毫米波混频器的屏蔽结构的研究
时间：10-02
整理：3721RD
点击：
摘 要：本文研究了一种应用于40~50GHz 三端口混频器的屏蔽结构。文章首先介绍了该频段屏蔽盒的结构并讨论了设计过程中的空腔谐振问题，然后，给出了屏蔽盒的腔体设计与同轴接口的具体设计，并分析了软件仿真时需要考虑的问题。最后，采用电磁仿真软件HFSS 对所设计的屏蔽盒进行了反射特性和传输特性的仿真。仿真结果显示，在38~54GHz 频段内，射频与本振端口的反射系数均小于15dB，射频与本振端口直连的传输损耗小于1dB，未发生寄生的谐振现象，整体性能良好。1 引言近年来，随着无线通信技术的不断发展，无线电频谱的低端频率已趋饱和，毫米波无线通信系统凭借频带宽、分辨率高、功耗小等诸多优势，得到了广大研究者们的重视，工作于毫米波频段的放大器，混频器，滤波器，天线等不断出现。近年来针对毫米波近远程通信的研究逐渐成为热点，2013 年工信部颁布了40-50GHz 频段点对点以及短距通信的频谱规划[1,2]。
然而，由于毫米波频段频率较高，工作于该频段的芯片缺少有效的封装，从而给芯片的测试和应用带来不便。本文所设计的屏蔽结构就是针对工作于40-50GHz 的一种混频器给出该问题的一个有效的解决方案。2 屏蔽盒介绍本文所设计的屏蔽盒是针对一个可用于40～50GHz 的毫米波混频器HMC001。该混频器具有三个端口，因此需要在屏蔽盒的三端开口以便于同轴线和微带线相中频口，如图1 所示。屏蔽盒中可以放置PCB 板，PCB 板的中间挖空一小块，用来将混频器芯片放置其中，将混频器的三个焊盘分别键合到PCB 板上的三条微带线上，如图2，这样通过微带转同轴结构[3]，可以方便的用矢量网络分析仪测试混频器的性能，无需用到探针台，并且可以避免测试过程中触碰到键合线。本文针对该混频器的屏蔽结构开展研究，重点设计了屏蔽盒的尺寸结构以及射频与本振端口的转接结构。
图1 40~50GHz 混频器屏蔽结构需求
图2 芯片放置于PCB 挖空位置3 屏蔽盒设计与仿真3.1 屏蔽盒结构设计由于同轴线转微带时，模式发生突变，会给传输性能带来很大影响[4]，且由于屏蔽盒的两个毫米波端口处开口大小正好放下西南微波2.4mm 接头的玻璃绝缘子[5]，从而同轴线裸露在腔体中的上半部分会向腔体空间中泄露电磁波，导致传输系数恶化，同时增加了腔体内部谐振的可能性。首先为了抑制电磁波泄漏问题，实现良好的同轴-微带连接、减小连接损耗，针对射频与本振端口采用了文献[3]中的拱桥结构，如图3 所示，拱桥的尺寸对调节腔内的谐振有很重要的作用。
图3 拱桥结构其次，为了减小空腔谐振的可能性，本文采取两种方法并用：1、需要设计合适大小的屏蔽盒；2、由于屏蔽盒加工完成后，使用时要加上盖子，在盒盖的内部贴上吸波材料[6]可以有效的吸收腔内电磁波，从而降低谐振的可能性。如图4 所示，长为a，宽为b，高为z 的矩形腔的谐振频率为[7]：
在设计中需要合理选择屏蔽盒的尺寸，各个端口的位置，并进行仿真优化以避免谐振现象的产生。
图4 矩形谐振腔3.2 屏蔽盒仿真由公式选定屏蔽盒初始尺寸：长为16mm，宽为8mm,高为3mm，然后在HFSS 中建立模型。建模时，在基板上挖空一块来模拟芯片放置时的情景，如图5 所示。本文忽略了键合线和芯片材料、焊盘的影响。由于混频器中频输出端频率较低，辐射较小，不会导致屏蔽盒中的谐振，故该端口无需采用拱桥结构。基片采用Rogers RT/duroid 5880，介电常数为2.2，厚度采用0.254mm，微带传输线厚度采用0.035mm。
图5 HFSS 模型利用仿真软件HFSS 对该屏蔽盒进行仿真优化，最终屏蔽盒尺寸长为20mm，宽为18mm，高为3mm，拱桥结构三视图见图6，参数尺寸如表1所示。仿真结果见图7。S11 为图5 中port1 的反射系数，S21 为port1 到port2 的传输系数。另外两个端口与此端口结果是对称的。
图6 拱桥三视图
图7 屏蔽盒仿真结果由仿真结果可见，本文所设计的毫米波屏蔽盒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频器性能的测试与应用。4 结论本文研究并设计了应用于三端口毫米波混频器的屏蔽盒，大大简化了混频器芯片的测试过程。利用HFSS 仿真软件对所设计的屏蔽盒进行了仿真和优化，最终结构性能良好。在仿真时，若能把键合线和芯片材料的因素都考虑进去，得到的结果将更加接近于实际情况。本文所做的工作有望于为其他的毫米波芯片的测试和应用提供一定的参考。作者：朱月月 陈继新 东南大学毫米波国家重点实验室
微信万人群1.各群不要重复加入2.仅限射频相关人员
加群主，注明：单位+方向射频百花潭关注中国最大的射频公众号
射频百花潭专注于射频微波/高频高速领域技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立，该号已40000人关注，10000人加群，博士2000人以上，包括IEEE Fellow多名。PCB制板、射频微波/高频高速PCB设计与仿真、技术咨询，请联系群主： 15989459034 xxf@chinafastprint.com。
然而，由于毫米波频段频率较高，工作于该频段的芯片缺少有效的封装，从而给芯片的测试和应用带来不便。本文所设计的屏蔽结构就是针对工作于40-50GHz 的一种混频器给出该问题的一个有效的解决方案。2 屏蔽盒介绍本文所设计的屏蔽盒是针对一个可用于40～50GHz 的毫米波混频器HMC001。该混频器具有三个端口，因此需要在屏蔽盒的三端开口以便于同轴线和微带线相中频口，如图1 所示。屏蔽盒中可以放置PCB 板，PCB 板的中间挖空一小块，用来将混频器芯片放置其中，将混频器的三个焊盘分别键合到PCB 板上的三条微带线上，如图2，这样通过微带转同轴结构[3]，可以方便的用矢量网络分析仪测试混频器的性能，无需用到探针台，并且可以避免测试过程中触碰到键合线。本文针对该混频器的屏蔽结构开展研究，重点设计了屏蔽盒的尺寸结构以及射频与本振端口的转接结构。图1 40~50GHz 混频器屏蔽结构需求图2 芯片放置于PCB 挖空位置3 屏蔽盒设计与仿真3.1 屏蔽盒结构设计由于同轴线转微带时，模式发生突变，会给传输性能带来很大影响[4]，且由于屏蔽盒的两个毫米波端口处开口大小正好放下西南微波2.4mm 接头的玻璃绝缘子[5]，从而同轴线裸露在腔体中的上半部分会向腔体空间中泄露电磁波，导致传输系数恶化，同时增加了腔体内部谐振的可能性。首先为了抑制电磁波泄漏问题，实现良好的同轴-微带连接、减小连接损耗，针对射频与本振端口采用了文献[3]中的拱桥结构，如图3 所示，拱桥的尺寸对调节腔内的谐振有很重要的作用。图3 拱桥结构其次，为了减小空腔谐振的可能性，本文采取两种方法并用：1、需要设计合适大小的屏蔽盒；2、由于屏蔽盒加工完成后，使用时要加上盖子，在盒盖的内部贴上吸波材料[6]可以有效的吸收腔内电磁波，从而降低谐振的可能性。如图4 所示，长为a，宽为b，高为z 的矩形腔的谐振频率为[7]：在设计中需要合理选择屏蔽盒的尺寸，各个端口的位置，并进行仿真优化以避免谐振现象的产生。图4 矩形谐振腔3.2 屏蔽盒仿真由公式选定屏蔽盒初始尺寸：长为16mm，宽为8mm,高为3mm，然后在HFSS 中建立模型。建模时，在基板上挖空一块来模拟芯片放置时的情景，如图5 所示。本文忽略了键合线和芯片材料、焊盘的影响。由于混频器中频输出端频率较低，辐射较小，不会导致屏蔽盒中的谐振，故该端口无需采用拱桥结构。基片采用Rogers RT/duroid 5880，介电常数为2.2，厚度采用0.254mm，微带传输线厚度采用0.035mm。图5 HFSS 模型利用仿真软件HFSS 对该屏蔽盒进行仿真优化，最终屏蔽盒尺寸长为20mm，宽为18mm，高为3mm，拱桥结构三视图见图6，参数尺寸如表1所示。仿真结果见图7。S11 为图5 中port1 的反射系数，S21 为port1 到port2 的传输系数。另外两个端口与此端口结果是对称的。图6 拱桥三视图图7 屏蔽盒仿真结果由仿真结果可见，本文所设计的毫米波屏蔽盒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频器性能的测试与应用。4 结论本文研究并设计了应用于三端口毫米波混频器的屏蔽盒，大大简化了混频器芯片的测试过程。利用HFSS 仿真软件对所设计的屏蔽盒进行了仿真和优化，最终结构性能良好。在仿真时，若能把键合线和芯片材料的因素都考虑进去，得到的结果将更加接近于实际情况。本文所做的工作有望于为其他的毫米波芯片的测试和应用提供一定的参考。作者：朱月月 陈继新 东南大学毫米波国家重点实验室微信万人群1.各群不要重复加入2.仅限射频相关人员加群主，注明：单位+方向射频百花潭关注中国最大的射频公众号射频百花潭专注于射频微波/高频高速领域技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立，该号已40000人关注，10000人加群，博士2000人以上，包括IEEE Fellow多名。PCB制板、射频微波/高频高速PCB设计与仿真、技术咨询，请联系群主： 15989459034 xxf@chinafastprint.com。