趙逸涵，史源，錢興成

（單片集成電路與模塊國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京電子器件研究所，南京210016）

多種寬帶傳輸結(jié)構(gòu)的研究與分析

趙逸涵，史源，錢興成

（單片集成電路與模塊國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京電子器件研究所，南京210016）

針對寬帶高頻組件的發(fā)展趨勢，研究了三種不同的適用于寬帶高頻信號(hào)的傳輸結(jié)構(gòu)。主要介紹了三種傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并利用HFSS軟件對傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，最后進(jìn)行了實(shí)物分析驗(yàn)證。經(jīng)過測試，在寬帶高頻信號(hào)下，三種結(jié)構(gòu)均有比較良好的電性能傳輸特性。該測試結(jié)果表明，寬帶高頻組件的設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際需求運(yùn)用多種傳輸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較高的性能指標(biāo)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

寬帶高頻；傳輸結(jié)構(gòu)；HFSS仿真

1 引言

隨著射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，信號(hào)頻段越來越高，頻帶也越來越寬，對射頻微波組件的要求也隨之提高，高集成化、小型化等都是未來組件的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的微帶傳輸結(jié)構(gòu)不能解決寬帶小型化設(shè)計(jì)中的所有問題。多模塊之間寬帶信號(hào)的傳輸過渡以及模塊內(nèi)部寬帶信號(hào)的傳輸?shù)葐栴}是寬帶高頻組件設(shè)計(jì)過程中必須要解決的一個(gè)問題。寬帶信號(hào)的傳輸質(zhì)量對組件整體性能起著非常重要的作用。但目前關(guān)于寬帶傳輸?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)研究還不多，具體用于實(shí)際工程應(yīng)用中的更是有限[1]。

所以本文對寬帶高頻傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，對不同結(jié)構(gòu)寬帶信號(hào)傳輸?shù)牟鍝p、駐波等主要指標(biāo)進(jìn)行了分析，提供了多種在工程實(shí)際中可以應(yīng)用的寬帶信號(hào)傳輸?shù)慕鉀Q方法，為寬帶射頻組件的小型化、集成化提供了一個(gè)研究方向。

2 多種傳輸結(jié)構(gòu)分析

2.1 空氣腔過渡及共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

在射頻微波組件中，經(jīng)常會(huì)遇到多個(gè)模塊的對接問題。為了解決這個(gè)問題，一般要采用SMP結(jié)構(gòu)的射頻連接器來完成多模塊間的信號(hào)互聯(lián)，可以在節(jié)省體積的同時(shí)也保證互聯(lián)處的機(jī)械強(qiáng)度，有利于組件的小型化設(shè)計(jì)。但是單純的SMP射頻連接器結(jié)構(gòu)在高頻、寬帶信號(hào)下的表現(xiàn)并不理想，主要表現(xiàn)在傳輸損耗較大，帶內(nèi)平坦度不夠好，插入損耗在寬帶、尤其是超寬帶信號(hào)下存在突變點(diǎn)等。因此需要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高射頻連接器在高頻、寬帶下的性能。

圖1 SMP連接器傳輸機(jī)構(gòu)側(cè)視圖和俯視圖

圖1 所示為改進(jìn)后的SMP連接器的傳輸結(jié)構(gòu)示意圖。相比于傳統(tǒng)的SMP直接與微帶線相連接的結(jié)構(gòu)，這里在SMP連接器的針的末端增加了一個(gè)空氣腔結(jié)構(gòu)。通過空氣腔與SMP射頻接頭的內(nèi)導(dǎo)體來模擬近似一個(gè)同軸傳輸線，提高接頭在高頻寬帶信號(hào)下的性能。

同軸線的內(nèi)導(dǎo)體半徑為a，外圈半徑為b，介電常數(shù)為εr，根據(jù)式（1）、（2）可以求得同軸傳輸線TE10模的截止頻率：

通過HFSS仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，空氣腔的長度為0.8mm，直徑為1 mm。SMP內(nèi)導(dǎo)體的末端焊接在微波電路板上，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本次改進(jìn)的結(jié)構(gòu)中還在與針相連的部分采用了一段共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其中電路板采用的是RT/Duroid5880介質(zhì)板，厚度為0.254 mm，通過仿真設(shè)計(jì)將共面波導(dǎo)的地孔直徑設(shè)為0.5 mm，共面波導(dǎo)兩邊的地與中間的金屬微帶間距設(shè)為0.5 mm。地孔之間的距離設(shè)為0.8 mm。圖2所示為該傳輸結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖2 SMP連接器傳輸結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

這里采用共面波導(dǎo)有幾個(gè)方面的優(yōu)勢，一個(gè)是相比于微帶，共面波導(dǎo)的駐波特性更好，對信號(hào)的反射相對較小；二是多了兩排地孔，可以使SMP射頻連接器附近的接地效果更好，保證射頻連接器、盒體、電路板之間接地的連續(xù)性，提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

該結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出該SMP傳輸結(jié)構(gòu)在18～45 GHz的頻帶內(nèi)，S11小于-20 dB，S21大于-0.5 dB，在寬帶高頻信號(hào)下表現(xiàn)比較好。因此該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于寬帶高頻的信號(hào)傳輸。

圖3 SMP結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.2 微波多層電路板中的信號(hào)傳輸及平面過渡結(jié)構(gòu)

為了解決組件小型化設(shè)計(jì)的問題，微波多層電路板的應(yīng)用勢在必行。將傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬恿Ⅲw結(jié)構(gòu)，同時(shí)也對信號(hào)的傳輸提出了較高的要求。微帶傳輸線并不能直接應(yīng)用于多層電路板的信號(hào)傳輸，在不同結(jié)構(gòu)之間信號(hào)需要經(jīng)過過渡結(jié)構(gòu)來保證信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

基片集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)，上下表面均為金屬化層，在介質(zhì)基片中間隔一定距離制作兩排金屬化通孔。于是在上下金屬面和兩排金屬化通孔之間就形成了一個(gè)類似矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。基片集成波導(dǎo)的兩排金屬化通孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄邊，上下表面的金屬層構(gòu)成了波導(dǎo)的兩個(gè)寬邊，電磁波在介質(zhì)基片左右兩排金屬化通孔和上下金屬面所圍成的矩形區(qū)域內(nèi)以類似于介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)的場模式傳輸，因此有高Q值、低差損、尺寸小、輻射低、易集成、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在微波多層電路板中有比較廣泛的應(yīng)用，包括濾波器、功分器、移相器等。因此SIW和微帶的過渡結(jié)構(gòu)對于微波多層電路的設(shè)計(jì)有重要的作用和影響[2]。

基片集成波導(dǎo)的介質(zhì)板厚度為h，介電常數(shù)為εr，金屬化通孔直徑為d，周期為s，兩排金屬化過孔圓心之間的距離為ω，等效為波導(dǎo)寬邊為a，窄邊為b的矩形波導(dǎo)。根據(jù)文獻(xiàn)[4～5]可以推得TE10模的截止頻率與波導(dǎo)尺寸的關(guān)系式如下：

而在填充介質(zhì)的介電常數(shù)為εr的矩形波導(dǎo)中，模的TE10截止頻率為：

聯(lián)立式（3）、（4），可以得到在相同主模截止頻率、相同介電常數(shù)下，基片集成波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)的近似對應(yīng)關(guān)系。

因此，在設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，等效公式可以寫成如下形式：

其中，leff和ωeff為基片集成波導(dǎo)的等效長邊長度和等效寬邊長度。但是傳統(tǒng)的SIW和微帶過渡的結(jié)構(gòu)在寬帶傳輸特性上并沒有優(yōu)勢，相反，由于SIW結(jié)構(gòu)存在截止頻率等問題，很難直接用于傳輸寬帶信號(hào)[3]。因此，本文在這里探索設(shè)計(jì)了一個(gè)基于基片脊波導(dǎo)（RSIW）的平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)。如圖4所示，在該結(jié)構(gòu)中，采用了兩層RT/Duroid6010介質(zhì)板，介電常數(shù)為10.2，其中一層厚度為0.254 mm，一層厚度為0.625 mm，兩層介質(zhì)板中間采用厚度為0.1 mm的RO3010半固化片粘接，介電常數(shù)為10.2。

其中上層是由矩形金屬區(qū)、微帶線以及微帶到RSIW的梯形過渡區(qū)組成，在矩形金屬區(qū)的兩側(cè)是兩排金屬化通孔陣列，從top層到bottom層。在兩側(cè)微帶以及過渡結(jié)構(gòu)的正下方，第一塊介質(zhì)板的下表面即Middle1層均覆上銅，來提高結(jié)構(gòu)的接地效果。如圖5所示，在第二塊介質(zhì)板的上表面即Middle2層加一個(gè)金屬條，并且在金屬條上和兩端制作出從Middle2層到Bottom層的埋孔。

相比于傳統(tǒng)的SIW結(jié)構(gòu)，這種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)通過增加中間的金屬條拓展了傳輸帶寬。這里傳輸線兩側(cè)的金屬化通孔直徑設(shè)為0.4 mm，通孔之間的孔距為1.58 mm，兩排通孔之間的距離為4.4 mm，中間的金屬條寬度為1.4 mm，中間埋孔的直徑為1.12 mm。

圖4 RSIW傳輸結(jié)構(gòu)

圖5 RSIW傳輸結(jié)構(gòu)圖

仿真時(shí)，通過調(diào)節(jié)金屬帶的寬度及梯形過渡區(qū)的長度和寬度來優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，提高寬帶傳輸特性。仿真測試結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，在6～22 GHz帶寬內(nèi)性能指標(biāo)良好，回波損耗小于-10 dB，差損小于1 dB，且可以看出帶內(nèi)的平坦度等指標(biāo)均比較好。通過RSIW結(jié)構(gòu)使得信號(hào)在介質(zhì)板的板間傳輸，可以提高信號(hào)的隔離度且減少信號(hào)的空間泄露，因此在寬帶射頻組件中有廣泛的應(yīng)用。

圖6 RSIW傳輸結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.3 微波多層電路板中的垂直過渡結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)平面微波電路板相比，多層微波板由于是三維立體結(jié)構(gòu)電路，因此需要大量應(yīng)用到垂直過渡結(jié)構(gòu)用于信號(hào)在板間不同層的傳輸。微帶到微帶的垂直過渡，微帶到帶狀線的垂直過渡等在微波多層電路板中應(yīng)用都比較廣泛，本文也對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的仿真設(shè)計(jì)。

如圖7所示是該垂直過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。在該結(jié)構(gòu)中采用兩塊0.254 mm厚的RT/Duroid6002介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.92，中間用一塊0.1 mm厚的RO4450F半固化片粘接而成，介電常數(shù)為3.52。該過渡結(jié)構(gòu)主要由微帶和中間的垂直通孔以及中間的帶狀線等幾部分組成。其中，在垂直過孔周圍設(shè)置一圈地孔來等效同軸傳輸結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)周圍地孔的位置以及中間金屬化過孔的直徑等參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)。在傳輸線兩側(cè)增加兩排地孔，提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

圖7垂直過渡結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 所示為垂直過渡結(jié)構(gòu)的HFSS仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果圖可知該結(jié)構(gòu)在整個(gè)DC-42 GHz頻帶內(nèi)，傳輸損耗小于0.5 dB，輸入輸出駐波小于-15 dB。

圖8 垂直過渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

從理論上看，該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于超寬帶射頻信號(hào)在微波多層電路板中的垂直過渡傳輸，提高寬帶組件的集成度。

3 測試結(jié)果

圖9所示為SMP空氣腔過渡結(jié)構(gòu)在實(shí)際射頻組件應(yīng)用中的實(shí)物制作圖。其中方框部分為過渡結(jié)構(gòu)。

圖9 SMP過渡結(jié)構(gòu)實(shí)物照片

圖10 所示為該SMP結(jié)構(gòu)在微波寬帶組件中應(yīng)用時(shí)的測試結(jié)果，從圖中可以看出在23～41 GHz的整個(gè)頻帶內(nèi)，駐波最差的地方不超過1.9，沒有存在明顯的駐波異常的地方。同時(shí)試驗(yàn)過程中同時(shí)安裝了多個(gè)SMP結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同接頭之間的駐波比一致性較好，在實(shí)際的工程應(yīng)用中可以廣泛使用在高頻寬帶單通道及多通道組件中。

圖10 SMP結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

測試時(shí)為了模擬實(shí)際組件應(yīng)用中的狀況，還制作了兩個(gè)相同的SMP傳輸結(jié)構(gòu)，中間使用了SMP-KK的射頻連接器進(jìn)行對接。測試結(jié)果如圖11所示，可以看到在整個(gè)400 MHz～43.5 GHz的帶寬內(nèi)，駐波均小于2，插入損耗在3 dB以下。該測試結(jié)果差于理論仿真值，這與測試儀器接頭的誤差以及SMP-KK本身的性能均有關(guān)，最終結(jié)果雖與理論值有出入，但是總體水平良好，該傳輸結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。

圖12、圖13所示為垂直過渡結(jié)構(gòu)的實(shí)物照片和測試曲線，從圖中可以看出在1～18 GHz的頻率帶寬內(nèi)，駐波小于2.5，差損小于1.5 dB，與前文的仿真結(jié)果基本吻合。但是在18 GHz以后發(fā)現(xiàn)差損明顯變大，且輸入輸出駐波均變差，與仿真結(jié)果有較大出入，通過分析判斷，主要原因是電路板兩端和盒體以及接頭之間的地接觸不夠好，不能保證地的連續(xù)性，因此會(huì)在寬帶高頻信號(hào)下表現(xiàn)較差。此外，由于工藝水平的限制，電路板加工精度包括金屬化孔的直徑、焊盤半徑、位置等也會(huì)對最終測試結(jié)果產(chǎn)生影響。所以關(guān)于該結(jié)構(gòu)，以目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，可以應(yīng)用到18 GHz的工作頻率，但完成和優(yōu)化適合當(dāng)前加工工藝水平的仿真設(shè)計(jì)是下一步的工作計(jì)劃。

圖12 垂直過渡結(jié)構(gòu)實(shí)物照片

圖13 垂直過渡結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

4 結(jié)論

隨著寬帶、超寬帶微波射頻組件的應(yīng)用越來越廣泛，對信號(hào)傳輸性能的要求也不斷提高，因此，本文對三種寬帶高頻信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，這三種結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于寬帶高頻微波電路的不同情況。其中SMP空氣腔過渡結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于多個(gè)模塊對接過程中的信號(hào)傳輸；RSIW結(jié)構(gòu)過渡可以應(yīng)用于微波多層電路板中寬帶信號(hào)的平面?zhèn)鬏敽瓦^渡；垂直過渡結(jié)構(gòu)則可以應(yīng)用在微波多層電路板中寬帶信號(hào)的三維立體傳輸。綜合仿真設(shè)計(jì)、實(shí)物制作和測試結(jié)果，可以得出結(jié)論：這幾種傳輸結(jié)構(gòu)均適用于實(shí)際工程中的寬帶高頻信號(hào)傳輸，具有易用性與可實(shí)現(xiàn)性。

[1]楊駕鵬,周駿,沈國策,吳璟,沈亞,蔡茂.TSV垂直傳輸結(jié)構(gòu)的射頻特性研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2016(3): 213-216.

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Research and Analysis of Several Wide-Band Transmission Structures

ZHAO Yihan,SHI Yuan,QIAN Xingcheng
（National key laboratory of integrate circuits and module,Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016,China）

Proceeding from the development path of wide-band and high-frequency components,the paper conducts certain researches and presents designs of three different transmission structures for wide-band and high-frequency signal.The HFSS software is used to stimulate and optimize the structure of transmission.Three structures of transmission are verified and analyzed practically.After tests,three structures all have a high electronic quality.The structures can be applied flexibly in scenarios with various requirements to achieve higher electronic performance in the design of the wide-band and high frequency components.The structures willbe widely applied in many fields.

wide-band and high-frequency;transmission structure;HFSS stimulation

TN603

A

1681-1070（2017）07-0043-05

趙逸涵（1992—），男，江蘇南京人，2014年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)電子與科學(xué)技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為南京電子器件研究所在讀碩士研究生，從事寬帶微波射頻電路研究。

2017-3-31