多频段微波器件中金丝键合路耦合建模与传输性能的影响分析及应用

摘要

T/R组件是有源相控阵雷达中非常重要组成模块，其内部包含有很多单片微波集成电路，例如数字移相器、功率放大器、环形器、开关电源等，各器件之间通常采用金丝键合来实现微波信号的传输。金丝键合的工艺参数，例如金丝直径、跨距、拱高、金丝根数显著影响着微波信号的传输，其工艺参数的微小改变都有可能引起金丝键合电性能的显著变化，进而影响单片微波集成电路的正常工作，甚至造成整个T/R组件乃至整个有源相控阵雷达电性能恶化。因此研究金丝键合工艺参数对其电性能的影响意义深远。
　　（1）本文以微波器件中金丝键合为研究对象，从路的角度出发，建立了金丝键合路耦合模型，即金丝键合电参数与工艺参数的耦合模型，基于建立的金丝键合路耦合模型，计算金丝键合不同工艺参数（单根金丝不同跨距大小、两根金丝不同间距大小）下的电性能，并从场的角度，在商业电磁仿真软件HFSS中参数化建模计算金丝键合不同工艺参数下的电性能，将基于金丝键合路耦合公式计算的结果和采用商用电磁仿真软件HFSS计算结果进行比较，验证了金丝键合路耦合模型的准确性。另外，以配置为主频3.2GHz、8G内存的计算机为例，利用商用电磁仿真软件HFSS建立金丝键合互联微带射频电路模型，并进行仿真计算一组数据的电参数共需要大约10分钟，然而利用我们建立的金丝键合路耦合模型计算其电参数仅需要不足10秒钟，从而可看出建立的金丝键合路耦合模型的高效性。
　　（2）基于建立的金丝键合路耦合模型，分别从单根金丝跨距、金丝直径、金丝拱高、两根金丝的间距、不同工作频率（X、Ku、Ka工作频段）等几个方面进行研究，经过大量计算和数据处理，定性、定量地分析了金丝键合工艺参数对微波电路传输性能的影响，计算结果表明，在相同频率下，金丝的跨距越大，传输损耗越大，阻抗匹配越差；在相同频率下，金丝直径越大，传输损耗越小，阻抗匹配越好；在相同频率下，金丝拱高越高，传输损耗越大，阻抗匹配越差；在相同频率下，两根金丝的间距越大，传输损耗越小，阻抗匹配越好；并且随着频率的增加，金丝键合工艺参数对微波电路的传输性能影响越来越明显，因此，给出的结论是在工程实际中要尽量减小金丝的跨距，减小金丝的拱高，增大金丝的直径，以减小阻抗匹配和传输能量的损耗，保证微波电路高效的工作。
　　（3）为了快速准确的评估金丝键合互联工艺参数对微波电路电性能的影响，提高工作效率，本文采用C++Builder语言，编写了基于路耦合的金丝键合工艺参数设计软件，通过使用该分析软件，工程人员可以选择金丝键合不同的工艺参数，快速准确的计算金丝键合不同工艺参数下的电性能，减少了在电磁仿真软件中重复建模、电性能分析等操作，极大的提高工作效率。最终，以单根金丝的不同跨距（0.1mm~1mm）大小为例，应用该软件完成相应的电性能计算，证明了基于路耦合的金丝键合工艺参数设计软件的有效性。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2金丝键合概述与研究现状

1.3金丝键合理论研究方法

1.4微波器件路耦合国内外研究现状

1.5本文主要研究工作

第二章 微波器件中金丝键合路耦合建模

2.1引言

2.2微波器件电性能基本参数

2.3金丝键合的结构形式

2.4金丝键合路耦合研究思路

2.5金丝键合路耦合建模与验证

2.6本章小结

第三章 基于路耦合的金丝键合工艺参数对传输性能影响分析

3.1引言

3.2单根金丝键合互联工艺参数对传输性能的影响

3.3两根金丝键合互联工艺参数对传输性能的影响

3.4不同频率下金丝键合互联工艺参数对传输性能的影响

3.5本章小结

第四章 基于路耦合的金丝键合工艺参数设计软件

4.1引言

4.2基于路耦合的金丝键合工艺参数设计软件的总体设计

4.3基于路耦合的金丝键合工艺参数设计软件应用验证

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

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