賈世旺

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.19

賈世旺.共面波導(dǎo)表面狀態(tài)對(duì)微波性能影響分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2018,44(1)：90-94.

[JIA Shiwang.Analysis on Influence of Coplanar Waveguide Surface State on Microwave Performance [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):90-94.]

共面波導(dǎo)表面狀態(tài)對(duì)微波性能影響分析

賈世旺

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

針對(duì)共面波導(dǎo)表面狀態(tài)對(duì)微波性能影響進(jìn)行了分析，應(yīng)用保角變換法定量給出了共面波導(dǎo)金屬厚度與有效介電常數(shù)、特征阻抗、損耗修正表達(dá)式。測(cè)量了工程中常用的不同工藝制作的共面波導(dǎo)傳輸線導(dǎo)體厚度、表面粗糙度等參數(shù)。采用仿真軟件模擬不同導(dǎo)體厚度、不同導(dǎo)體表面粗糙度對(duì)微波傳輸性能的影響。在追求低傳輸損耗的工程應(yīng)用中，要考慮共面波導(dǎo)導(dǎo)體厚度、表面粗糙度等表面狀態(tài)的影響，選擇合適的工藝手段和合理的工藝精度來(lái)保證傳輸線的微波性能。

接地共面波導(dǎo)；有效介電常數(shù)；表面粗糙度；損耗

TN811

A

1003-3114(2018)01-90-5

2017-11-08

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

AnalysisonInfluenceofCoplanarWaveguideSurfaceStateonMicrowavePerformance

JIA Shiwang

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China)

In this paper,the influence of coplanar waveguide (CPW) surface state on microwave performance is analyzed,and the conformal mapping method is utilized to present the expression of CPW metal thickness,dielectric constant,characteristic impedance and insertion loss.The conductor thickness and surface roughness of the CPW transmission line are investigated under various fabrication procedures.The EM simulation software is used to study the influence of conductor thickness and surface roughness on microwave performances.In pursuit of lower transmission loss and improving microwave performance,the metal thickness and surface roughness of CPW should be considered,and the microwave performance of transmission line should be ensured by choosing appropriate fabrication techniques.

CBCPW；effective permittivity；surface roughness；loss

0 引言

微波電路中傳輸線的主要作用是把信息或能量傳輸至指定位置，同時(shí)傳輸線也是濾波器、阻抗變換器、耦合器及延遲線等無(wú)源元件的重要組成部分。通常傳輸線的定義是指能夠支持TEM或非TEM傳播模式的各種多導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在微波工程應(yīng)用中，常用的傳輸線包括微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)及波導(dǎo)等[1]。

傳輸線理論有效地指導(dǎo)了各種微波有源、無(wú)源電路設(shè)計(jì)，但工程應(yīng)用中經(jīng)常為了減少分析、計(jì)算的工作量，將實(shí)際電路進(jìn)行近似等效，簡(jiǎn)化計(jì)算模型，例如在計(jì)算各種傳輸線時(shí)常常將導(dǎo)帶厚度等效為零厚度的理想導(dǎo)體，將金屬層設(shè)為理想導(dǎo)體等。忽略帶線的導(dǎo)體厚度、導(dǎo)體粗糙度等表面狀態(tài)信息，帶來(lái)的影響是傳輸線實(shí)測(cè)插入損耗要大于理論分析值或者濾波器、諧振器等選頻元件出現(xiàn)頻帶偏移等問(wèn)題。在某些敏感應(yīng)用中，需要考慮傳輸線表面狀態(tài)的影響，保證良好的微波性能。

本文選取微波工程中常用的傳輸線結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置不同的表面狀態(tài)參數(shù)，對(duì)傳輸線進(jìn)行理論計(jì)算和仿真，歸納總結(jié)傳輸線表面狀態(tài)對(duì)電路微波性能的影響。

1 傳輸線表面狀態(tài)

工程中理想傳輸線對(duì)表面狀態(tài)的要求是金屬層厚度恒定，表面光滑無(wú)缺陷[2]。但制作過(guò)程中由于基板材料表面不平整、金屬膜層生長(zhǎng)制造工藝等原因，傳輸線導(dǎo)體層往往厚度不均勻，金屬表面也非理想表面[3]。在微波頻率低端，這些影響往往可忽略，但頻率較高這些缺陷會(huì)對(duì)微波性能產(chǎn)生一定影響，特別是在毫米波以上頻段[4-6]。

圖1是使用美國(guó)Bruker臺(tái)階儀測(cè)試設(shè)備實(shí)測(cè)了3種制造工藝加工的共面波導(dǎo)傳輸線表面狀態(tài)，圖1(a)為某低溫共燒陶瓷(LTCC)產(chǎn)品表面金屬線條截面積的形貌特征，圖1(b)為某薄膜產(chǎn)品表面金屬線條截面積的形貌特征，圖1(c)為某LTCC產(chǎn)品表面薄膜化后表面金屬線條截面積的形貌特征。

圖1不同制造工藝制造的帶線表面形態(tài)

圖1中橫軸為帶線橫截面橫向尺寸變化，縱軸為縱向尺寸變化?？梢钥闯霾煌に嚪绞街谱鞒龅膸Ь€表面狀態(tài)相差較大。圖1(b)薄膜工藝由于采用磁控濺射、光刻、電鍍等工藝使得帶線精度、表面粗糙度等都優(yōu)于圖1(a)采用印刷工藝實(shí)現(xiàn)的LTCC帶線。圖1(c)在LTCC基板表面進(jìn)行薄膜工藝處理，與原LTCC印刷工藝相比，不但提高了線條的精度，且對(duì)粗糙度的改善也十分明顯。

表1總結(jié)了不同工藝加工的傳輸線實(shí)測(cè)表面形態(tài)。

表1 不同的工藝加工的傳輸線表面形態(tài)(單位：μm)

工藝類型導(dǎo)體厚度(要求)導(dǎo)體厚度(實(shí)測(cè))粗糙度(測(cè)量RMS)LTCC10．08．3～13．31．01薄膜(氧化鋁)4．03．2～4．70．05薄膜(硅)4．03．6～4．40．002LTCC+薄膜5．03．62～6．460．22

傳輸線金屬的表面粗糙度及金屬層的厚度是通過(guò)改變傳輸線電場(chǎng)、電流來(lái)影響導(dǎo)體損耗和傳播常數(shù)的，可等效為有效介電常數(shù)發(fā)生了變化。

2 共面波導(dǎo)

共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide)是一種低色散、低損耗傳輸線，便于與有源器件集成，非常適合于毫米波以上頻段，甚至太赫茲頻段應(yīng)用的平面?zhèn)鬏斁€。同時(shí)共面波導(dǎo)傳輸線也是RF MEMS開關(guān)、移相器等器件常采用的傳輸結(jié)構(gòu)形式[7-8]。

圖2 接地共面波導(dǎo)典型結(jié)構(gòu)

常見共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)、慢波共面波導(dǎo)和接地共面波導(dǎo)。最常用的是接地共面波導(dǎo)(Conductor-Backed CPW)，它通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)的底面增加接地金屬層，不但容易與基板實(shí)現(xiàn)共晶封裝，增強(qiáng)了散熱能力，且相同阻抗接地共面波導(dǎo)帶線面積要小于標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)面積。在毫米波頻段由于接地共面波導(dǎo)良好的接地結(jié)構(gòu)，與微帶線、帶狀線等傳輸線相比較其傳輸損耗更低[9]。

接地共面波導(dǎo)是一種準(zhǔn)TEM波的平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)，加工容易，而且易與其他無(wú)源和有源微波元器件集成，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。由介質(zhì)基片上寬為s的信號(hào)線和兩邊接地金屬面構(gòu)成，接地金屬面寬度為g，信號(hào)線與兩側(cè)接地面縫隙寬度為w，導(dǎo)體印制在厚度為h、相對(duì)介電常數(shù)為εr的接地電介質(zhì)基片上，導(dǎo)體的厚度為t。

帶線電場(chǎng)分布于介質(zhì)和空氣中，不同的介質(zhì)對(duì)其相速都有影響，其影響相對(duì)大小，由電場(chǎng)在這兩部分占據(jù)范圍的相對(duì)大小，以及介質(zhì)和導(dǎo)體邊界的形狀與尺寸決定。

2.1 傳輸線微波性能參數(shù)

在工程設(shè)計(jì)中，最為關(guān)心的是傳輸線的有效介電常數(shù)εe、特征阻抗ZO及傳輸損耗等。可以利用傳輸線理論，應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)分析法-保角變換法對(duì)傳輸線的傳輸特性進(jìn)行分析。

相比于微帶線，共面波導(dǎo)的有效介電常數(shù)更易受加工工藝影響而改變。所謂有效介電常數(shù)是指電磁場(chǎng)沿著介質(zhì)基板材料與空氣組成的混合空間傳播時(shí)的介電常數(shù)。采用有效介電常數(shù)εe這一參數(shù)將非均勻媒介簡(jiǎn)化為均勻媒介來(lái)表示。

接地共面波導(dǎo)損耗主要由三部分組成：介質(zhì)損耗αd、導(dǎo)體損耗αc和輻射損耗。介質(zhì)損耗是電場(chǎng)通過(guò)基板介質(zhì)時(shí)由于介質(zhì)分子交替極化和晶格碰撞產(chǎn)生的熱損耗；導(dǎo)體損耗是由于導(dǎo)體的有限電導(dǎo)率在電流經(jīng)過(guò)時(shí)的熱損耗，這是傳輸線損耗的主要部分；輻射損耗是由于帶線場(chǎng)結(jié)構(gòu)為半開放所引起的。

文獻(xiàn)[10-11]中利用保角變換法對(duì)有限金屬厚度接地共面波導(dǎo)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析，給出了有效介電常數(shù)、特征阻抗、介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗求解的詳細(xì)推導(dǎo)，計(jì)算公式如式(1)～式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，

式中，Z0φ為真空時(shí)特征阻抗，εr為介質(zhì)的介電常數(shù)，tanδ為介質(zhì)損耗角正切，s為帶線信號(hào)線的寬度，w為帶線接地線與信號(hào)線之間間距,h為介質(zhì)厚度，K(k)為第一類完全橢圓積分函數(shù)。

需要注意的是毫米波頻段導(dǎo)體趨膚效應(yīng)影響，導(dǎo)體損耗與導(dǎo)體表面狀態(tài)非常相關(guān)[12]。

(5)

式中,σ為金屬電導(dǎo)率，對(duì)金來(lái)說(shuō)σ為4.098×107s/m，f(頻率)單位為GHz，μ0為真空磁導(dǎo)率4π×10-7H/m。

由式(5)趨膚深度公式可知，在30 GHz時(shí)趨膚深度約為0.46 μm，50 GHz時(shí)趨膚深度約為0.35 μm。趨膚深度的數(shù)值已經(jīng)與部分工藝實(shí)現(xiàn)線條表面粗糙度相近。

2.2 表層導(dǎo)體厚度對(duì)性能的影響

傳輸線表面導(dǎo)體厚度差異可以導(dǎo)致帶線的有效介電常數(shù)、特征阻抗減小和金屬損耗增加,傳輸波長(zhǎng)增加。特別是對(duì)于接地共面波導(dǎo)傳輸線來(lái)說(shuō)，由于接地共面波導(dǎo)具有耦合特性，導(dǎo)體厚度差異也會(huì)導(dǎo)致耦合能量產(chǎn)生較大差異[13]。

表2是導(dǎo)體金屬為金時(shí)，接地共面波導(dǎo)傳輸線不同導(dǎo)體厚度、不同信號(hào)線和間隔尺寸與特征阻抗之間的關(guān)系。

表2 接地共面波導(dǎo)尺寸與特征阻抗

S/μmW/μmZ/Ω(t=0)Z/Ω(t=4．0μm)Z/Ω(測(cè)量)15092．55048．848．010052．55045．146．25025．25042．144．1

從表中可以得出以下結(jié)論：

① 共面波導(dǎo)金屬層厚度較薄的接地和信號(hào)導(dǎo)體之間的電場(chǎng)能量較低。相反，共面波導(dǎo)厚的接地和信號(hào)導(dǎo)體之間的電場(chǎng)強(qiáng)度較大。原因是厚導(dǎo)體層電路耦合側(cè)壁高度比薄導(dǎo)體層電路更大，導(dǎo)致特征阻抗實(shí)測(cè)時(shí)要小一些；

② 接地和信號(hào)導(dǎo)體的間隔w也影響電場(chǎng)的耦合，間隔w越小，耦合區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度將越大。鄰近導(dǎo)體的間隔大，耦合區(qū)域的能量將更低。間隔越小，導(dǎo)致特征阻抗越小。

圖3為厚度為0.254 mm、導(dǎo)體金屬為金、長(zhǎng)度10 mm的50 Ω Al2O3傳輸線，在不同導(dǎo)體厚度、不同信號(hào)線與兩側(cè)接地面縫隙寬度時(shí)，傳輸損耗的仿真結(jié)果。

1#0.1 μm、1#0.5 μm、1#1.0 μm、1#4.0 μm、1#10.0 μm曲線接地共面波導(dǎo)的信號(hào)導(dǎo)體寬度s為150 μm，信號(hào)與接地間隔w為92.5 μm，導(dǎo)體厚度分別為0.1 μm、0.5 μm、1.0 μm、4.0 μm、10.0 μm。

2#4.0 μm曲線接地共面波導(dǎo)的信號(hào)導(dǎo)體寬度s為100 μm，信號(hào)與接地間隔w為52.5 μm，導(dǎo)體厚度4.0 μm。

圖3 不同導(dǎo)體尺寸的傳輸損耗

從圖中可以得出以下規(guī)律：

① 導(dǎo)體厚度0.1 μm時(shí)損耗最大，主要是因?yàn)閷?dǎo)體厚度小于趨膚深度；

② 導(dǎo)體厚度在0.1 ～4.0 μm之間變化時(shí)，損耗快速降低。主要是厚度逐漸大于趨膚深度，使得帶線導(dǎo)體損耗迅速減?。?/p>

③ 導(dǎo)體厚度在4.0 ～10.0 μm間變化時(shí)，損耗減緩降低。損耗減小原因是在厚導(dǎo)體的電場(chǎng)中可以利用更多的空氣介質(zhì)作為傳輸路徑傳輸電磁能量，降低了損耗；

④ 2#4.0 μm與 1#4.0 μm結(jié)構(gòu)上都是50 Ω的接地共面波導(dǎo)傳輸線，2#4.0 μm更適合在毫米波頻段傳輸，主要是由于信號(hào)導(dǎo)體與接地面間隔更小，不同頻率在傳輸中的耦合程度不同造成的。

⑤ 1#4.0 μm與1#10.0 μm損耗基本一致，從制造成本考慮，導(dǎo)體厚度在滿足傳輸性能的情況下，也不宜過(guò)厚。

2.3 表層導(dǎo)體粗糙度對(duì)性能的影響

同樣導(dǎo)體表面的粗糙度也會(huì)也會(huì)影響傳輸損耗，金屬表面越光滑，所產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗就越低，接地共面波導(dǎo)的插損也越低[14]。

圖4為利用軟件對(duì)導(dǎo)體粗糙度與傳輸損耗之間的關(guān)系的仿真結(jié)果(0.254 mm厚的Al2O3,介電常數(shù)9.8，長(zhǎng)度10 mm的50 Ω接地共面波導(dǎo)，信號(hào)導(dǎo)體寬度s為150 μm，信號(hào)與接地間隔w為92.5 μm，導(dǎo)體金層厚度4.0 μm)。

從圖中可以看出，導(dǎo)體的粗糙度對(duì)傳輸線的影響是不可忽視的。當(dāng)粗糙度達(dá)到1.0 μm(RMS)時(shí),已經(jīng)遠(yuǎn)大于30 GHz時(shí)導(dǎo)體趨膚深度，導(dǎo)致等效傳輸路徑增長(zhǎng)，損耗增加。結(jié)合表1不同的工藝加工的傳輸線表面形態(tài)中數(shù)據(jù)可知，薄膜工藝制作出的傳輸線(粗糙度0.1 μm)損耗約為0.05 dB/mm@30 GHz，LTCC工藝制作出的傳輸線(粗糙度為1.0 μm)損耗約為0.07 dB/mm@30 GHz。在50 GHz時(shí)，傳輸線粗糙度為0 μm(理想狀態(tài))與粗糙度為2.2 μm相比較，傳輸損耗已相差一倍。

可理解為同種介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)會(huì)隨著金屬層表面粗糙度的增大而發(fā)生變化。

圖4 不同粗糙度的導(dǎo)體傳輸損耗

3 接地共面波導(dǎo)與微帶線比較

利用以上共面波導(dǎo)傳輸線分析結(jié)論，對(duì)接地共面波導(dǎo)與微帶線進(jìn)行傳輸損耗分析。采用0.127 mm Al2O3陶瓷基板、介電常數(shù)9.8、長(zhǎng)度10 mm的50 Ω?jìng)鬏斁€，導(dǎo)體金層厚度4.0 μm，表面粗糙度均方根值為 0.05 μm。微帶線帶寬為134 μm，接地共面波導(dǎo)s為102 μm，w為90 μm。

在10～110 GHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)微帶線、共面波導(dǎo)分別進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：在41 GHz處，微帶線與接地共面波導(dǎo)損耗相當(dāng)，達(dá)到了0.07 dB/mm；在低于41 GHz頻率時(shí)，微帶線損耗要小于接地共面波導(dǎo)；在高于41 GHz頻率時(shí)，微帶線損耗逐漸大于接地共面波導(dǎo)，在100 GHz時(shí)微帶傳輸損耗為0.17 dB/mm,共面波導(dǎo)傳輸損耗為0.12 dB/mm。微帶線電路在毫米波波段產(chǎn)生的輻射更多，而設(shè)計(jì)良好的接地共面波導(dǎo)電路輻射損耗要小一些[15-16]。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)不同工藝制作的接地共面波導(dǎo)傳輸線厚度、表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，依據(jù)測(cè)量結(jié)果結(jié)合傳輸線的有效介電常數(shù)、特征阻抗及傳輸損耗等參數(shù)，進(jìn)行理論分析和計(jì)算，得出了導(dǎo)體厚度在一定范圍內(nèi)能夠影響傳輸線的損耗，導(dǎo)體表面粗糙度對(duì)傳輸損耗也有一定的貢獻(xiàn)。

在追求低傳輸損耗的應(yīng)用中，一定要選擇合適的工藝手段和合理的工藝精度來(lái)保證傳輸線的微波性能。例如， LTCC毫米波相控陣T/R組件對(duì)射頻前端損耗十分敏感，因此在表面狀態(tài)不佳的基板上進(jìn)行關(guān)鍵部分薄膜化處理是提高系統(tǒng)性能的有效方法。

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賈世旺(1977—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：微波射頻微系統(tǒng)。

蜂窩與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將支持未來(lái)“多鏈路”航空通信

據(jù)航空電子網(wǎng)站2017年11月報(bào)道，新型蜂窩與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將為飛機(jī)與空管、航空公司運(yùn)營(yíng)中心之間的通信提供新的選擇。

Sitaonair公司正在開發(fā)飛機(jī)通信尋址和報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)的現(xiàn)代化解決方案，在基于訂閱的ACARS網(wǎng)絡(luò)中引入基于IP的通信，通過(guò)3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)ACARS數(shù)據(jù)全球傳輸，從而改變傳統(tǒng)ACARS數(shù)據(jù)通信低帶寬與低速的現(xiàn)狀?！癆CARS over IP”是目前工作的核心，它能為航空界帶來(lái)真正意義的多鏈路通信。

Inmarsat與Sitaonair將研究使用Inmarsat的下一代 Swift Broadband-Safety (SB-S)航空服務(wù)作為飛行員與空管人員之間的主要通信鏈路，SB-S能夠大幅提高通信速度與容量，并已在美國(guó)聯(lián)合航空公司的波音767飛機(jī)上提供相應(yīng)服務(wù)。SB-S主要用于安全服務(wù)，而當(dāng)前數(shù)據(jù)的 35%與安全服務(wù)有關(guān)。未來(lái)SB-S的應(yīng)用有望推廣到全部業(yè)務(wù)。