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(dǎo)寬帶同層過渡結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)過渡模型基礎(chǔ)上，引入高阻線及共面波導(dǎo)到帶狀線的交叉過渡形式，使得傳輸性能有所改善。仿真結(jié)果顯示，在0GHz~40GHz范圍內(nèi)帶狀線到共面波導(dǎo)水平過渡的回波損耗小于–20dB，插入損耗小于0.2dB。應(yīng)用過渡結(jié)構(gòu)的帶狀線功分器性能指標(biāo)滿足要求，驗(yàn)證了過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性和有效性。

引 言

近年來隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)、新型電子材料技術(shù)以及封裝互連技術(shù)的快速發(fā)展，對微波毫米波電子系統(tǒng)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(zhì)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(shù)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(guān)鍵問題是要實(shí)現(xiàn)過渡結(jié)構(gòu)的低插入損耗和高可靠性。近年來有很多關(guān)于同層過渡結(jié)構(gòu)的報道，文獻(xiàn)[2]采用錐形線過渡形式，文獻(xiàn)[3]采用在帶狀線上方接地平面開錐形槽的形式，文獻(xiàn)[4]通過增加微帶線介質(zhì)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(shí)際應(yīng)用中，上述方法均不能應(yīng)用于帶狀線與共面波導(dǎo)介質(zhì)厚度較大、帶狀線與共面波導(dǎo)地面不同或穿墻過渡等環(huán)境中。

本文研究共面波導(dǎo)進(jìn)入多層LTCC 介質(zhì)基板時產(chǎn)生傳輸不連續(xù)性的原因，仿真設(shè)計了一種大高度差帶狀線到共面波導(dǎo)的同層過渡結(jié)構(gòu)，通過將共面波導(dǎo)部分與帶狀線介質(zhì)交叉并增加一段高阻線進(jìn)行阻抗匹配，優(yōu)化了0~40GHz 整個頻段范圍內(nèi)水平過渡結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大多都埋置在多層板內(nèi)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(jié)構(gòu)或水平過渡結(jié)構(gòu)，其中垂直過渡在高頻段和穿過層數(shù)較多時，寄生電感和電容對信號傳輸?shù)挠绊戄^大[5]。本文以應(yīng)用于密封金屬腔體內(nèi)的帶狀線到腔體外共面波導(dǎo)同層過渡結(jié)構(gòu)為例，仿真設(shè)計一種同層交叉過渡結(jié)構(gòu)。

本文采用三維電磁場仿真軟件HFSS 建模仿真。介質(zhì)基板采用LTCC 材料中的Ferro A6M，每層厚度為0.1mm，相對介電常數(shù)為5.9，損耗正切角為0.002。基于此基板材料參數(shù)，在設(shè)計帶狀線功分器時需要用到70Ω 帶狀線。根據(jù)常規(guī)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(shè)計功分器時需要上下各五層介質(zhì)才能滿足要求，這就導(dǎo)致在功分器輸入端口需要進(jìn)行兩層介質(zhì)共面波導(dǎo)到上下各五層介質(zhì)帶狀線的轉(zhuǎn)換。過渡模型從左到右可分為兩層介質(zhì)的共面波導(dǎo)、過渡漸變結(jié)構(gòu)、多層介質(zhì)的帶狀線。常用水平過渡結(jié)構(gòu)剖視圖示于圖1，其中h1=0.2mm，w1=0.25mm。過渡前后對應(yīng)的電場分布如圖2 所示，當(dāng)h2 增加時，過渡前后電場突變較大。轉(zhuǎn)換后的接地電流必須經(jīng)過擴(kuò)展路徑流過垂直通孔，以完成共面波導(dǎo)到帶狀線過渡部分的接地連接，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電感L 的增大。根據(jù)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(jié)構(gòu)特性阻抗增大，導(dǎo)致阻抗不匹配，從而影響了過渡結(jié)構(gòu)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(yōu)化設(shè)計

由上節(jié)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(jié)構(gòu)的傳輸特性。由文獻(xiàn)[6]中帶狀線到共面波導(dǎo)等效電路分析可得，該結(jié)構(gòu)的等效模型如圖3 所示，其中C1 為共面波導(dǎo)部分旁路接地電容，L1 為共面波導(dǎo)部分中心導(dǎo)體自感，C2 為過渡部分中心導(dǎo)體自電容，L2 為帶狀線部分導(dǎo)體自感，C3 為帶狀線部分接地電容。

優(yōu)化的同層過渡結(jié)構(gòu)如圖4 所示，當(dāng)h2=1.0mm時，為了使過渡不連續(xù)性的影響降至最小，將穿過帶狀線均勻介質(zhì)區(qū)域的CPW 與帶狀線介質(zhì)進(jìn)行部分重疊并減小中心導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)應(yīng)漸變過渡到帶狀線，如圖中位置④。優(yōu)化前后的傳輸線電場分布如圖5 所示。由圖5 可見，優(yōu)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(dǎo)致匹配性能較差；優(yōu)化后場泄漏現(xiàn)象消失，電場連續(xù)。過渡部分電場示意圖如圖6 所示，通過此過渡結(jié)構(gòu)，避免了電場突變。

圖3 等效電路模型 圖4 優(yōu)化的同層過渡結(jié)構(gòu)

圖5 優(yōu)化前后傳輸線電場分布 圖6 優(yōu)化后過渡部分電場示意圖

優(yōu)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(nèi)，過渡結(jié)構(gòu)的傳輸特性得到了明顯的改善，回波損耗在DC~40GHz范圍內(nèi)小于20dB，插入損耗小于0.2dB。

圖7 優(yōu)化前后的回波損耗和插入損耗

3 過渡結(jié)構(gòu)在LTCC 帶狀線功分器上的應(yīng)用

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

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

圖8 帶狀線功分網(wǎng)絡(luò)模型 圖9 印制板實(shí)物圖

圖10 回波損耗、插入損耗仿真與實(shí)測結(jié)果

4 結(jié)束語

在微波毫米波系統(tǒng)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?shù)膶ν膺B接問題，可以在保證密封性要求的前提下實(shí)現(xiàn)微波毫米波信號的匹配傳輸。與傳統(tǒng)垂直過渡結(jié)構(gòu)相比，同層過渡結(jié)構(gòu)具有插損小、尺寸小、易集成的特點(diǎn)。本文通過交叉過渡同時調(diào)節(jié)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(yōu)化了過渡結(jié)構(gòu)水平傳輸特性，使得0~40GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗小于–20dB，插入損耗小于0.2dB。通過將此過渡結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某帶狀線功分網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了其可實(shí)現(xiàn)性和有效性。該過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路還可推廣至其他水平過渡應(yīng)用場景，有利于提高微波毫米波系統(tǒng)的集成化小型化。