某瓦片式數(shù)字收發(fā)組件的多層互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計

康 穎 雷國忠 崔 敏 王 潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

收發(fā)組件是有源相控陣雷達的關(guān)鍵部件，一部規(guī)模較大的相控陣雷達中有成千上萬個收發(fā)組件，因此收發(fā)組件的性能將直接影響整部雷達的性能指標[1][3]。傳統(tǒng)的收發(fā)組件多為二維平面的磚塊式設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)形式在垂直方向上可能較薄，但在水平方向上尺寸很大。隨著相控陣雷達的工作頻率的提高和裝載平臺的變化，傳統(tǒng)的磚塊式設(shè)計形式受到很大的限制，收發(fā)組件向著小型化、輕量化、高密度、低成本的方向發(fā)展，瓦片式組件得到越來越多的應(yīng)用[2][5]。

1 瓦片式組件的設(shè)計難點

瓦片式收發(fā)組件是在以三維高密度集成技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新一代收發(fā)組件，它滿足了雷達對體積小、重量輕等方面的要求[6]。瓦片式收發(fā)組件最重要的特點就是將組件的平面結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)，把芯片和電路的連接空間向三維方向發(fā)展，在組件功能不變的前提下，提高集成密度，縮小體積，減輕重量。本文所描述的某組件，采用大功率瓦片式多路數(shù)字收發(fā)子陣實現(xiàn)陣元級數(shù)字收發(fā)，將輻射單元和有源電路一體化設(shè)計，采用更緊湊的結(jié)構(gòu)方案，電氣連接均通過內(nèi)部一體化協(xié)同設(shè)計完成，輻射單元的面積就是有源電路的平面面積，需要將收發(fā)子陣電路分層放在輻射單元對應(yīng)的面積上，因此如何實現(xiàn)層與層之間的互聯(lián)，完成大功率微波信號低損耗大功率傳輸，是瓦片式組件的設(shè)計難點和關(guān)鍵。

2 多層互聯(lián)實現(xiàn)方法

對于瓦片式T/R組件三維集成微波電路來說，形成三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)各平面微波電路間的垂直互聯(lián)。垂直互聯(lián)是指三維模塊中的電源、接地及層間射頻信號所需的互聯(lián)，互聯(lián)既要保證微波信號的完整性，又要具有結(jié)構(gòu)簡單的特點。本文研制的瓦片式數(shù)字收發(fā)組件，在有限的空間范圍內(nèi)，經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和巧妙的電路布局，利用三個平行的層面，完成了信號的接收和發(fā)射功率輻射。

2.1 組件的結(jié)構(gòu)組成

本文所描述的瓦片式組件，整體分為以下幾個部分：散熱底座、微波層、電源調(diào)制層、主板殼體、控制主板層、信號分配層、天線支撐板等，如圖1所示。

圖1 組件外形組成示意圖

結(jié)構(gòu)件作為整個瓦片的實現(xiàn)主體完成了固定、安裝、連接、隔離、導熱等多方面的功能，而SMP、毛紐扣等則是實現(xiàn)垂直互聯(lián)的橋梁。

2.2 通過SMP進行射頻信號的連接

SMP為超小型推入式射頻連接器，因其體積小，可以節(jié)省較大的安裝空間，同時其使用的頻帶寬，可承載大功率射頻信號，可實現(xiàn)快速插拔。板間連接成對使用時，多種界面形式能夠滿足盲配所需的軸向或徑向浮動，可用于高密度高集成度場合的裝配。圖2為SMP系列連接器。

圖2 SMP連接器示例

玻璃燒結(jié)SMP指標:

1)VSWR≤1.20 (DC～18GHz)；

2)VSWR≤1.25 (18GHz～26.5GHz)；

3)VSWR≤1.35 (26.5GHz～40GHz)。

在層間的連接設(shè)計中，由于制造及裝配誤差，層與層之間所需插入射頻同軸連接器的部分都會存在一定的水平位置度公差和垂直位置度公差，反映到射頻同軸連接器上的問題就是徑向、軸向及角度容差。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有兩個問題：一是相對于大尺寸連接器，小尺寸連接器更難配合對準；二是小尺寸連接器機械強度低，如使用不當則較易損壞。在電氣性能方面，徑向和軸向容差是必須考慮的問題。徑向容差主要是為了補償連接器以及PCB設(shè)計和裝配的機械公差。而角度和軸向容差則主要關(guān)系到傳輸信號的完整性水平，配合間隙將使阻抗變化，造成反射和駐波(VSWR)變大，可靠性降低。目前的連接器在其接口邊采用了“碗狀”設(shè)計來導入連接，這種容差設(shè)計使在非可視狀態(tài)下的盲插成為可能，并且整個系統(tǒng)在設(shè)計時也通過公差設(shè)計最大限度地實現(xiàn)了層間的連接，保證信號傳輸?shù)耐暾浴?/p>

2.3 通過毛紐扣連接器進行信號的連接

毛紐扣作為一種應(yīng)用于微波頻段的新型材料可以實現(xiàn)良好的直流和微波連接，是一種占用空間非常小的垂直安裝連接方案。毛紐扣的彈性內(nèi)導體是由一根鍍金金屬絲經(jīng)過特殊工藝纏繞成型，具有彈性的接觸件，其被裝入支撐介質(zhì)中與上、下層基板壓緊固定，接觸電阻僅為1mΩ， 可實現(xiàn)高密度、高質(zhì)量無焊接互連，性能優(yōu)良、裝卸方便、維修性高。層和層之間通過彈性內(nèi)導體壓縮保證電流或射頻信號的傳輸，使用頻率為DC～40GHz，最大承受電流可達到5A。將毛紐扣用于傳輸射頻信號，當使用頻率為30GHz時，用HFSS進行仿真，產(chǎn)品的電壓駐波比為1.06～1.07。其技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1 毛紐扣技術(shù)參數(shù)

毛紐扣組合件是毛紐扣與結(jié)構(gòu)件相結(jié)合的一種新型的毛紐扣連接器。考慮到微波垂直互聯(lián)的連續(xù)性，射頻傳輸時的路徑要與腔體、低頻信號做好充分的屏蔽和隔離，避免因輻射引起的各種信號干擾。電路上采取合理布局，結(jié)構(gòu)上采取分腔設(shè)計，保證電路的穩(wěn)定性。通過上述分析，結(jié)合實現(xiàn)的空間和裝配難度，采用多功能組合件，即采用結(jié)構(gòu)件做為主體，進行腔體分隔，實現(xiàn)對信號的屏蔽隔離以及上下層之間的支撐，同時，在結(jié)構(gòu)件的隔墻上一體化安裝毛紐扣，進行上下層之間信號的互連。見圖3、圖4所示。圖3為毛紐扣組合件三維立體圖，圖4為毛紐扣實物局部圖。

圖4 毛紐扣實物局部圖

毛紐扣接觸件焊盤尺寸高低頻有所區(qū)別，見圖5、圖6所示。層與層之間互聯(lián)的最終實現(xiàn)需要通過毛紐扣與上下基板之間和導體之間的精確定位和可靠壓緊來實現(xiàn)。毛紐扣對對位精度要求非常高，對位不準確會對微波性能和可靠性帶來很大影響。因此，在設(shè)計及裝配時要充分考慮對毛紐扣的定位準確性。

圖5 高頻毛紐扣焊盤尺寸圖

圖6 低頻毛紐扣焊盤尺寸圖

2.4 通過其他組合連接器

考慮到層間互聯(lián)的復雜性和多樣性，除了采用專門的連接器如毛紐扣和SMP以外，還可以結(jié)合器件，將器件的輸入輸出端口采用毛紐扣或者SMP，這樣可以減少中間層的轉(zhuǎn)接，提高可靠性和精度，減小尺寸。圖7所示的連接器，采用毛紐扣、SMP、光模塊等連接方式，集合了直流、控制、光信號、射頻等各種信號的連接器，是組件所有信號的入口，詳見圖7所示。

圖7 組合連接器

3 用公差設(shè)計來保證垂直互聯(lián)的可靠性接觸

在瓦片式高集成度收發(fā)組件實現(xiàn)過程中，為了保證信號傳輸?shù)耐暾裕枰ㄟ^對垂直方向尺寸鏈的精確設(shè)計來實現(xiàn)。在尺寸設(shè)計時要科學地分配公差范圍，不僅要考慮到加工的公差，還要考慮到裝配的公差，保證在各種公差累計的情況下均不會出現(xiàn)接觸不良的情況，防止出現(xiàn)信號傳輸失效[4]。

對于平面方向的尺寸，每一塊印制板和每一個器件的開孔尺寸和開槽尺寸都有公差要求，并且有定位銷定位。對于垂直方向的尺寸，因為器件集成度高，有多條尺寸鏈最終都要在同一高度內(nèi)完成對接，有結(jié)構(gòu)件，有多層板，有微帶板，有毛紐扣、有SMP、有元器件，各自都有其自身的加工公差和相互之間的配合公差，需要合理分配公差，既保證各自的加工可達性，又保證相互之間對接在允許的公差范圍內(nèi)，并最終通過合理的連接來實現(xiàn)垂直互聯(lián)功能，達到最優(yōu)的電氣指標。比如SMP，如果針與座未到底配合，對于射頻連接器，這種未到底配合會造成阻抗失配，帶來信號反射和駐波變大。圖8是多層連接的尺寸鏈分配圖。

圖8 尺寸鏈分配圖

因尺寸鏈多，公差大，故采用極值法分配公差。最終分配的公差要求見表2、表3所示。

表2 尺寸鏈1(混合信號腔：子陣殼體與天線支撐板之間 )

表3 尺寸鏈2(子陣主板到子陣散熱板之間)

以上只是其中的兩條尺寸鏈，還有多條尺寸鏈沒有一一羅列。通過對公差的列表、合理分配，最終達到了設(shè)計的要求，滿足了垂直互聯(lián)的可靠性指標。

4 用工裝來保證垂直互聯(lián)的裝配成功率

因為垂直互聯(lián)用到了大量的SMP等連接器，而SMP在往微帶板上進行焊接裝配時，尤其是進批量裝配時，無法保證其焊接垂直度，進而會影響裝配精度，導致信號連接不上或者無法達到設(shè)計指標。為了保證器件的位置度和垂直度要求，設(shè)計了焊接工裝，見圖9所示。

圖9 工裝示意圖

焊接工裝首先設(shè)計定位銷，保證微帶板的安裝位置，同時在工裝上開槽保證SMP的外形剛好放入，同時通過工裝結(jié)構(gòu)件保證定位銷與SMP安裝槽的相對位置度和垂直度，最后把微帶板通過定位銷放好，SMP放入安裝槽，焊接工只需要進行焊接就好，通過這個焊接工裝就可以直接保證SMP在微帶板上的垂直度和位置度，節(jié)省時間，提高效率，保證了裝配質(zhì)量。

5 結(jié)束語

瓦片式收發(fā)組件的多層互連方法是比較復雜的，我們通過對某瓦片式數(shù)字收發(fā)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得了一些成功經(jīng)驗，掌握了一些設(shè)計思路。組件性能優(yōu)越，滿足設(shè)計指標，相比于磚塊式組件，體積和重量都大幅縮小，具有較高的指導意義，也有廣泛的應(yīng)用前景。