一種傳輸射頻信號柔性印制板互連組件的設(shè)計(jì)

欒壹俠

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中，離不開印制板的使用，印制板作為電子元件的載板，具有固定元件和傳輸信號等基本功能。根據(jù)使用板材狀態(tài)的不同，印制板分為剛性板和柔性板。隨著整機(jī)對輕重量和小體積的需求不斷增加，柔性板優(yōu)勢凸顯。柔性板相比剛性板可彎曲、可折疊，具有重量輕、占用空間小的優(yōu)勢。本論文中介紹了一款剛?cè)峤Y(jié)合印制板上安裝連接器的柔板互連組件，用于某雷達(dá)組控機(jī)箱內(nèi)TR組件模塊和DBF板的互連，傳輸信號類型為200MHz射頻信號和低速控制信號。

2 柔板互連組件結(jié)構(gòu)介紹

某雷達(dá)組控機(jī)箱內(nèi)柔板互連結(jié)構(gòu)見圖1所示，原來機(jī)箱內(nèi)各模塊的互連是采用電纜組件，后來采用了柔板互連組件進(jìn)行互連，以滿足集成化和減重的要求。

圖2為柔板互連組件示意圖，該組件主要由3個(gè)連接器、剛?cè)峤Y(jié)合板、導(dǎo)向柱、安裝螺釘?shù)冉M成。其中柔板一端有2個(gè)射頻混裝連接器，用來連接2個(gè)TR組件，柔板另一端有一個(gè)連接器，用來連接DBF板。機(jī)箱內(nèi)TR組件模塊與DBF板之間通過柔板互連組件實(shí)現(xiàn)射頻信號和低速控制信號的通信。

圖1 柔板互連組件安裝示意圖

3 柔板互連組件材料選擇和疊層設(shè)計(jì)

3.1 柔板特點(diǎn)

?可撓曲性：柔板最顯著的優(yōu)勢是可彎曲和折疊，方便在三維空間進(jìn)行布線或立體安裝。

(a)正面45°俯視圖 (b)側(cè)視圖 (c)背面45°俯視圖圖2 柔板互連組件安裝后形態(tài)

?體積小：與電纜導(dǎo)線相比，柔板的導(dǎo)體截面薄而扁平，減少了導(dǎo)線尺寸。

?重量輕：柔板的材料決定了產(chǎn)品的重量輕，和電纜導(dǎo)線或剛性印制板相比，在相同載流力下，柔板重量可減輕50%以上。

?安裝簡便：柔板可避免使用電纜導(dǎo)線，消除了電纜組件的裝接出錯(cuò)，導(dǎo)線纏繞等問題。

柔板非常薄，如果接插件直接焊接在上面，在生產(chǎn)和使用時(shí)，焊盤容易損壞，所以，在接插件焊接安裝處應(yīng)具有一定的厚度和剛性，那么剛?cè)峤Y(jié)合板是最好的選擇。本文中柔板兩個(gè)端部是剛性印制板，連接器焊接安裝在剛性印制板上。

3.2 板材選擇

在柔性板設(shè)計(jì)中，材料的類型和結(jié)構(gòu)非常重要。材料主要決定著柔性板的柔軟性、電氣特性和機(jī)械特性等。

柔板材料分為有膠板材和無膠板材，兩者區(qū)別在于中間是否有膠。如圖3(a)和圖3(b)所示。一般產(chǎn)品使用有膠板材，無膠板材使用在彎折要求高，或高溫工作環(huán)境下，但無膠板材價(jià)格貴。

(a) 有膠板材 (b) 無膠板材圖3 柔性板材

柔性板基材有聚酰亞胺(PI，分有膠和無膠)、聚酯(PET，有膠)、聚四氟乙烯(PTFE)三種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文中柔板層數(shù)較多，且外形長度較短，為了具有更好的彎折性，柔性材料選擇杜邦無膠PI材料。

最常用、最經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)體材料是銅箔。板材的銅箔有兩種，一種是壓延銅箔(RA),另一種是電解銅箔(ED)。壓延銅箔柔曲性能好，可進(jìn)行上千次以上的動態(tài)柔曲，用于對柔曲性能要求高的產(chǎn)品上，但壓延銅箔板材價(jià)格貴；電解銅箔易發(fā)生斷裂，常用于一次性柔曲產(chǎn)品上。除了銅箔以外，柔性板的其它導(dǎo)體材料還有銅鎳合金和導(dǎo)電涂料。

設(shè)計(jì)者和柔板加工廠家必須依據(jù)成本、性能和可制造性來選擇材料。本文中柔板選擇的材料如下表：

表1 剛?cè)岚宀牧线x擇列表

3.3 層疊設(shè)計(jì)

根據(jù)電路規(guī)模、印制板尺寸，確定柔性板層數(shù)。從布線方面來說，層數(shù)越多越有利于布線，但是制板成本和難度也會隨之增加。所以層數(shù)的選擇需要考慮線寬的電流承載能力、電壓爬電距離、EMC要求、特性阻抗要求、壓降要求等等因素。

一般剛?cè)峤Y(jié)合板的剛性板部分層數(shù)比柔性板部分層數(shù)至少要多2層，頂層和底層分別多1層。

該剛?cè)峤Y(jié)合板層疊設(shè)計(jì)如圖4所示，剛性板設(shè)計(jì)為10層，柔性板設(shè)計(jì)為8層，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，8層的柔板分布在不同平面區(qū)域，實(shí)際同一平面區(qū)域內(nèi)最多只有4層柔板，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了在狹小空間內(nèi)提高柔板的彎折性。

圖4 剛?cè)峤Y(jié)合板層疊設(shè)計(jì)

4 電性能設(shè)計(jì)

互連組件不僅要能夠正確安裝在機(jī)箱內(nèi)，同時(shí)電氣性能要滿足技術(shù)要求。

該柔板互連組件工作頻率200MHz，需要控制的電性能參數(shù)主要有特性阻抗、插損、隔離度。要求如表2所示。

表2 射頻參數(shù)要求

由于互連板走線長度≤50mm和傳輸速率為200MHz，憑經(jīng)驗(yàn)判斷插損≤1dB，可以滿足不大于1.2dB的要求，因此不再進(jìn)行仿真分析，這里隔離度參數(shù)是分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該柔板互連組件用于雷達(dá)控制機(jī)箱內(nèi)，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)隔離度要求≤-65dB,對于該互連柔板組件要求射頻信號隔離度≤-75dB。對于柔性印制板來說，-75dB隔離度要求有一定難度。

4.1 特性阻抗設(shè)計(jì)

互連結(jié)構(gòu)中特性阻抗參數(shù)是控制其它傳輸參數(shù)的基礎(chǔ)。需要考慮互連結(jié)構(gòu)中整個(gè)鏈路的阻抗匹配情況，組件內(nèi)信號傳輸所經(jīng)過的路徑順序?yàn)椋哼B接器-連接器焊接處-剛性印制板-柔性印制板-剛性印制板-連接器焊接處-連接器。

信號在互連結(jié)構(gòu)傳輸路徑中，連接器是過孔安裝，為阻抗突變點(diǎn)，因此連接器封裝對信號匹配和隔離度有很大的影響。印制板走線按照傳輸線阻抗匹配設(shè)計(jì)就可以，不多作介紹。

圖5 射頻傳輸路徑的特性阻抗仿真模型

圖6 連接器封裝模型

圖7 射頻傳輸路徑的特性阻抗仿真結(jié)果

射頻傳輸線采用PCB帶狀線結(jié)構(gòu)，銅厚為0.5oz，基材選用PI，介電常數(shù)ε=3.4。選取相鄰最近的走線進(jìn)行仿真建模。仿真模型如圖5所示。連接器和印制板焊接處的封裝設(shè)計(jì)為本傳輸路徑中控制重點(diǎn)，是優(yōu)化特性阻抗的關(guān)鍵，圖6為連接器封裝圖，通過仿真優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)。仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示。射頻特性阻抗仿真出來為49Ω～52Ω。滿足技術(shù)要求。

4.2 隔離度設(shè)計(jì)

射頻信號隔離度反映射頻信號之間干擾情況。隔離度設(shè)計(jì)需要考慮信號的整個(gè)傳輸鏈路，保證處處具有好的信號隔離，處理好每一處的泄露點(diǎn)。柔板互連組件重點(diǎn)優(yōu)化傳輸線設(shè)計(jì)和連接器設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

①增加傳輸線之間間距或在走線之間使用地過孔屏蔽可以提高信號之間隔離度，這里印制板有柔性部分，柔性區(qū)域無法使用地過孔，因此采取增大走線間距方法。

②連接器射頻接觸件為同軸連接器，連接器和印制板焊接處為射頻泄露點(diǎn)，需要重點(diǎn)分析。

常規(guī)相鄰的兩個(gè)連接器焊腳布局設(shè)計(jì)如圖8所示，這里為了增大隔離度，連接器焊腳布局旋轉(zhuǎn)45度，增加兩射頻信號之間地隔離，優(yōu)化后為圖9所示。

圖8 常用相鄰射頻連接器焊腳布局

圖9 優(yōu)化后相鄰射頻連接器焊腳布局

在通常情況下，通常焊接印制板的連接器考慮到焊接時(shí)焊錫會爬高，因此，連接器底面和印制板表面不是完全貼合，會留有一點(diǎn)間隙，如圖10所示。這個(gè)間隙尺寸d也是重點(diǎn)分析參數(shù)。同時(shí)，連接器安裝面的印制板表層設(shè)為射頻地層，使射頻信號在此處有更近的回路，這樣更有利于增大隔離度。還需要考慮連接器焊腳長度，在焊接可靠情況下，焊腳長度盡量短，這樣寄生電容越小。

圖10 連接器底面與印制板表面間距d

確定分析重點(diǎn)后，進(jìn)行仿真分析，并優(yōu)化仿真結(jié)果。仿真模型如上圖5所示。通過多次優(yōu)化，兩路射頻傳輸串?dāng)_優(yōu)化后仿真結(jié)果圖如下圖11所示，這是選取了遠(yuǎn)端和近端中串?dāng)_最大的仿真結(jié)果，射頻傳輸串?dāng)_可以滿足≥100dB。此仿真結(jié)果下，各優(yōu)化后參數(shù)如下：①射頻信號在印制板上走線間距≥1.2mm；②連接器底面和印制板表面間距需要滿足d≤0.35mm；③印制板厚度為1.9mm情況時(shí),焊腳伸出印制板的長度≤1.2mm。

圖11 射頻傳輸隔離度仿真結(jié)果

5 樣品實(shí)測

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和TDR對樣品進(jìn)行實(shí)測，圖12分別為樣品正面圖和背面圖。圖13為兩路傳輸線的特性阻抗測試圖，阻抗范圍是44Ω-55Ω；圖13為兩路傳輸線插入損耗IL測試圖，IL≤0.48dB(20MHz-200MHz)；圖14為隔離度IS測試圖，隔離度≥82dB(20MHz-200MHz)。

圖12 柔板組件實(shí)物圖

圖13 特性阻抗

圖14 插入損耗

圖15 隔離度

6 總結(jié)

本論文闡述了柔板互連組件的技術(shù)要求、工藝設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、樣品測試四個(gè)方面。通過計(jì)算和仿真優(yōu)化完善互連組件的射頻特性，最后將產(chǎn)品的工藝參數(shù)和電性能參數(shù)總結(jié)列表。表3為主要制板工藝參數(shù)，表4為基本電氣參數(shù)，表5為射頻性能參數(shù)，表中對比了測試參數(shù)與仿真參數(shù)和技術(shù)，結(jié)果顯示互連組件滿足了技術(shù)要求。

表3 工藝參數(shù)表

表4 電氣參數(shù)測試結(jié)果

表5 射頻參數(shù)