刘志丹 张 飞 赵志平 陈 帅

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710000）

0 引言

T/R组件作为相控阵雷达的核心，其中包括功率放大器、衰减器、移相器、开关等固态集成电路，整个电路通过微带电路板连接，所用的微带电路板大都采用大面积接地结构[1][2]。微带电路板接地包括螺钉连接和焊接等方式，螺钉连接由于连接间隙导致功能块间的串扰，无法获得满意的微波性能，大大增加了调试的工作量和难度，降低了组件的可靠性。20世纪80年代末，国外开始尝试用焊接的方法来替代螺钉压紧的方法，改点接触为面接触，使串扰降至 0.1 dB，损耗也大大降低[3]。

微带电路板焊接过程受工艺参数及技术人员水平等因素的影响，焊料层空洞难以避免，其会对微波电路的性能指标造成不利的影响[4]。刘炳龙[5]等人研究了组装方法对微波模块电压驻波比的影响，发现微带板接地效果越好，驻波越小。彭雪林[6]等人研究了钎焊中空洞对微波信号传输性能的影响，发现随着器件工作频率越来越高，焊料层空洞的出现会导致严重的信号完整性问题。

焊料层空洞的形状不规则、随机性很大，工程上对空洞的测量通常采用物理X光照射，通过对阴影形态进行辨别来确定空洞的形状并进行钎透率的估算。相关文献指出，空洞的形状大多为圆形或椭圆形[7]，其中某些空洞会贯穿整个焊料层长度方向，近似为方形，贯穿型空洞会造成整个接地焊接钎透率降低，引起微带电路板传输性能的严重恶化。文章通过高频结构仿真软件，对微带电路板与焊料层空洞建模，分析贯穿型空洞对传输性能的影响，并以贯穿型空洞为基础，同时分析钎透率对传输性能的影响。

1 建模方案

微带电路板焊料层空洞随机分布，很难通过实验定量分析其对传输性能的影响，为了掌握空洞的结构尺寸、位置对微波信号传输性能的影响，采取建模与仿真的方式进行分析。以基本的微带电路板为对象，研究微带电路板焊接后，空洞对其传输性能的影响。该结构形式包括微带线、基板、焊料层以及接地外壳等四个部分，微带板特性阻抗选为50 Ω。模型图如图1所示，组件尺寸与材料见表1所示。

表1 组件尺寸与材料表

图1 微带电路板接地焊接模型图

在三维电磁建模软件中建立微带电路板的传输模型，在焊料层建立不同位置、大小的贯穿型空洞，进行电磁仿真计算，研究其对传输性能，研究的参数包括电压驻波比（VSWR）和正向传输系数（S21）。电压驻波比表示传输线的阻抗匹配程度，正向传输系数指传输线的传输损耗，均为表征传输线传输性能的重要电学参数。文章主要计算S波段（2～4 GHz）和X波段（8～12 GHz）频带范围内各模型的微波电路参数。分析贯穿型空洞对传输性能的影响，并以贯穿型空洞为基础，同时分析钎透率对传输性能的影响。

2 仿真结果及分析

2.1 空洞位置对微带电路板传输性能的影响

为了探讨贯穿型空洞位置和大小对微波信号传输性能的影响，在焊料层内边缘分别建立5%和10%的空洞，X的方向为沿微带线方向，Y为垂直微带线方向，空洞直接贯穿整个馈电端口（如图2所示）。

图2 贯穿空洞位置图

对各个情况进行电磁建模计算，得到的结果如图3所示。0为空洞率0%，1和3为沿X方向，空洞率5%，2和4为沿Y方向空洞，空洞率10%。从图中可以看出，5%大小的空洞在S波段对微波电路的传输性几乎不存在影响，正向传输系数和电压驻波比与完全钎透几乎一致，随着频率上升，正向传输系数和电压驻波比较有所上升。10%大小的空洞在对微波电路的传输性影响较大，Y方向的正向传输系数和电压驻波比明显大于X方向。

图3 不同位置焊料层空洞的仿真结果图

从仿真结果可以发现位于馈电端口处的空洞明显影响微带电路板传输性能，并且随着频率增加，电讯指标也随之恶化。焊料层空洞的存在会降低微波信号的传输性能，特别是电磁信号在高速传播过程中，随着器件工作频率的越来越高，这种影响也越来越显著。

为了进一步探讨空洞位置对微波电路传输性能的影响，文章又对方形贯穿型空洞沿X和Y方向路径变化时的微波电路传输性能参数进行了电磁计算。以方形空洞左侧边缘距微带板左侧边缘的距离为变量，分析10%大小空洞在Y方向分布（每次移动距离1 mm）对微带线正向传输系数和电压驻波比的影响，计算得到的结果如图4所示。上图中横坐标代表着空洞在钎层中所处位置，坐标0点表示空洞在焊料层左端，坐标10表示空洞在焊料层右端。

对比图4可以发现，当空洞沿着微带线下方变化时，在S频段，正向传输系数在-0.022dB至-0.038 dB范围内变化，电压驻波比在1.02至1.12范围内变化；在X频段，正向传输系数在-0.044 dB至-0.065 dB范围内变化，电压驻波比在1.03～1.14范围内变化。可以看出，当空洞位于微带线下方时，会贯穿整个微带线，会造成微带线传输性能的恶化，其余位置影响不大。

图4 焊料层空洞沿Y方向变化的仿真结果图

按相同方式分析10%大小的空洞沿X方向分布，间距为1 mm，坐标0表示焊料层空洞位于为微带线输入端口，10表示空洞位于微带线输出端口。进行电磁仿真计算，计算得到的结果如图5所示。

对比图5可以发现，当空洞沿着微带线下方变化时，在S频段，正向传输系数在-0.022 dB至-0.038 dB范围内变化，电压驻波比在1.01至1.12范围内变化；在X频段，正向传输系数在-0.044 dB至-0.064 dB范围内变化，电压驻波比在1.02～1.14范围内变化。可以看出，在输入端口处正向传输系数小于其余位置，电压驻波比大于其余位置，在X波段空洞位于微带板中间位置时也会对传输性能产生较大影响，其余位置对微波传输性能的影响不大。

图5 焊料层空洞沿X方向变化的仿真结果图

2.2 钎透率对微带电路板传输性能的影响

通过以上研究发现，单个焊料层空洞的影响并不是非常明显，加大空洞面积，以沿微带方向方形贯穿型空洞为基础，通过改变钎焊面积，分别计算钎透率在 100%、80%、60%与40%四种不同程度范围内变化时，微波电路的传输性能参数。

通过仿真计算，具体结果如图6所示。从图中可以看出，随着微带板底部钎透率的降低，电压驻波比与正向传输系数都是逐渐增大的，且80%钎透率和100%钎透率性能十分接近，正向传输系数和电压驻波比基本一致，60%钎透率性能较80%变化也不大，当钎透率只有40%时微波传输性能劣化明显，与完全钎透具有较大差值。

图6 不同钎透率的仿真结果图

由此可见，随着钎透率的降低，微波电路的传输性能是逐渐下降，在钎透率下降至40%时传输性能才会急剧恶化。因此在微带电路板焊接过程中，应确保较高的钎透率，确保阻抗匹配，提高微带电路板的传输性能。

3 结论

总的来说，单个焊料层空洞对微带电路板电路传输性能的影响还是比较小的，贯穿型空洞位于馈电端口和微带线正下方，会导致性能下降。随着钎透率的降低，微波电路的传输性能是逐渐下降，在钎透率下降至40%时传输性能才会急剧恶化。在实际工程中，当多个器件一起构成有源电路时，焊料层空洞的影响就会被放大，影响整个组件的传输性能。