王光池　劉建勇　陳興國(guó)

摘 要 低溫共燒陶瓷（LTCC）是實(shí)現(xiàn)微波組件輕小型化、高密度組裝的理想互連和組裝技術(shù)。文中介紹了兩種基于LTCC技術(shù)的微波垂直互連結(jié)構(gòu)。利用三維電磁仿真軟件HFSS建立了垂直互連的仿真模型，并在X波段對(duì)其進(jìn)行仿真和優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，完成了設(shè)計(jì)加工。實(shí)物的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果較為吻合。

關(guān)鍵詞 X波段；LTCC；垂直互連；建模仿真

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0023-03

隨著單片集成電路、新型基板材料和微組裝技術(shù)的高速發(fā)展，固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)在軍用及民用電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著相控陣技術(shù)在艦載、機(jī)載以及星載等平臺(tái)中的應(yīng)用，其體積、重量和可靠性等指標(biāo)越來(lái)越受到關(guān)注。因此相控陣?yán)走_(dá)對(duì)天線的性能、功能和體積、重量也提出更高的要求，需要采用片式的有源陣列天線。相對(duì)于傳統(tǒng)磚塊結(jié)構(gòu)，片式有源陣列天線采用層狀組裝和高密度集成，因而具有剖面低、重量輕、集成度高、功率密度大、多功能、易擴(kuò)充、易共形等特點(diǎn)[1]。采用多芯片組件（MCM）技術(shù)可使T/R組件的體積、重量大大減小，組件的集成度也相應(yīng)提高。但常規(guī)的2D-MCM技術(shù)，因其布局形式仍為平面布局，因此電路布局尺寸受芯片數(shù)量及面積影響，無(wú)法再進(jìn)一步縮小。在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的3D-MCM、多功能芯片等技術(shù)，可以使組件的集成度更高，能夠適應(yīng)片式相控陣?yán)走_(dá)天線陣面高密度布陣的要求。

新型的T/R組件要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，同時(shí)其內(nèi)部還集成了大量的微波電路，邏輯控制控制電路及電源電路等。在組件設(shè)計(jì)過(guò)程中為了得到高性能的微波基板，我們還需要對(duì)LTCC基板的內(nèi)部互聯(lián)特別是微波互連進(jìn)行精心設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得其不僅具有良好的微波性能，并且避免設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的互耦、串?dāng)_、輻射等等影響電路性能及穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生[2]。

本文以兩種典型的垂直互連結(jié)構(gòu)作為實(shí)例，詳細(xì)介紹了的垂直互連電路設(shè)計(jì)方法及其具體過(guò)程。

1 垂直互連電路分析

LTCC技術(shù)由于良好的微波性能、低損耗、高集成度以及較為低廉的價(jià)格，使得其在微波組件中廣泛應(yīng)用。LTCC在片式組件中的微波垂直互連應(yīng)用有多種電路形式，這里主要介紹兩種結(jié)合典型的垂直互連電路及其仿真設(shè)計(jì)。

微帶到帶線的垂直過(guò)渡中，采用金屬化通孔進(jìn)行互連。而在微帶到同軸垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，微帶和同軸的中心導(dǎo)體采用金絲互連。但不管是金屬化通孔還是金絲在微波頻段內(nèi)都可以等效成為電感[3]。因此互連部分的等效電路如下圖：

圖1 互連部分等效電路

因此，微帶和互連部分進(jìn)行連接時(shí)，相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)電感，從而導(dǎo)致微帶的總電感量增加為：

此時(shí)，微帶的特征阻抗則變?yōu)椋?/p>

而過(guò)渡外的微帶線特征阻抗為：

為了減少反射降低駐波，使得信號(hào)優(yōu)良傳輸，保證阻抗匹配，需要在微帶的過(guò)渡端引入補(bǔ)償電容。此時(shí)阻抗為：

從而得到補(bǔ)償電容的為：

上述公式為一個(gè)近似的計(jì)算公式，并且電感的感值和電容的容值在不同的頻率下也會(huì)發(fā)生變化，因此無(wú)法得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償部分的準(zhǔn)確解析值。但我們可以通過(guò)理論分析的結(jié)果，構(gòu)建合理的補(bǔ)償電路形式，并建立電磁場(chǎng)仿真模型，采用三維全波電磁仿真軟件（HFSS）加以優(yōu)化仿真得到滿足工程需要的結(jié)果。

2 建模與仿真

2.1 微帶到帶線結(jié)構(gòu)

微帶和帶線間采用垂直通孔互連，其中垂直通孔與微帶和帶線直接常用的連接方式有以下3種：

方式1 方式2 方式3

圖2 垂直通孔與微帶的連接方式

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，上述三種連接中，方式1的連接的微波傳輸特性最好，方式3的連接傳輸特性最差。連接1中的環(huán)狀擴(kuò)展可以等效成一種容性補(bǔ)償，因此這一結(jié)果與前面的理論分析是一致的。

考慮到LTCC中導(dǎo)體加工精度和組件內(nèi)部基板厚度及走線的要求。模型中微帶介質(zhì)為3層Ferro A6的LTCC（單層LTCC燒結(jié)后約為96um），帶線為上下各4層共8層LTCC，其線寬可以由ADS中LineCal計(jì)算軟件等計(jì)算所得。其三維互連結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微帶到帶線仿真模型

微帶線和帶狀線在垂直互連處經(jīng)過(guò)矩形微帶過(guò)渡通過(guò)環(huán)型擴(kuò)展和射頻金屬孔進(jìn)行互連。矩形過(guò)渡的長(zhǎng)度設(shè)為，寬帶設(shè)為。環(huán)形擴(kuò)展的焊盤的半徑設(shè)為。微帶的地層和帶線的上層地共用一層地，帶線的下層地為背面地。連接微帶線和帶狀線的垂直金屬化孔穿過(guò)共用地時(shí)，在共用地層需要開一個(gè)半徑為的孔。為了抑制寄生平行板模式帶來(lái)的輻射損耗，在射頻互連孔的周圍設(shè)置環(huán)形接地孔。接地孔距射頻孔的中心距離設(shè)為。

針對(duì)矩形過(guò)渡的長(zhǎng)度，寬帶、補(bǔ)償?shù)沫h(huán)形焊盤的尺寸、共用地層的開孔半徑以及接地孔到射頻孔中心距，就可以對(duì)該模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

2.2 微帶到同軸結(jié)構(gòu)

同軸連接器和微帶互連時(shí)，通常采用水平搭焊的方式。在這里我們介紹一種同軸連接器和LTCC微帶垂直互連結(jié)構(gòu)的并對(duì)其仿真優(yōu)化。

由于LTCC的金屬導(dǎo)帶不能直接進(jìn)行錫焊，需要進(jìn)行可焊性處理，由此帶來(lái)制作復(fù)雜和 互連結(jié)構(gòu)中采用金絲壓接對(duì)微帶和同軸連接器中心導(dǎo)體進(jìn)行互連。其具體的三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微帶到同軸仿真模型

模型中同軸連接器中心導(dǎo)體長(zhǎng)度為1 mm，LTCC介質(zhì)總共含有10層Ferro A6的單層介質(zhì)。最上面兩層為微帶的介質(zhì)層。微帶線導(dǎo)帶經(jīng)過(guò)矩形的阻抗變換后通過(guò)金絲與同軸的中心導(dǎo)體互連，其中矩形過(guò)渡的長(zhǎng)度設(shè)為，寬帶設(shè)為。通過(guò)焊接的方式我們將LTCC底面的大面積地和同軸連接器的地保持良好接觸，然后在微帶地和LTCC大面積地間通過(guò)金屬化的接地孔的方式進(jìn)行互連，從而達(dá)到微帶地和同軸連接器的地的良好互連。同軸連接器中心導(dǎo)體周圍的接地屏蔽孔可以采用圓形環(huán)繞在其四周，從而形成擬同軸結(jié)構(gòu)。其阻抗可以按照同軸線特性阻抗公式進(jìn)行計(jì)算[5]：endprint