如何选择谐振杆最佳尺寸，使其功率容量达最佳状态-电路图讲解-电子技术方案

随着行业的发展，功率和互调要求成为越来越多产品的瓶颈，因此，产品的功率和互调指标的好坏越来越成为衡量一个滤波器设计生产企业的技术水平的关键参数。本文主要针对在一定的单腔尺寸的前提下如何选择谐振杆的最佳尺寸，使得其功率容量达到最佳状态。

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我们首先来分析一个单腔里面的电场分布及其强弱。众所周知，一个谐振单腔内的电场主要分布在谐振杆上表面与盖板、谐振杆内壁与调谐螺杆外表面之间，其他地方的电场很弱。在有功率通过该谐振单腔的时候，电场最强点是限制该单腔功率容量的关键点， 因此解决功率问题的关键就是想办法降低电场最强点的电场强度。

现在我们就寻找一般情况下单腔里面的电场最强点在何处？假设单腔大小为a*b*c，谐振杆外半径为Rout，内半径为Rin，调谐螺杆半径为Rsc，则调谐螺杆与谐振杆内壁之间的距离d1＝Rin-Rsc，谐振杆盘面与盖板距离为d2。众所周知，单腔在谐振情况下电场主要分布在两块区域：谐振杆盘面与盖板之间、谐振杆内壁与调谐螺杆之间，必要时还需要考虑到谐振杆盘与侧壁之间的电场（单腔较小频率较低时） 。由于“木桶”效应，单纯增加一个区域的功率容量（就是降低这个区域的电场强度）是不能起到增加单腔功率容量的目的的，要同时使两个区域的电场强度都比较小，才能使单腔更不容易打火。

首先考虑谐振杆盘面与盖板之间的电场， 如图可以看见某个时刻谐振杆盘面与盖板之间的电场分布。

由图可见，1.当频率较低（低于900M），谐振杆盘较大时，盖板上的电场与盘面的电场几乎一样；

2.当频率较高（高于1.8G），谐振杆盘面较小时，盘表面的电场会比盖板面上的电场强，两者的倍数关系与谐振杆盘面的大小有关。

再考虑谐振杆内壁与调谐螺杆之间的电场，下图表示在某个时刻该区域的电场分布。

由图可见，纵向上该区域电力线基本上是平均分布的，但在横向上，电力线的分布明显不均匀，越靠近调谐螺杆表面，电力线越密集，也就是电场越强。在调谐螺杆表面， 电场最强。 因为谐振杆内壁的电力线几乎都中止在调谐螺杆表面，因此两者的电场有如下关系：E 内壁（Ein）*S 内壁（Sin）＝E 螺杆（Esc）*S螺杆（Ssc），Esc/Ein＝Sin/Ssc＝2*pi*Rin/2*pi*Rsc＝Rin/Rsc。即两者电场之比为两半径之比的倒数。

从上面的分析可以看出， 两个区域电场最强的点分别在谐振杆上表面和调谐螺杆表面。 在此我们分析这两者之间的关系， 当这两个电场最强点的电场相等时，这两块区域就同时达到了最大的功率容量，因此该单腔就能达到最大的功率容量。假设某个时刻谐振杆与盖板之间的电位差为V，则电场沿谐振杆盘面到盖板面的线积分和沿着谐振杆内表面到螺杆表面的线积分相等，均为V。考虑两种情况：

1. 频率较低，谐振杆盘面较大时，谐振杆盘面到盖板间的电场强度为恒定值Eup，则V＝Eup*d2＝（Esc+Ein）/2*d1，Eup*d2＝（Rsc/Rin*Esc+Esc）/2*d1＝Esc*（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1两区域最大电场相等，则，Eup＝Esc，d2＝（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1上式即为该条件下要使单腔功率容量最大所需要满足的等式。

举个例子，谐振杆盘面距离盖板3mm，调谐螺杆直径为4mm，由上面的等式我们可以计算得到内径的最佳值。

3＝（2+Rin）/（2Rin）*（Rin-2）

得到Rin＝6.6mm（约），即谐振杆内径最佳值为13.2mm。

注：上面各等式均要求在满足单腔谐振频率的要求。

2. 频率较高，谐振杆盘面较小，此时谐振杆盘面到盖板间的电场强度不恒定，假设谐振杆盘面电场为Ecp，盖板面电场为Etop，我们还是假设两电场的平均电场强度为Eup，则Ecp》Eup，而Ecp＝Esc，则此时需满足：

d2》（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1

因此，在上面的例子中，如果谐振杆盘面很小，则谐振杆内径最佳值应为Rin略小于6.6mm。

从上面的分析我们可以得出结论：

1. 频率较低，谐振杆盘较大时，我们要尽量想办法拉大谐振杆盘与盖板间的距离，同时，要尽量满足以下等式：d2＝（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1，否则，调谐螺杆易打火。

2. 频率较高时，我们要尽量把谐振杆的盘加大，尽量使谐振杆盘面上的电场均匀，同时满足d2》（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1。

3. 同时，我们也可以根据等式d2＝（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1 分析在极限功率下使谐振杆盘先打火还是螺杆先打火。d2》（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1，则为螺杆先打火，d2《（Rsc+Rin）/（2Rin）*d1，则为谐振杆盘面先打火。

4. 如果已经出现打火，改进功率时，不能一味的加大谐振杆与盖板之间的距离，因为如果不改进谐振杆内径尺寸，调谐螺杆一样容易打火。

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1、引言

在雷达、电子对抗和通信等领域中，电子系统逐步朝着高密度、高速率、高可靠性、高性能和低成本等方向发展。多芯片电路作为混合电路集成技术的代表，可以在三维、多层介质基板中，采用微组装互连工艺将裸芯片及各种元器件设计成满足需求的微波集成电路。在微波多芯片电路技术中，常采用金丝键合技术来实现微带传输线、单片微波集成电路和集总式元器件之间的互连。与数字电路中互连线不同的是，键合金丝的参数特性如数量、长度、拱高、跨距、焊点位置等都会微波传输特性产生严重的影响。尤其是在毫米波等高频段，键合金丝的寄生电感效应尤为明显。因此，分析金丝键合的电磁特性、并有效地设计金丝互连电路，对实现和提高多芯片电路的性能具有十分重要的意义［1］。

目前有多种方法可用来分析和改善多芯片电路中键合金丝的电磁特性。1995 年，Lee 采用矩量法计算键合线的阻抗损耗和辐射损耗，用来分析任意形状互连线的宽带电磁特性［2］。同年，F. AlimenTI等人提出采用准静态法对键合金丝的传输特性进行分析［3］。由于键合金丝的介质边界是开放式且结构呈弯曲状，随着工作频率的升高和金丝互连参数的变化，采用上述方法的精度也会受到影响。随后，在2001 年，F. AlimenTI 等人又提出采用时域有限差分法对金丝键合的电磁特性进行分析［4］。为补偿键合金丝的寄生电感效应，人们提出了多种方法，诸如增加焊盘尺寸、增加微带调节分支线、增加高、低阻抗传输线来设计低通滤波器等［5］-［7］。本文首先采用路的方法对键合金丝互连线的传输特性进行建模和分析；随后根据金丝互连线的寄生电感效应，设计了电容补偿结构来改善传输线与芯片、传输线与传输线之间的微波特性。通过计算结果明，采用这种方法来设计键合金丝可以有效地改善多芯片电路的传输性能。

2、金丝键合的建模与分析

如图1 所示，是典型金丝键合互连线的结构模型。在两个相邻的芯片或传输线之间采用单根键合金丝互连线连接，金丝的长度为l，直径为d；金丝与地面的距离为hs。其对应的等效电路模型如图2所示，其中，键合金丝可等效为串联电阻R 和串联电感L，键合金丝两边的焊盘则等效为两个并联的电容C1 和C2。

由于趋肤深度与频率的平方根呈反比，由式（1）-（4）可知，L、C 受频率的影响较小，R 则随着频率的平方根而变化。

此外，键合金丝的几何参数也会对其等效电感、电容和电阻产生影响，相应地也会使互连特性发生变化。如图3 所示，是单根金丝键合线的直径变化对传输线回波损耗的影响。随着键合金丝的直径d 增加，等效电感L 减小，R 减小，回波损耗变大，插损损耗减小。

如图4，表示单根金丝键合线的拱高变化对传输线回波损耗的影响。随着键合金丝的拱高hw 增加，键合金丝长度l 增大，L 增大，R 减小， 回波损耗变小，插损损耗变大。

如图5 所示，指金丝键合线的数目变化对传输线回波损耗的影响。随着键合金丝数目的增加，互连电磁特性会得到明显改善，但2 根金丝线以上的传输特性区别较小。

根据上述对金丝键合的特性分析可知，键合金丝的直径对传输性能影响较为明显；拱高越低，金丝长度越小，传输损耗越小；同理，键合金丝的跨距越小，互连特性越佳；多根金丝线的插入损耗也明显由于单根金丝线。

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