廖翱 景飛 舒攀林 張童童 楊錦

摘? 要：針對傳統(tǒng)電纜互聯(lián)模塊集成度低、裝配復(fù)雜、通道一致性難以保證等問題，文章提出了一種無纜化射頻模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并針對內(nèi)部表貼射頻連接器與射頻母板之間的高頻過渡匹配結(jié)構(gòu)進行了研究優(yōu)化。文章所優(yōu)化出的高頻過渡匹配結(jié)構(gòu)在0.5～40 GHz寬帶范圍傳輸駐波均低于20 dB，提出的無纜化模塊內(nèi)部采用盲插互聯(lián)，整體結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡潔。模塊內(nèi)通過不同功能SiP組合即可實現(xiàn)不同功能需求，整體結(jié)構(gòu)復(fù)用性強，功能派生方便。

關(guān)鍵詞：表貼射頻連接器；SiP；集成彎式轉(zhuǎn)接器；無纜化模塊

中圖分類號：TM503.5? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）18-0078-05

Research and Design of High-frequency Matching for RF Meter Sticker Connector and the Cable-free RF Module Structure

LIAO Ao， JING Fei， SHU Panlin， ZHANG Tongtong， YANG Jin

（The 29th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu? 610036， China）

Abstract： Aiming at the problems of low integration， complex assembly and poor channel consistency of traditional cable interconnection module， a structural design scheme of cable-free RF module is proposed in this paper， and the high-frequency transition matching structure between RF meter sticker connector and RF mother board is studied and optimized. The high-frequency transition matching structure optimized in this paper transmits standing waves less than 20 dB in the broadband range of 0.5～40 GHz. The proposed internal cable-free module adopts blind interconnecting， and the overall structure is compact and the assembly is simple. The different functional requirements can be realized through the combination of different functions of SiP in the module， and the overall structure has strong reuse and convenient function derivation.

Keywords： RF meter sticker connector; SiP; integrated bend adapter; cable-free module

0? 引? 言

近年來，隨著移動通信及電子對抗領(lǐng)域不斷向著多功能、小型化、高頻率等方向發(fā)展，對產(chǎn)品性能要求更高的同時，對產(chǎn)品的集成度要求也越來越高，很多時候需要將以往由多個產(chǎn)品聯(lián)合實現(xiàn)的功能集中在一個產(chǎn)品中實現(xiàn)且不能帶來體積增加。

以傳統(tǒng)射頻模塊為例，為了方便上層系統(tǒng)的快速拆裝及功能擴展，模塊通常都是采用標(biāo)準(zhǔn)的外形結(jié)構(gòu)和對外接口，根據(jù)不同功能需求可在其內(nèi)部通過螺釘安裝多種不同功能的射頻組件。這些組件大都采用混合集成工藝，整體由金屬盒體獨立封裝而成，體積重量大、功能單一，組件的接口多為SMA、SMP等形式，各個組件間通過射頻電纜及導(dǎo)線實現(xiàn)射頻信號及控制信號的互連，同時還需要通過射頻電纜及導(dǎo)線實現(xiàn)模塊內(nèi)部組件與模塊對外接口的連接。受模塊內(nèi)射頻組件的安裝方式及體積所限，同時由于大量互聯(lián)電纜的存在導(dǎo)致模塊集成度無法進一步提升，且存在裝配難度大、工藝復(fù)雜、通道一致性難以保障等問題。典型電纜互聯(lián)模塊及其內(nèi)部組件接口形態(tài)如圖1所示。

隨著基于BGA接口的SiP封裝技術(shù)日趨成熟[1]，射頻組件逐步由基于金屬盒體封裝的形式向SiP封裝形式轉(zhuǎn)變，“SiP+射頻母板”的SoP級產(chǎn)品實現(xiàn)方式應(yīng)用范圍越來越廣。通過射頻母板可以實現(xiàn)各SiP之間的射頻及數(shù)字信號互聯(lián)[2]，同時在模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以通過減少模塊接口與母板間的互聯(lián)電纜甚至去除電纜，就可實現(xiàn)模塊集成度的極大提升。

對于射頻母板要實現(xiàn)其內(nèi)部射頻信號對外輸出就需要采用表貼射頻連接器進行轉(zhuǎn)接[3]，射頻母板內(nèi)帶狀線到表貼射頻連接器同軸結(jié)構(gòu)之間的過渡匹配直接影響信號的傳輸質(zhì)量，特別是在毫米波頻段，過渡匹配好壞對信號傳輸質(zhì)量有嚴(yán)重影響。射頻SiP、表貼射頻連接器及射頻母板間的互聯(lián)示意如圖2所示。

在模塊內(nèi)部通過采用“SiP+射頻母板”的方式可以有效減少傳統(tǒng)組件以及組件間互聯(lián)射頻電纜的使用。在此基礎(chǔ)上如何進一步提高模塊集成度，更高效利用模塊內(nèi)部空間，減少射頻電纜甚至采用無纜化方式實現(xiàn)內(nèi)部射頻母板與模塊接口之間的互聯(lián)，這對模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高要求。

1? 表貼連接器高頻匹配研究

目前微波產(chǎn)品中表貼射頻連接器與射頻母板之間的過渡匹配結(jié)構(gòu)主要有兩種方式：穿透式和平貼式，如圖3所示。

在圖3（a）中，表貼射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體穿過射頻母板的垂直過渡通孔，并在背面進行錫焊焊接，這種過渡結(jié)構(gòu)易于加工和制造，焊接可靠性高。但連接器中間射頻插針采用錫焊焊接，連接處阻抗不連續(xù)性增大，高頻傳輸性能差，毫米波頻段駐波會發(fā)生嚴(yán)重惡化。而且整體為開放結(jié)構(gòu)，在高頻段會引起空間電磁輻射，使得通道間的隔離及電磁兼容性能較差。

在圖3（b）中，表貼射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體與射頻母板的實心垂直過渡通孔采用純表貼焊接，這種過渡結(jié)構(gòu)解決了圖3（a）中通道隔離不足、整體電磁兼容性能較差的問題。但是連接器內(nèi)導(dǎo)體與母板內(nèi)垂直過渡過孔焊盤接觸面積較小，焊接可靠性不足。另外母板內(nèi)帶狀線在垂直過渡處與帶狀線的GND2地平面間存在較大的并聯(lián)寄生平板電容，該電容恰好與垂直過渡過孔寄生串聯(lián)電感形成一個等效LC低通濾波器結(jié)構(gòu)，使得毫米波頻段信號傳輸質(zhì)量差，不滿足毫米波高性能傳輸要求，應(yīng)用局限較大。

為提升表貼射頻連接器與射頻母板在毫米波頻段的信號傳輸質(zhì)量，本文結(jié)合圖3兩種傳輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，研究了一種能在毫米波頻段實現(xiàn)良好匹配傳輸、不存在空間輻射同時具有較高可靠性的過渡匹配結(jié)構(gòu)[4]。如圖4所示，在射頻母板中設(shè)計過渡盲孔，該盲孔從母板頂部延伸到帶狀線的位置，并對孔壁做金屬化處理。將連接器內(nèi)導(dǎo)體增長貫穿到母板與帶狀線相連接的垂直過渡盲孔中，同時連接器的外導(dǎo)體與母板表層地平面進行連接。通過上述改進成倍增加了連接器內(nèi)導(dǎo)體的焊接面積提升了其使用可靠性。同時由于是盲孔結(jié)構(gòu)，不存在空間電磁輻射導(dǎo)致通道隔離度低的問題。

圖4中地平面GND1層中陰影部分為金屬，中間圓環(huán)處為焊盤，焊盤中間通過金屬化垂直過渡盲孔與帶狀線連接，其余空白部分為露出的介質(zhì)。帶狀線層與金屬化垂直過渡盲孔連接位置設(shè)計匹配結(jié)構(gòu)，以改善帶狀線與盲孔之間的阻抗不連續(xù)性。地平面GND2層垂直過渡盲孔正下方增加開孔，以減小等效寄生平板電容，提高毫米波頻段信號傳輸質(zhì)量。地平面GND3層為完整地平面，與垂直過渡盲孔周圍的兩圈接地過孔形成完整屏蔽結(jié)構(gòu)，以減小電磁輻射。通過對GND1層介質(zhì)避讓尺寸、帶狀線匹配節(jié)尺寸以及GND2層開孔尺寸進行調(diào)諧優(yōu)化，最終使得整個過渡匹配結(jié)構(gòu)在0.5 GHz～40 GHz范圍內(nèi)傳輸駐波均優(yōu)于20 dB，仿真模型及結(jié)果如圖5所示。

2? 無纜化射頻模塊研究

對于標(biāo)準(zhǔn)模塊而言其對外接口和內(nèi)部射頻母板上表貼射頻連接器接口成垂直關(guān)系，需要通過大量的射頻電纜進行轉(zhuǎn)接互聯(lián)，如圖6所示。在射頻母板設(shè)計布局時需要充分考慮對外互聯(lián)電纜的走線及布局要求，射頻電纜直徑一般都比較粗，國內(nèi)目前做的比較成熟的射頻電纜直徑最小也有1.3 mm左右。同時為了保證駐波、相位的傳輸效果良好以及長期使用的可靠性，射頻電纜對最小轉(zhuǎn)彎半徑有嚴(yán)格控制要求，需要在母板表面預(yù)留充足電纜布線空間。這也就導(dǎo)致無法在射頻母板上實現(xiàn)SiP最大化高密度安裝。而且電纜制作過程中主要依靠手工進行操作，通道一致性難以保證，電纜裝配在模塊中除了點膠外，沒有更好的機械固定方式，振動時容易產(chǎn)生相位偏差、駐波惡化等問題，甚至還會發(fā)生松脫[5]。

為減少電纜使用，提高模塊集成度，同時提高裝配一致性和振動可靠性，本文基于“SiP+射頻母板+表貼射頻連接器”的方式提出了一種無纜化的通用射頻模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，整體通過高集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器實現(xiàn)母板上表貼射頻連接器與模塊接口的盲插互聯(lián)，去除了大量互聯(lián)電纜的使用。同時可采用雙層母板布局，極大提升了設(shè)計靈活性和產(chǎn)品集成度。

2.1? 集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器設(shè)計

集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器作為連接射頻母板與模塊標(biāo)準(zhǔn)接口的橋梁，是實現(xiàn)模塊無纜化設(shè)計的關(guān)鍵組成部分。首先根據(jù)正面射頻母板上SiP的最大高度以及空間最大化利用原則確定正面母板在模塊內(nèi)的安裝高度，并以此確定出模塊的中間骨架位置作為母板的基準(zhǔn)安裝臺。

將射頻母板上表貼射頻連接器集中放置在母板邊緣靠近模塊接口一側(cè)，并嚴(yán)格按照模塊接口的陣列排布方式及間距對母板上表貼射頻連接器進行相應(yīng)的陣列排布。此時模塊接口和射頻母板上的表貼射頻連接器之間形成了一套互相垂直且一一對應(yīng)的接口陣列，如圖7所示。該接口陣列在空間上由內(nèi)外兩排構(gòu)成，在其中間通過兩組90°彎式射頻KK頭就可以實現(xiàn)接口陣列兩端的信號聯(lián)通。對于所需的兩組90°彎式射頻KK頭其長邊及短邊尺寸需與接口陣列的內(nèi)外排垂直連接邊的尺寸保持一致。然后再通過結(jié)構(gòu)件將兩組90°彎式射頻KK頭固定形成一個高度集成的彎式射頻轉(zhuǎn)接器構(gòu)件即可。

通過集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器可實現(xiàn)母板垂直接口與模塊水平接口的一次性對插，再通過螺釘將正面母板與基準(zhǔn)安裝臺固定即可。

2.2? 雙層母板對插板間距設(shè)計

對于復(fù)雜功能的模塊設(shè)計單純依靠正面母板無法實現(xiàn)全部功能要求，因此需要采用雙層母板堆疊的方式進一步提高內(nèi)部集成度，兩層母板之間通過表貼射頻連接器和直式射頻KK頭完成信號互通，如圖8所示。

在理想狀態(tài)下正面射頻母板和背面射頻母板上對應(yīng)的表貼射頻連接器中心軸應(yīng)完全重合，直式射頻KK頭裝進去后應(yīng)處于完全豎直狀態(tài)。但實際生產(chǎn)過程中，表貼射頻連接器在射頻母板上焊接時存在一定的偏差，同時上下兩層射頻母板在模塊盒體上裝配時也存在一定的偏差，這就導(dǎo)致實際中上下兩個表貼射頻連接器中心軸會有一定的位移偏差X。直式射頻KK頭裝進去后處于傾斜狀態(tài)，KK頭中軸線與表貼座中軸線在空間上會形成一個偏轉(zhuǎn)夾角α。

在高集成射頻互聯(lián)方面，常用的表貼射頻連接器及射頻KK頭端面型號為SSMP，為確保長期的使用可靠性，針對射頻KK頭連接器廠家一般會推薦一個實際應(yīng)用中所允許的最大偏轉(zhuǎn)夾角α。射頻KK頭的對插部位為彈性接觸片，超過允許角度后雖然也可以進行裝配，且射頻KK頭的彈性部位會產(chǎn)生較大變形，隨著時間推移會慢慢發(fā)生塑性變形，KK頭彈力逐步消失導(dǎo)致射頻接地不良，影響傳輸質(zhì)量。更有甚者在裝配階段就會發(fā)生射頻KK頭損壞的情況。結(jié)合大量的工程實踐，SSMP型KK頭在實際應(yīng)用中所允許的偏轉(zhuǎn)夾具α建議≤2°。

因此對于雙層母板設(shè)計方案，在對板間距L進行確定時，首先要根據(jù)射頻母板上表貼座的最大焊接誤差以及母板裝配的最大誤差累加得到相應(yīng)射頻表貼座在極限情況下的位移偏差X，然后根據(jù)射頻KK頭裝配時允許的最大偏轉(zhuǎn)夾角α對板間距L進行計算，具體如式（1）所示。

L = X / tanα? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

根據(jù)式（1）所計算出的板間距L表示允許的最小值，實際產(chǎn)品設(shè)計時不能小于該值。部分場合為了節(jié)約空間減少板間距，就需減小表貼射頻連接器在射頻母板上的裝配誤差，同時通過設(shè)計銷釘?shù)确绞綔p小上下兩層射頻母板在模塊盒體上的裝配偏差。

2.3? 射頻母板固定方式確定

對于基于射頻母板的無纜化模塊而言，其上邊布局的均是基于BGA接口的SiP器件，在振動環(huán)境下母板的翹曲變形很容易造成BGA頂角焊球開裂[6]。因此需要通過仿真分析合理設(shè)計母板固定螺釘布局，提高整體剛性，才能確保使用安全性。針對常用的2.5 mm厚多層介質(zhì)母板，本文通過仿真分析及實物驗證的方式對模塊內(nèi)母板緊固螺釘?shù)牟季诌M行了分析研究，結(jié)果表明當(dāng)螺釘布局采用50 mm×

70 mm的矩形陣列排布方式時可實現(xiàn)母板上SiP的緊密排布，同時能夠滿足高強度振動要求。針對不同集成度產(chǎn)品實現(xiàn)需求可根據(jù)具體的電路布局對緊固螺釘?shù)奈恢眠M行適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)有較大調(diào)整或表面SiP過于集中時可以通過設(shè)置加強筋的方式提高整體剛度，防止振動翹曲。

3? 實物測試及結(jié)果分析

為驗證本文所研究的表貼射頻連接器高頻匹配的實際傳輸效果，按照圖5的仿真結(jié)構(gòu)加工了多組實物樣件并進行了測試分析，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出采用本文所研究的高頻匹配結(jié)構(gòu)加工的實物在0.5 GHz～40 GHz范圍內(nèi)測試其駐波均優(yōu)于2，插損曲線沒有出現(xiàn)突然惡化等問題，說明該過渡結(jié)構(gòu)在全頻段的匹配均比較理想，能夠滿足毫米波使用需求。

基于所研究的表貼射頻連接器匹配結(jié)構(gòu)與集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器結(jié)合，最終完成的無纜化射頻ASSAC標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計方案如圖10所示。該模塊采用全盲插互聯(lián)，正面母板固定在微波盒體頂部，并通過集成彎式射頻轉(zhuǎn)接器實現(xiàn)與模塊接口的連接，背面小母板安裝于模塊盒體另一邊，兩層母板之間通過直式射頻KK頭實現(xiàn)垂直互聯(lián)，整個模塊結(jié)構(gòu)緊湊裝配方便。

4? 結(jié)? 論

本文針對傳統(tǒng)射頻模塊集成度低、裝配難度大、工藝復(fù)雜、通道指標(biāo)一致性難以保障等問題，研究了一種基于表貼射頻連接器的無纜化模塊結(jié)構(gòu)。同時針對表貼射頻連接器的高頻匹配過渡結(jié)構(gòu)進行了仿真分析以及實物驗證，該匹配結(jié)構(gòu)很好解決了毫米波頻段射頻母板與表貼射頻連接器的傳輸反射系數(shù)大、射頻插針焊接可靠性不足等問題，已在工程實踐進行了廣泛應(yīng)用。

本文所研究的無纜化射頻模塊結(jié)構(gòu)方案有效解決了工程實際中電纜裝配復(fù)雜、固定困難、占用空間大、集成度無法進一步提升等問題。采用該結(jié)構(gòu)方案通過不同功能SiP組合以及母板內(nèi)的走線的設(shè)計可實現(xiàn)不同功能的模塊需求，整體結(jié)構(gòu)復(fù)用性強，功能派生方便，具有很高的實用價值。

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作者簡介：廖翱（1983.10—），男，漢族，四川資陽人，高工，碩士，研究方向：微波電路小型化及SIP封裝，高性能小型化微波濾波器。