無背鉆孔的微波板間垂直互連研究

凌天慶

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

雷達系統發展方向是功能多樣化、工作頻率寬帶化、體積小型化、重量輕型化，陣面應用的集成綜合饋電網絡一體化規模日益增大。目前，高頻段綜合饋電網絡分為微波多層印制板及混壓多層印制板。微波多層印制板主要由多層微波板通過半固化片多次層壓制作而成;混壓多層印制板是利用半固化片將多層微波板及環氧板多次混壓而成［1］。

當多層帶狀線層壓后，它們之間的微波信號傳輸有多種形式:耦合式、直通式，準同軸式及準帶線式等垂直過渡。耦合式的帶寬窄，損耗大;直通式的工作頻率低;準同軸或準帶線式的帶寬寬，損耗小，應用比較廣泛。本文重點討論準同軸式垂直過渡，設計模型同樣適用于準帶線垂直過渡。

常規準同軸垂直過渡模型中的信號過渡孔的制作流程如下:首先，制作金屬化孔貫穿上下地層及需要互連的信號線路;然后，將金屬化孔的兩端背鉆一定長度，保證金屬化孔只與要互連的電路相連。層壓印制板的平整度及背鉆孔的控深誤差會導致背鉆孔加工過淺或過深，從而影響垂直互連的電性能，情況嚴重時整塊多層板報廢。微波信號的工作頻率越高，多層板報廢的概率越大。

在具體應用頻帶內，為了簡化制板工藝，降低多層板的報廢率，提高垂直互連信號的一致性，本文提出了一種新的無背鉆孔的垂直互連模型。

1 原理分析

圖1給出了微波多層板的常用結構疊層形式。微波信號通過兩層帶狀線電路傳輸。圖中的層L1、L2、L3及L4構成了一層帶狀線結構，層L5、L6、L7及L8構成了另一層帶狀線電路。層L1與L2、L2與L7及層L7與L8之間有微波信號傳輸。層L1、L4、L5及L8為微波地層，通過金屬化孔實現微波地互連。

圖1 純微波多層板結構

多層板內微波信號的傳輸形式通過圖2的準同軸垂直過渡實現。

圖2 常用準同軸垂直過渡仿真模型

八層微波板的制作流程分為以下幾步:1.將每一層的電路蝕刻成型;2.制作層L1與L2、層L7與L8之間的金屬化通孔;3.分別將層L1～L4及L5～L8通過半固化片層壓成帶狀線電路;4.制作金屬化通孔將兩層帶狀線的微波地互連;5.通過半固化片將兩層帶狀線板層壓;6.制作金屬化通孔實現兩層帶狀線微波地互連及垂直互連中心孔的互連;7.利用背鉆將層L2與層L7之間垂直過渡的中心孔上下鉆去一層微波板厚的深度(深度通常比板厚小0.1 mm左右)。圖3為加工成型后的垂直互連中心孔的剖面圖。

圖3 準同軸垂直互連中心孔剖面圖

從制作步驟可以看出:層L2與L7之間的互連孔是由層L1～L8之間的金屬化通孔背鉆實現。

準同軸線垂直互連是由同軸線形式演變而成的，因此，計算它的阻抗時仍引用同軸線阻抗公式。

準同軸線垂直互連的阻抗公式為

式中:εr為同軸線內介質材料的介電常數;a為垂直互連中心孔的直徑;b為垂直互連接地孔圍成的準圓柱內徑。圖4為垂直互連結構尺寸示意圖。

圖4 準同軸線垂直互連變換橫切面尺寸圖

垂直互連最小工作波長為

垂直互連中心孔的直徑確定后，阻抗通常選50 Ω，這樣可以確定垂直互連的結構尺寸，根據式(2)可以計算垂直互連的最高工作頻率。接地孔的直徑可根據需求調整［2-6］。

為了取消反鉆孔，將中心孔在長度方向延長至多層板的上下表面，在上下表面中心孔的端頭保留一圓形銅箔作匹配用，并蝕刻去部分銅箔使中心孔與上下接地面隔離，如圖5所示。

圖5 無反鉆孔的準同軸垂直互連中心孔剖面圖

垂直互連中心孔的延長段及末端保留的部分銅箔等效于在垂直互連的中心內導體與帶線連接處加接一段開路線。

垂直互連中心孔延伸長度為單層微波板的厚度，一般取值為1 mm、0.5 mm或0.25 mm。針對圖5的仿真模型，下面分析垂直互連中心孔延長后的性能變化。

印制板厚度取常用典型值1 mm，介電常數為2.94。所有金屬化孔孔徑為0.6 mm。優化后，得到如圖6所示準同軸垂直互連的駐波仿真曲線，該互連結構工作頻率可到20 GHz。

圖6 背鉆孔實現的垂直互連駐波仿真曲線

將模型中的背鉆孔用金屬化通孔代替，增加一段空氣柱，保證仿真時中心孔延長段的開路特性。圖7為垂直互連孔延長后的仿真模型，圖中其他尺寸先不改變，仿真后得到圖8的駐波特性曲線。此時，垂直互連的工作頻率只能達到4 GHz。對比圖6與圖8的曲線，當垂直互連的最高工作頻率低于4 GHz時，其中心孔兩端延長0.5 mm對垂直互連孔的電性能影響不大。當工作頻率繼續提高后，電性能變化越來越大。

圖7 中心孔延長后的垂直互連仿真模型

圖8 中心孔延長后的垂直互連駐波仿真曲線

2 仿真模型建立

為了提高中心孔延長后的垂直互連結構的工作頻率，需要對垂直互連結構進行阻抗匹配。本文選擇了兩處匹配點:一是中心金屬化孔的末端增加圓形匹配銅箔;二是帶線與中心孔連接處附近增加阻抗變換段。

垂直過渡中心孔增加匹配段后的結構形狀如圖9所示。微波信號主要在其表面傳輸。

圖9 增加匹配段的無背鉆孔垂直互連內導體

基于該種匹配形式的垂直互連結構，建立仿真模型。選擇厚度為1 mm的微波板CLTE-XT-02055，介電常數為2.94，微波板間層壓固化片選擇介電常數為3.0的FR28-040材料。通過軟件可計算出帶線的寬度為1.3 mm。所有金屬化孔直徑取0.6 mm，七個屏蔽孔分布在直徑為5 mm的圓周上，上下表面匹配銅箔直徑為1 mm，銅箔厚度為0.5，輸入輸出帶線的夾角為0°，帶線匹配段為1.5 mm×1mm，距離中心孔1 mm。垂直過渡模型的外形寬為8 mm，長為8 mm。圖10為無背鉆孔的垂直互連仿真模型。

圖10 0°夾角無背鉆孔垂直互連仿真模型

3 仿真優化

利用ANSOFT軟件，仿真建立的無背鉆孔準帶線垂直過渡模型，仿真頻率設置為0.5 GHz～20 GHz。初步的性能指標顯示垂直互連的最高工作頻率不高。為了進一步提高垂直互連的性能，現將垂直互連中的部分尺寸參數化。包括屏蔽孔直徑、表面匹配圓形銅箔直徑、帶線匹配段的位置及長寬尺寸等。利用軟件對參數進行手動或自動掃描計算。

優化后的駐波損耗曲線如圖11、圖12所示。從圖中可以看出工作頻率可以達到18 GHz。駐波仿真值小于-25 dB，損耗仿真值小于0.1 dB。

圖11 無背鉆孔垂直互連駐波仿真曲線

圖12 無背鉆孔垂直互連損耗仿真曲線

4 試驗驗證

針對0°夾角無背鉆孔垂直互連，制作了具體應用試驗件。為了方便制作和測試，試驗件采用了兩個垂直過渡孔互連的印制線路。試驗件由八層電路構成，上下面(L1層、L8層)電路如圖13所示，L2層、L7層電路所圖14、15所示，L4層、L5層為地層，L3層、L6層光板。輸入輸出采用壓接式SMA接頭，試驗件實物照如圖16所示。

圖13 試驗件上下面電路

圖14 試驗件L2層電路

圖15 試驗件L7層電路

圖16 試驗件實物照

利用矢量網絡分析儀測試試驗件，其中一個端口的駐波曲線如圖17所示，兩端口間的傳輸損耗曲線如圖18所示。

圖17 端口駐波曲線

圖18 兩端口之間損耗曲線

從測試曲線看，試驗件的駐波、損耗沒有仿真優化的數據理想。可能的原因有:試驗件中包含2只垂直互連，仿真時只有一只;印制板的設計制造誤差引起;SMP轉SMA的測試接頭性能指標不高引起。但是，當工作頻率小于18 GHz時，試驗件的駐波基本小于-20 dB，損耗小于0.8 dB。該種形式的無背鉆孔垂直互連完全可以工程應用。

5 結束語

本文針對多層印制板中常用的垂直過渡，提出了一種設計制作簡單、性能一致性好的無背鉆孔垂直過渡形式。文中仿真優化了0°夾角的無背鉆孔垂直過渡模型，并制作了試驗驗證件。仿真試驗結果表明0°夾角的無背鉆孔垂直過渡最高頻率達到了18 GHz，完全適合工程應用。

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