一种DC-40GHz带状线到共面波导过渡设计

摘要：针对基于微波多层LTCC 基板的带状线功分器输入端口存在的大高度差过渡问题，提出一种新型带状线到共面波导宽带同层过渡结构。在传统过渡模型基础上，引入高阻线及共面波导到带状线的交叉过渡形式，使得传输性能有所改善。仿真结果显示，在0GHz~40GHz范围内带状线到共面波导水平过渡的回波损耗小于–20dB，插入损耗小于0.2dB。应用过渡结构的带状线功分器性能指标满足要求，验证了过渡结构设计的可行性和有效性。

引 言

近年来随着大规模和超大规模集成电路技术、新型电子材料技术以及封装互连技术的快速发展，对微波毫米波电子系统在小型化、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]。

目前比较流行的低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板布线的特性可以使电路从二维平面走向三维立体，将带状线形式的无源器件埋置在其介质中，由此可以大幅减小电路的面积，为微波电路模块的小型化提供一种有力的技术支撑。

在LTCC微波电路中，带状线信号需要过渡到表层方便信号间的传输，关键问题是要实现过渡结构的低插入损耗和高可靠性。近年来有很多关于同层过渡结构的报道，文献[2]采用锥形线过渡形式，文献[3]采用在带状线上方接地平面开锥形槽的形式，文献[4]通过增加微带线介质厚度展宽微带线来避免微带线与带状线大宽度差。但是在实际应用中，上述方法均不能应用于带状线与共面波导介质厚度较大、带状线与共面波导地面不同或穿墙过渡等环境中。

本文研究共面波导进入多层LTCC 介质基板时产生传输不连续性的原因，仿真设计了一种大高度差带状线到共面波导的同层过渡结构，通过将共面波导部分与带状线介质交叉并增加一段高阻线进行阻抗匹配，优化了0~40GHz 整个频段范围内水平过渡结构的传输性能。

1 电路模型分析

在LTCC多层板电路中，无源电路结构大多都埋置在多层板内部，为了方便测试或者和顶层有源电路部分相互连接，常使用垂直过渡结构或水平过渡结构，其中垂直过渡在高频段和穿过层数较多时，寄生电感和电容对信号传输的影响较大[5]。本文以应用于密封金属腔体内的带状线到腔体外共面波导同层过渡结构为例，仿真设计一种同层交叉过渡结构。

本文采用三维电磁场仿真软件HFSS 建模仿真。介质基板采用LTCC 材料中的Ferro A6M，每层厚度为0.1mm，相对介电常数为5.9，损耗正切角为0.002。基于此基板材料参数，在设计带状线功分器时需要用到70Ω 带状线。根据常规LTCC 工艺手册，加工的最小线宽为0.1mm。由LineCalc 软件计算可得，在设计功分器时需要上下各五层介质才能满足要求，这就导致在功分器输入端口需要进行两层介质共面波导到上下各五层介质带状线的转换。过渡模型从左到右可分为两层介质的共面波导、过渡渐变结构、多层介质的带状线。常用水平过渡结构剖视图示于图1，其中h1=0.2mm，w1=0.25mm。过渡前后对应的电场分布如图2 所示，当h2 增加时，过渡前后电场突变较大。转换后的接地电流必须经过扩展路径流过垂直通孔，以完成共面波导到带状线过渡部分的接地连接，这导致转换电感L 的增大。根据特性阻抗的定义式：

（Z0 为特性阻抗，L 为电感，C 为电容）可知，过渡结构特性阻抗增大，导致阻抗不匹配，从而影响了过渡结构的传输特性。故需要采取措施，尽量避免过渡前后的电场突变，降低电路电感。

图1 过渡部分的俯视图和截面图 图2 过渡前后电场分布

2 优化设计

由上节可知，过渡部分引起的电场突变及电感电容的变化，造成阻抗不匹配，从而影响了过渡结构的传输特性。由文献[6]中带状线到共面波导等效电路分析可得，该结构的等效模型如图3 所示，其中C1 为共面波导部分旁路接地电容，L1 为共面波导部分中心导体自感，C2 为过渡部分中心导体自电容，L2 为带状线部分导体自感，C3 为带状线部分接地电容。

优化的同层过渡结构如图4 所示，当h2=1.0mm时，为了使过渡不连续性的影响降至最小，将穿过带状线均匀介质区域的CPW 与带状线介质进行部分重叠并减小中心导体宽度，使电容C1 变小，如图4 中①②位置。通过将通孔靠近中心导体，减小了从CPW 到带状线的接地电流的回路距离，从而减小了电流的时间延迟，进而降低了电感L1，如图中位置③。此外，为了抑制L2 和C2，共面波导应渐变过渡到带状线，如图中位置④。优化前后的传输线电场分布如图5 所示。由图5 可见，优化前过渡部分电场无法集中在匹配电阻附近，有大量场泄漏，导致匹配性能较差；优化后场泄漏现象消失，电场连续。过渡部分电场示意图如图6 所示，通过此过渡结构，避免了电场突变。

图3 等效电路模型   图4 优化的同层过渡结构

图5 优化前后传输线电场分布 图6 优化后过渡部分电场示意图

优化前后的回波损耗和插入损耗如图7 所示，在整个频段范围内，过渡结构的传输特性得到了明显的改善，回波损耗在DC~40GHz范围内小于20dB，插入损耗小于0.2dB。

图7 优化前后的回波损耗和插入损耗

3 过渡结构在LTCC 带状线功分器上的应用

设计一分五带状线功分网络，将共面波导到带状线的水平过渡结构作为输入端口与功分网络整合，输出端口通过带状线到微带线的垂直过渡结构方便地将信号提供给顶层的有源电路。整体结构模型如图8 所示，包含过渡结构以及带状线功分网络的印制电路如图9 所示，其中①为过渡结构（功分网络的输入端口），②~⑥分别为功分网络的输出端口。

由图10 的仿真结果与实测结果可知，在12.5GHz~14.5GHz 频率范围内，回波损耗小于–20dB，插入损耗分别在–3.6dB 和–10dB 左右，且仿真结果与实测结果基本一致。

图8 带状线功分网络模型        图9 印制板实物图

图10 回波损耗、插入损耗仿真与实测结果

4 结束语

在微波毫米波系统的高度集成化趋势下，同层过渡电路可有效改善微波毫米波信号水平穿墙传输的对外连接问题，可以在保证密封性要求的前提下实现微波毫米波信号的匹配传输。与传统垂直过渡结构相比，同层过渡结构具有插损小、尺寸小、易集成的特点。本文通过交叉过渡同时调节过渡部分线宽的方法减少了寄生电容和电感，避免了分布电场的突变，优化了过渡结构水平传输特性，使得0~40GHz频率范围内回波损耗小于–20dB，插入损耗小于0.2dB。通过将此过渡结构应用于某带状线功分网络，验证了其可实现性和有效性。该过渡结构的设计思路还可推广至其他水平过渡应用场景，有利于提高微波毫米波系统的集成化小型化。