基于有限元法的毛纽扣高频特性研究.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：研 究 与 设 计基于有限元法的毛纽扣高频特性研究李凯，郝健男，青春，陈宏超（沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，）摘要：毛纽扣作为小型互联结构的核心技术之一在射频系统中应用前景极为广泛。选择一种 尺寸的毛纽扣，选择 ，三种不同长度尺寸进行有限元仿真，分析不同接触长度对其造成的影响，并针对最长的 长度尺寸进行接口优化，分析其 接口中焊盘与反焊盘尺寸对接口高频性能造成的影响，为毛纽扣与 对接的接口优化设计提供理论支撑。关键词：有限元；毛纽扣；高频性能；接口 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言随着高频传输技术的发展，互联系统小型化与高频化趋势凸显，特别是在未来战争中的电子装备，对于质量与体积的要求越来越高，这对系统中的高频互连设备提出了新的挑战。在传统的电子系统装备中，各个功能模块或单元之间的信号与电源连接主要采用电缆连接、表贴焊接（）或球栅阵列（）焊接等互连方式。在射频微波系统中，由于高频传输要求高且信号通道多，各个功能模块之间的高频信号传输几乎完全依靠刚性电缆和高频连接器等，使得其结构体积大，占用较多空间，对系统的小型化和维护修理带来很大困难。另外，由于微波电路集成封装的特殊性，当它们与基板采用传统焊接方式时，其抗振动、基板表层金属剥离系数和便拆卸维护等可靠性问题也很难有效解决 。近些年，欧美等西方国家相继展开了三维垂直互连结构的研究，研制出多种三维结构微波组件，可以大幅度减小微波组件在其中占据的体积 。因此，毛纽扣则是按此思路研发，依靠机械弹性压合实现功能模块之间或功能模块与系统基板之间的无焊接垂直互联，并具有良好的射频性能的产品 。国内各研究机构对基于毛纽扣的微波模块垂直互连技术的研究较多，能够实现 波段带内驻波小于 ，插损小于 。本文通过 软件，利用有限元方法，以一种常用的 尺寸的毛纽扣为例，对不同长度的毛纽扣结合 板进行仿真分析对比，再对尺寸最长的 毛纽扣与 之间的接口进行优化，得到优化后的焊盘与反焊盘尺寸，为今后产品的设计提供了理论依据。材料选择及外壳体尺寸通过对相关资料的收集与分析，并根据特性阻抗的计算公式设计相应的尺寸参数，保证其特性阻抗在 ，特性阻抗计算公式如下 ：槡（）其中，为特性阻抗；表示相对介电常数；表示外壳体内径；表示内壳体外径。将毛纽扣作为同轴结构的内导体，将毛纽扣的固定载体作为介质，只需要再添加一层外导体，即可构成同轴结构。外导体的构成有两种方案：可以在外围环绕一圈毛纽扣构成类同轴结构，中心的毛纽扣起信号传输作用，外围的毛纽扣接地，充当外导体；或是直接在固定载体外表面镀金，形成外导体，构成同轴结构，只需安装一枚毛纽扣，便能形成稳定的板间互联 。为了对其进行仿真计算，收集毛纽扣外接 相关资料，通过分析 中的内容，得到针对该毛纽扣的外接 的一种通用参数并进行仿真，具体参数如下：对接 测 试 ，选 用 市 面 常 用 的 高 频 板 材 ，其相对介电常数为 ，通过阻抗计算相关软件进行计算，得到叠层信息如图 所示。其中 代表的为介质层厚度，设为 ；代表 的实际相对介电常数，的实际设计建议为 ；与 为上下线宽，近似按 进行计算。最终计算结果为 ，能够满足 的设计要求。图 叠层计算经过计算，直径尺寸为 的毛纽扣，绝缘体选择相对介电常数为 的绝缘材料，介质损耗约为 ，外壳体内径尺寸约为 ，构建模型如图 所示。首先通过 对 进行叠层建模设计，然后将其导入到三维电磁仿真软件中进行计算。如图 所示，上下基板均为 高频测试版，上基板上表面和下基板下表面均有微带线，整个结构设计工作频率为 附近，计算微带线线宽为 。上下基板另一面均为金属地，微带线末端通过金属通孔贯穿基板与毛纽扣相连。外层圆柱部分为固定载体，中心打孔用于固定。图 毛纽扣测试模型 多种长度对比选取不同长度的毛纽扣进行仿真计算并进行分析比较，选取值分别为常用的三种长度：、。经过仿真计算得到结果如图 所示。图 多长度高频参数对比机 电 元 件 年通过对比可以发现，随着长度的变化，阻抗及产品的插入损耗及回波损耗均会发生一定的变化，分析由于转接接口处的阻抗波动会导致整个通路阻抗波动，而毛纽扣的长度会影响整体链路的阻抗匹配，故在毛纽扣分析过程中其长度不可以忽略。接口优化以 ，长度毛纽扣为例进行 接口尺寸优化，接口位置如图 所示，对其焊盘与反焊盘进行优化，焊盘半径尺寸尽可能与毛纽扣尺寸相接近，出于工艺角度考虑，没有继续缩小空间，故而从反焊盘尺寸角度进行优化设计。选取 的半径尺寸进行优化，优化结果如图 所示。图 接口图 反焊盘优化通过观察可以发现，当反焊盘半径尺寸在 附近时，整体通路具有较好的高频性能，可以满足测试使用要求。结论本文通过 仿真平台根据针对毛纽扣的仿真测试进行研究，选择一种 尺寸的毛纽扣，选择 ，三种不同的长度尺寸进行有限元仿真，分析不同接触长度对其造成的影响；并针对最长的 长度尺寸进行接口优化，分析其 接口中焊盘与反焊盘尺寸对接口高频性能造成的影响，最终得出结论：焊盘尺寸尽量接近毛纽扣半径尺寸，同时，当反焊盘半径尺寸在 附近时，整体通路具有较好的高频性能，可以满足测试使用要求。通过本文的研究，在 有限元仿真平台的应用基础之上，通过高频性能的对比，分析了毛纽扣长度以及 接口尺寸对于其传输通道的高频特性影响，为分析毛纽扣的研制及其高频特性（下转第 页）第 期李凯等：基于有限元法的毛纽扣高频特性研究品平均测试时间在 左右。而使用控制组件综合测试设备后，通过编制测试程序，一键自动测试，单台产品测试可在 以内完成，测试效率提升了 多倍。该控制组件综合测试设备的研制成功，不仅满足了控制组件产品的功能和性能测试，而且提升了测试准确性和测试效率，也确保了测试数据的真实、全面和可追溯，满足了设计要求，有效破解了制约专业发展的短板问题。参考文献：郭恩全，卢君明 总线体系结构 国外电子测量技术，（）：叶雪荣，郑志洪，陈哲，刘明伟，徐军忠，翟国富 固态功率控制器国内外发展现状 电器与能效管理技术，（）：曹光磊，郭敏，阎涛，朱学波，李龙，曹宁 一种 总线开关模块平台化软件设计方法 网络信息工程，：，谢拴勤，张文浩，张永茂 基于 的固态功率控制器的测试系统设计 计算机测量与控制，（）：张秦 某型空空导弹飞行控制组件测试系统设计 河南科技，（）：（上接第 页）结束语本文采用 有限元仿真技术和正交试验研究相结合，对单口 连接器的接触特性进行分析研究，得出如下结论：）在振动条件下，随着振动频率的增大，正向接触力最小值呈减小趋势。）内导体弹片长度对接触件正向接触力影响最大，弹片角度和弹片间开口影响相对较小。本文介绍的方法和得出的结论，为连接器接触件的结构设计提供了参考，对于新产品设计阶段有很重要的指导意义，有利于提高新产品的开发速度，缩短研发周期，具有一定的工程应用价值。参考文献：范瑞娟 非线性有限元方法在结构接触分析中的应用 北京：国防工业出版社 任万滨，崔黎，翟国富等 电连接器接触件插拔特性与接触电阻的仿真分析 机电元件，（）：严智勇 基于 技术的连接器端子冲压分析与设计优化 模具制造 （）：杨智杰 基于有限元仿真的连接器插拔力及载流特性分析 北京：北京邮电大学 骆燕燕，梁弘，刘旭阳等接触件结构参数对电连接器振动特性的影响 电子测量与仪器学报 （）：任露泉 试验优化设计与分析 北京：高等教育出版社，荣命哲 电接触理论 北京：机械工业出版 ，（）：（上接第 页）提供了方法与依据，并为毛纽扣与 接口尺寸的优化设计提供了理论支撑。参考文献：刘江洪，刘长江，罗明等基于毛纽扣的板级垂直互连技术 电子工艺技术，（）：司建文，徐利，王子良 基于 的毛纽扣垂直互连技术研究 电子与封装，（）：，吴贵瑜无线通讯基站设备中 之间的射频互连设计 电脑与信息技术，（）：徐利，王子良，胡进等 基于毛纽扣的 微波模块垂直互连技术 固体电子学研究与进展，（）：滕鲁，喻忠军 一种基于毛纽扣的垂直互联结构 电子设计工程，（）：方南军，陈文兰 基于毛纽扣的 波段功分网络设计 中国科学信息，：，李凯，冯浩，青春等基于有限元法的 射频连接器传输特性优化研究 机电元件，（）：机 电 元 件 年