一種DC-40GHz帶狀線到共面波導過渡設計

摘要：針對基于微波多層LTCC 基板的帶狀線功分器輸入端口存在的大高度差過渡問題，提出一種新型帶狀線到共面波導寬帶同層過渡結構。在傳統過渡模型基礎上，引入高阻線及共面波導到帶狀線的交叉過渡形式，使得傳輸性能有所改善。仿真結果顯示，在0GHz~40GHz范圍內帶狀線到共面波導水平過渡的回波損耗小于–20dB，插入損耗小于0.2dB。應用過渡結構的帶狀線功分器性能指標滿足要求，驗證了過渡結構設計的可行性和有效性。

引 言

近年來隨著大規模和超大規模集成電路技術、新型電子材料技術以及封裝互連技術的快速發展，對微波毫米波電子系統在小型化、高集成度、高性能、高可靠性和低成本方面提出了更高的要求[1]。

目前比較流行的低溫共燒陶瓷（LTCC）多層基板布線的特性可以使電路從二維平面走向三維立體，將帶狀線形式的無源器件埋置在其介質中，由此可以大幅減小電路的面積，為微波電路模塊的小型化提供一種有力的技術支撐。

在LTCC微波電路中，帶狀線信號需要過渡到表層方便信號間的傳輸，關鍵問題是要實現過渡結構的低插入損耗和高可靠性。近年來有很多關于同層過渡結構的報道，文獻[2]采用錐形線過渡形式，文獻[3]采用在帶狀線上方接地平面開錐形槽的形式，文獻[4]通過增加微帶線介質厚度展寬微帶線來避免微帶線與帶狀線大寬度差。但是在實際應用中，上述方法均不能應用于帶狀線與共面波導介質厚度較大、帶狀線與共面波導地面不同或穿墻過渡等環境中。

本文研究共面波導進入多層LTCC 介質基板時產生傳輸不連續性的原因，仿真設計了一種大高度差帶狀線到共面波導的同層過渡結構，通過將共面波導部分與帶狀線介質交叉并增加一段高阻線進行阻抗匹配，優化了0~40GHz 整個頻段范圍內水平過渡結構的傳輸性能。

1 電路模型分析

在LTCC多層板電路中，無源電路結構大多都埋置在多層板內部，為了方便測試或者和頂層有源電路部分相互連接，常使用垂直過渡結構或水平過渡結構，其中垂直過渡在高頻段和穿過層數較多時，寄生電感和電容對信號傳輸的影響較大[5]。本文以應用于密封金屬腔體內的帶狀線到腔體外共面波導同層過渡結構為例，仿真設計一種同層交叉過渡結構。

本文采用三維電磁場仿真軟件HFSS 建模仿真。介質基板采用LTCC 材料中的Ferro A6M，每層厚度為0.1mm，相對介電常數為5.9，損耗正切角為0.002?；诖嘶宀牧?a target="_blank">參數，在設計帶狀線功分器時需要用到70Ω 帶狀線。根據常規LTCC 工藝手冊，加工的最小線寬為0.1mm。由LineCalc 軟件計算可得，在設計功分器時需要上下各五層介質才能滿足要求，這就導致在功分器輸入端口需要進行兩層介質共面波導到上下各五層介質帶狀線的轉換。過渡模型從左到右可分為兩層介質的共面波導、過渡漸變結構、多層介質的帶狀線。常用水平過渡結構剖視圖示于圖1，其中h1=0.2mm，w1=0.25mm。過渡前后對應的電場分布如圖2 所示，當h2 增加時，過渡前后電場突變較大。轉換后的接地電流必須經過擴展路徑流過垂直通孔，以完成共面波導到帶狀線過渡部分的接地連接，這導致轉換電感L 的增大。根據特性阻抗的定義式：

（Z0 為特性阻抗，L 為電感，C 為電容）可知，過渡結構特性阻抗增大，導致阻抗不匹配，從而影響了過渡結構的傳輸特性。故需要采取措施，盡量避免過渡前后的電場突變，降低電路電感。

圖1 過渡部分的俯視圖和截面圖 圖2 過渡前后電場分布

2 優化設計

由上節可知，過渡部分引起的電場突變及電感電容的變化，造成阻抗不匹配，從而影響了過渡結構的傳輸特性。由文獻[6]中帶狀線到共面波導等效電路分析可得，該結構的等效模型如圖3 所示，其中C1 為共面波導部分旁路接地電容，L1 為共面波導部分中心導體自感，C2 為過渡部分中心導體自電容，L2 為帶狀線部分導體自感，C3 為帶狀線部分接地電容。

優化的同層過渡結構如圖4 所示，當h2=1.0mm時，為了使過渡不連續性的影響降至最小，將穿過帶狀線均勻介質區域的CPW 與帶狀線介質進行部分重疊并減小中心導體寬度，使電容C1 變小，如圖4 中①②位置。通過將通孔靠近中心導體，減小了從CPW 到帶狀線的接地電流的回路距離，從而減小了電流的時間延遲，進而降低了電感L1，如圖中位置③。此外，為了抑制L2 和C2，共面波導應漸變過渡到帶狀線，如圖中位置④。優化前后的傳輸線電場分布如圖5 所示。由圖5 可見，優化前過渡部分電場無法集中在匹配電阻附近，有大量場泄漏，導致匹配性能較差；優化后場泄漏現象消失，電場連續。過渡部分電場示意圖如圖6 所示，通過此過渡結構，避免了電場突變。

圖3 等效電路模型 圖4 優化的同層過渡結構

圖5 優化前后傳輸線電場分布 圖6 優化后過渡部分電場示意圖

優化前后的回波損耗和插入損耗如圖7 所示，在整個頻段范圍內，過渡結構的傳輸特性得到了明顯的改善，回波損耗在DC~40GHz范圍內小于20dB，插入損耗小于0.2dB。

圖7 優化前后的回波損耗和插入損耗

3 過渡結構在LTCC 帶狀線功分器上的應用

設計一分五帶狀線功分網絡，將共面波導到帶狀線的水平過渡結構作為輸入端口與功分網絡整合，輸出端口通過帶狀線到微帶線的垂直過渡結構方便地將信號提供給頂層的有源電路。整體結構模型如圖8 所示，包含過渡結構以及帶狀線功分網絡的印制電路如圖9 所示，其中①為過渡結構（功分網絡的輸入端口），②~⑥分別為功分網絡的輸出端口。

由圖10 的仿真結果與實測結果可知，在12.5GHz~14.5GHz 頻率范圍內，回波損耗小于–20dB，插入損耗分別在–3.6dB 和–10dB 左右，且仿真結果與實測結果基本一致。

圖8 帶狀線功分網絡模型 圖9 印制板實物圖

圖10 回波損耗、插入損耗仿真與實測結果

4 結束語

在微波毫米波系統的高度集成化趨勢下，同層過渡電路可有效改善微波毫米波信號水平穿墻傳輸的對外連接問題，可以在保證密封性要求的前提下實現微波毫米波信號的匹配傳輸。與傳統垂直過渡結構相比，同層過渡結構具有插損小、尺寸小、易集成的特點。本文通過交叉過渡同時調節過渡部分線寬的方法減少了寄生電容和電感，避免了分布電場的突變，優化了過渡結構水平傳輸特性，使得0~40GHz頻率范圍內回波損耗小于–20dB，插入損耗小于0.2dB。通過將此過渡結構應用于某帶狀線功分網絡，驗證了其可實現性和有效性。該過渡結構的設計思路還可推廣至其他水平過渡應用場景，有利于提高微波毫米波系統的集成化小型化。