用來描述傳輸線的工作狀態。其大小反映了信號的反射情況，尤其是在微波模塊中，VSWR衡量了一個微波器件在系統中的匹配情況，也是分析微波器件和微波模塊特性的重要依據。

3 影響電壓駐波比的因素分析

微波組件的VSWR主要受器件參數、器件間的級聯匹配和裝配工藝等因素影響。在實際應用中，微波組件內部的阻抗不匹配程度越大，組件的插入損耗( IL) 、VSWR也相應增加，而且這種影響隨著工作頻率的增加會越來越明顯。在生產過程中，接地效果、裝配間隙和互連工藝的變化，都會使組件的VSWR變得不穩定。電壓駐波比是反映傳輸線波阻抗不均勻性的參數，因此可以將對電壓駐波比的分析轉換為對波阻抗不均勻性的分析。

3.1 接地效果對電壓駐波比的影響

微波器件接地不良或局部接地不良必會引起電場畸變，導致幅頻持性變化乃至自激；接地不穩定、不可靠是造成電路性能不穩定和變化的主要原因。微波電路基片采用面焊接技術，把基片釬焊到電路盒體是最佳的接地方案。而釬透率直接反映接地效果，是整個技術的重要指標。電路基板的大面積接地釬焊的缺陷對微波電路的性能影響較大，而釬焊的缺陷是隨機分布的，通過工藝過程中采取相應措施，減少釬焊缺陷，提高釬焊的釬透率，保證微波電路基板的釬焊可靠性、一致性。

3.2 裝配間隙對電壓駐波比的影響

裝配間隙大，微帶板與芯片焊盤互連線變長，互連線長度加大，電感量也隨之加大，微波信號傳輸過程損耗變大，造成電壓駐波比變大；互連線長度相同，信號傳輸的連續性在有介質和無介質狀態不同，裝配間隙使得互連線下方無介質，微波信號傳輸過程會造成信號傳輸的不連續性，也會使電壓駐波比變大。

3.3 互連工藝對電壓駐波比的影響

與低頻數字電路不同，高頻微波電路中，鍵合引線本身產生的微波效應是影響多芯片組件微波性能的一個重要因素。理論上要求鍵合引線越短越好，即引線的拱高越低、跨距越短，則由引線產生的寄生電感和電阻就越小，從而對微波傳輸特性的影響越小。但由于多芯片微組裝工藝條件的限制，鍵合引線的實際跨距往往比電路設計要求的大；而且引線也不能絕對平直，因為平直引線沒有伸縮余地，在受到溫度沖擊或振動時容易斷裂，必須要有一定的弧度和拱高才能保證鍵合的可靠性。因此，引線的長度就難以達到理論上要求的最短化，由此產生的寄生電感較大，致使實際的微波特性與設計值相比有較大偏差。這時就可以通過增加鍵合引線的根數來彌補上述缺陷。采用兩根或多根并行的金絲實現鍵合互連時可降低串聯電感，其效果接近平直簡短的單根引線，對信號傳輸的影響可大幅降低，便可得到較好的微波特性[3]。

4 試驗及結果

4.1 接地效果驗證試驗

將微帶板通過焊接方式裝入測試架，利用X-Ray檢測焊接效果，通過選擇兩種焊接釬透率不同的試驗件進行電壓駐波比規律摸索試驗，見表1。通過回波損耗測試數據分析，我們可以得出，焊接釬透率越高，接地效果越好，駐波越小，50Ω微帶線的接地效果不同時對VSWR影響非常大。

表1 焊接效果S21測試對比數據表

4.2 裝配精度驗證試驗

應用相同的工藝組裝3件5dB均衡器的樣件，分別為微帶線開芯片安裝槽比芯片尺寸大0.05mm的樣件C1、微帶線開芯片安裝槽比芯片尺寸大0.2mm的樣件C2和微帶線拼接安裝孔比芯片尺寸大1.5mm的樣件C3。通過電測分析，C1樣件的VSWR＜1.67，C2樣件的VSWR＜1.8，C3樣件的VSWR＜2.3，XY方向裝配間隙越大，微波信號的插損和駐波越大（見表2）。應用相同的工藝組裝兩件6dB均衡器的樣件，目視樣件的組裝平坦度不同，通過測試試驗數據分析（見表3），我們得出組裝Z軸方向精度偏差越小越有利于信號傳輸，減小微波信號的插損和駐波。

表2 5dB均衡器回波損耗測試對比表

表3 6dB均衡器回波損耗測試對比表

4.3 互連方法驗證試驗

將HMC460裝載在測試架上，分別通過金絲鍵合、金帶鍵合和金箔鍵合等互連方式對比試驗，比較樣件電壓駐波比的變化。測試系統設置Vdd=8V，Vgg=-1.0V，G=15dB（2GHz），13dB（18GHz）；VSWR在18GHz時≥2，在輸入微帶線上貼金箔，VSWR改善＜2，Gain變得平緩下降，曲線走勢改善。依據電訊測試駐波比得出結論，多線鍵合使鍵合引線總的寄生電阻和電感減小，使信號傳輸線的特性阻抗降低，從而減小了微波信號的插損和駐波。金絲鍵合、金帶鍵合和金箔鍵合三種互連方法比較，金箔互連對傳輸線的匹配效果最好，回波損耗最低，VSWR最小。見表4、表5。

表4 金絲鍵合根數對駐波的影響對比表

表5 不同互連形式S21電測數據表

5 結論

通過理論分析和試驗結果分析表明，接地效果、裝配間隙、互連工藝是影響組件電壓駐波比的重要因素。通過此專題試驗的研究，我們得到了組件組裝降低電壓駐波比的一些控制方法。

[1]李健，董軍. 試驗設計技術（DOE）在射頻電纜裝配工藝研究中的應用[J]. 電子機械工程，2005（4）：16-18.

[2]范疇康. 微波技術與微波電路[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[3]陸敏暖. 微波控制電路中PIN管的引線互連技術[J]. 電子工藝技術，2008，29（6）：334-337.