一种传输射频信号柔性印制板互连组件的设计

2020-05-13 06:50栾壹侠

机电元件 2020年2期

栾壹侠

(上海航天科工电器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

现代通讯系统中，离不开印制板的使用，印制板作为电子元件的载板，具有固定元件和传输信号等基本功能。根据使用板材状态的不同，印制板分为刚性板和柔性板。随着整机对轻重量和小体积的需求不断增加，柔性板优势凸显。柔性板相比刚性板可弯曲、可折叠，具有重量轻、占用空间小的优势。本论文中介绍了一款刚柔结合印制板上安装连接器的柔板互连组件，用于某雷达组控机箱内TR组件模块和DBF板的互连，传输信号类型为200MHz射频信号和低速控制信号。

2 柔板互连组件结构介绍

某雷达组控机箱内柔板互连结构见图1所示，原来机箱内各模块的互连是采用电缆组件，后来采用了柔板互连组件进行互连，以满足集成化和减重的要求。

图2为柔板互连组件示意图，该组件主要由3个连接器、刚柔结合板、导向柱、安装螺钉等组成。其中柔板一端有2个射频混装连接器，用来连接2个TR组件，柔板另一端有一个连接器，用来连接DBF板。机箱内TR组件模块与DBF板之间通过柔板互连组件实现射频信号和低速控制信号的通信。

图1 柔板互连组件安装示意图

3 柔板互连组件材料选择和叠层设计

3.1 柔板特点

•可挠曲性：柔板最显著的优势是可弯曲和折叠，方便在三维空间进行布线或立体安装。

(a)正面45°俯视图 (b)侧视图 (c)背面45°俯视图图2 柔板互连组件安装后形态

•体积小：与电缆导线相比，柔板的导体截面薄而扁平，减少了导线尺寸。

•重量轻：柔板的材料决定了产品的重量轻，和电缆导线或刚性印制板相比，在相同载流力下，柔板重量可减轻50%以上。

•安装简便：柔板可避免使用电缆导线，消除了电缆组件的装接出错，导线缠绕等问题。

柔板非常薄，如果接插件直接焊接在上面，在生产和使用时，焊盘容易损坏，所以，在接插件焊接安装处应具有一定的厚度和刚性，那么刚柔结合板是最好的选择。本文中柔板两个端部是刚性印制板，连接器焊接安装在刚性印制板上。

3.2 板材选择

在柔性板设计中，材料的类型和结构非常重要。材料主要决定着柔性板的柔软性、电气特性和机械特性等。

柔板材料分为有胶板材和无胶板材，两者区别在于中间是否有胶。如图3(a)和图3(b)所示。一般产品使用有胶板材，无胶板材使用在弯折要求高，或高温工作环境下，但无胶板材价格贵。

(a) 有胶板材 (b) 无胶板材图3 柔性板材

柔性板基材有聚酰亚胺(PI，分有胶和无胶)、聚酯(PET，有胶)、聚四氟乙烯(PTFE)三种，各有优缺点。本文中柔板层数较多，且外形长度较短，为了具有更好的弯折性，柔性材料选择杜邦无胶PI材料。

最常用、最经济的导体材料是铜箔。板材的铜箔有两种，一种是压延铜箔(RA),另一种是电解铜箔(ED)。压延铜箔柔曲性能好，可进行上千次以上的动态柔曲，用于对柔曲性能要求高的产品上，但压延铜箔板材价格贵；电解铜箔易发生断裂，常用于一次性柔曲产品上。除了铜箔以外，柔性板的其它导体材料还有铜镍合金和导电涂料。

设计者和柔板加工厂家必须依据成本、性能和可制造性来选择材料。本文中柔板选择的材料如下表：

表1 刚柔板材料选择列表

3.3 层叠设计

根据电路规模、印制板尺寸，确定柔性板层数。从布线方面来说，层数越多越有利于布线，但是制板成本和难度也会随之增加。所以层数的选择需要考虑线宽的电流承载能力、电压爬电距离、EMC要求、特性阻抗要求、压降要求等等因素。

一般刚柔结合板的刚性板部分层数比柔性板部分层数至少要多2层，顶层和底层分别多1层。

该刚柔结合板层叠设计如图4所示，刚性板设计为10层，柔性板设计为8层，根据产品结构特点，8层的柔板分布在不同平面区域，实际同一平面区域内最多只有4层柔板，这种结构设计是为了在狭小空间内提高柔板的弯折性。

图4 刚柔结合板层叠设计

4 电性能设计

互连组件不仅要能够正确安装在机箱内，同时电气性能要满足技术要求。

该柔板互连组件工作频率200MHz，需要控制的电性能参数主要有特性阻抗、插损、隔离度。要求如表2所示。

表2 射频参数要求

由于互连板走线长度≤50mm和传输速率为200MHz，凭经验判断插损≤1dB，可以满足不大于1.2dB的要求，因此不再进行仿真分析，这里隔离度参数是分析的重点和难点。该柔板互连组件用于雷达控制机箱内，整个雷达系统隔离度要求≤-65dB,对于该互连柔板组件要求射频信号隔离度≤-75dB。对于柔性印制板来说，-75dB隔离度要求有一定难度。

4.1 特性阻抗设计

互连结构中特性阻抗参数是控制其它传输参数的基础。需要考虑互连结构中整个链路的阻抗匹配情况，组件内信号传输所经过的路径顺序为：连接器-连接器焊接处-刚性印制板-柔性印制板-刚性印制板-连接器焊接处-连接器。

信号在互连结构传输路径中，连接器是过孔安装，为阻抗突变点，因此连接器封装对信号匹配和隔离度有很大的影响。印制板走线按照传输线阻抗匹配设计就可以，不多作介绍。

图5 射频传输路径的特性阻抗仿真模型

图6 连接器封装模型

图7 射频传输路径的特性阻抗仿真结果

射频传输线采用PCB带状线结构，铜厚为0.5oz，基材选用PI，介电常数ε=3.4。选取相邻最近的走线进行仿真建模。仿真模型如图5所示。连接器和印制板焊接处的封装设计为本传输路径中控制重点，是优化特性阻抗的关键，图6为连接器封装图，通过仿真优化封装设计。仿真结构如图7所示。射频特性阻抗仿真出来为49Ω～52Ω。满足技术要求。

4.2 隔离度设计

射频信号隔离度反映射频信号之间干扰情况。隔离度设计需要考虑信号的整个传输链路，保证处处具有好的信号隔离，处理好每一处的泄露点。柔板互连组件重点优化传输线设计和连接器设计两个方面。

①增加传输线之间间距或在走线之间使用地过孔屏蔽可以提高信号之间隔离度，这里印制板有柔性部分，柔性区域无法使用地过孔，因此采取增大走线间距方法。

②连接器射频接触件为同轴连接器，连接器和印制板焊接处为射频泄露点，需要重点分析。

常规相邻的两个连接器焊脚布局设计如图8所示，这里为了增大隔离度，连接器焊脚布局旋转45度，增加两射频信号之间地隔离，优化后为图9所示。

图8 常用相邻射频连接器焊脚布局

图9 优化后相邻射频连接器焊脚布局

在通常情况下，通常焊接印制板的连接器考虑到焊接时焊锡会爬高，因此，连接器底面和印制板表面不是完全贴合，会留有一点间隙，如图10所示。这个间隙尺寸d也是重点分析参数。同时，连接器安装面的印制板表层设为射频地层，使射频信号在此处有更近的回路，这样更有利于增大隔离度。还需要考虑连接器焊脚长度，在焊接可靠情况下，焊脚长度尽量短，这样寄生电容越小。

图10 连接器底面与印制板表面间距d

确定分析重点后，进行仿真分析，并优化仿真结果。仿真模型如上图5所示。通过多次优化，两路射频传输串扰优化后仿真结果图如下图11所示，这是选取了远端和近端中串扰最大的仿真结果，射频传输串扰可以满足≥100dB。此仿真结果下，各优化后参数如下：①射频信号在印制板上走线间距≥1.2mm；②连接器底面和印制板表面间距需要满足d≤0.35mm；③印制板厚度为1.9mm情况时,焊脚伸出印制板的长度≤1.2mm。