毫米波混頻器的屏蔽結構的研究

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:本文研究了一種應用于40~50GHz 三端口混頻器的屏蔽結構。文章首先介紹了該頻段屏蔽盒的結構并討論了設計過程中的空腔諧振問題,然后,給出了屏蔽盒的腔體設計與同軸接口的具體設計,并分析了軟件仿真時需要考慮的問題。最后,采用電磁仿真軟件HFSS 對所設計的屏蔽盒進行了反射特性和傳輸特性的仿真。仿真結果顯示,在38~54GHz 頻段內(nèi),射頻與本振端口的反射系數(shù)均小于15dB,射頻與本振端口直連的傳輸損耗小于1dB,未發(fā)生寄生的諧振現(xiàn)象,整體性能良好。

1 引言

近年來,隨著無線通信技術的不斷發(fā)展,無線電頻譜的低端頻率已趨飽和,毫米波無線通信系統(tǒng)憑借頻帶寬、分辨率高、功耗小等諸多優(yōu)勢,得到了廣大研究者們的重視,工作于毫米波頻段的放大器,混頻器,濾波器,天線等不斷出現(xiàn)。近年來針對毫米波近遠程通信的研究逐漸成為熱點,2013 年工信部頒布了40-50GHz 頻段點對點以及短距通信的頻譜規(guī)劃[1,2]。

然而,由于毫米波頻段頻率較高,工作于該頻段的芯片缺少有效的封裝,從而給芯片的測試和應用帶來不便。本文所設計的屏蔽結構就是針對工作于40-50GHz 的一種混頻器給出該問題的一個有效的解決方案。

2 屏蔽盒介紹

本文所設計的屏蔽盒是針對一個可用于40~50GHz 的毫米波混頻器HMC001。該混頻器具有三個端口,因此需要在屏蔽盒的三端開口以便于同軸線和微帶線相中頻口,如圖1 所示。屏蔽盒中可以放置PCB 板,PCB 板的中間挖空一小塊,用來將混頻器芯片放置其中,將混頻器的三個焊盤分別鍵合到PCB 板上的三條微帶線上,如圖2,這樣通過微帶轉(zhuǎn)同軸結構[3],可以方便的用矢量網(wǎng)絡分析儀測試混頻器的性能,無需用到探針臺,并且可以避免測試過程中觸碰到鍵合線。

本文針對該混頻器的屏蔽結構開展研究,重點設計了屏蔽盒的尺寸結構以及射頻與本振端口的轉(zhuǎn)接結構。

圖1 40~50GHz 混頻器屏蔽結構需求

圖2 芯片放置于PCB 挖空位置

3 屏蔽盒設計與仿真

3.1 屏蔽盒結構設計

由于同軸線轉(zhuǎn)微帶時,模式發(fā)生突變,會給傳輸性能帶來很大影響[4],且由于屏蔽盒的兩個毫米波端口處開口大小正好放下西南微波2.4mm 接頭的玻璃絕緣子[5],從而同軸線裸露在腔體中的上半部分會向腔體空間中泄露電磁波,導致傳輸系數(shù)惡化,同時增加了腔體內(nèi)部諧振的可能性。首先為了抑制電磁波泄漏問題,實現(xiàn)良好的同軸-微帶連接、減小連接損耗,針對射頻與本振端口采用了文獻[3]中的拱橋結構,如圖3 所示,拱橋的尺寸對調(diào)節(jié)腔內(nèi)的諧振有很重要的作用。

圖3 拱橋結構

其次,為了減小空腔諧振的可能性,本文采取兩種方法并用:

1、需要設計合適大小的屏蔽盒;

2、由于屏蔽盒加工完成后,使用時要加上蓋子,在盒蓋的內(nèi)部貼上吸波材料[6]可以有效的吸收腔內(nèi)電磁波,從而降低諧振的可能性。如圖4 所示,長為a,寬為b,高為z 的矩形腔

的諧振頻率為[7]:

在設計中需要合理選擇屏蔽盒的尺寸,各個端口的位置,并進行仿真優(yōu)化以避免諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4 矩形諧振腔

3.2 屏蔽盒仿真

由公式選定屏蔽盒初始尺寸:長為16mm,寬為8mm,高為3mm,然后在HFSS 中建立模型。建模時,在基板上挖空一塊來模擬芯片放置時的情景,如圖5 所示。本文忽略了鍵合線和芯片材料、焊盤的影響。由于混頻器中頻輸出端頻率較低,輻射較小,不會導致屏蔽盒中的諧振,故該端口無需采用拱橋結構?；捎肦ogers RT/duroid 5880,介電常數(shù)為2.2,厚度采用0.254mm,微帶傳輸線厚度采用0.035mm。

圖5 HFSS 模型

利用仿真軟件HFSS 對該屏蔽盒進行仿真優(yōu)化,最終屏蔽盒尺寸長為20mm,寬為18mm,高為3mm,拱橋結構三視圖見圖6,參數(shù)尺寸如表1所示。仿真結果見圖7。S11 為圖5 中port1 的反射系數(shù),S21 為port1 到port2 的傳輸系數(shù)。另外兩個端口與此端口結果是對稱的。

圖6 拱橋三視圖

圖7 屏蔽盒仿真結果

由仿真結果可見,本文所設計的毫米波屏蔽盒S11 均低于-15dB,|S21|均小于1dB。屏蔽盒性能良好,可以大大方便三端口混頻器性能的測試與應用。

4 結論

本文研究并設計了應用于三端口毫米波混頻器的屏蔽盒,大大簡化了混頻器芯片的測試過程。利用HFSS 仿真軟件對所設計的屏蔽盒進行了仿真和優(yōu)化,最終結構性能良好。在仿真時,若能把鍵合線和芯片材料的因素都考慮進去,得到的結果將更加接近于實際情況。本文所做的工作有望于為其他的毫米波芯片的測試和應用提供一定的參考。

作者:朱月月陳繼新東南大學毫米波國家重點實驗室

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