伊雅新，楊睿天，辜霄，李慶東，孫科，楊秀強(qiáng)

（成都西科微波通訊有限公司，成都 610091）

1 引言

微波毫米波組件是一些由無(wú)源器件和有源器件及大量的傳輸線(xiàn)構(gòu)成的具備某種功能的電路組件，作為組件的關(guān)鍵組成部分，微帶電路在信號(hào)傳輸方面相較于集總參數(shù)電路更實(shí)用，微帶線(xiàn)的阻抗匹配在設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用[1]。隨著對(duì)電路小型化的要求越來(lái)越高，更多地利用高度上的空間也可以使組件的結(jié)構(gòu)更加緊湊，這使得信號(hào)要在多層板之間進(jìn)行垂直傳輸。電磁波在多層板之間的傳輸形式是不連續(xù)的，所以會(huì)帶來(lái)很多的寄生效應(yīng)，這使得對(duì)信號(hào)在垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)中的傳輸特性的研究變得更加復(fù)雜，所以多層板之間的阻抗匹配也成了設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

在組件設(shè)計(jì)中，合理的匹配網(wǎng)絡(luò)可以使射頻信號(hào)以較小的損耗通過(guò)射頻電路，從而降低不必要的功率損耗[2-3]。通常情況下，工程上對(duì)垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)的要求主要為能覆蓋的頻帶范圍大，插入損耗接近0 dB，回波損耗小于-10 dB，且易于加工，能夠滿(mǎn)足批量生產(chǎn)的需求。常見(jiàn)的垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)主要利用金屬通孔[4]、槽耦合[5]和腔體耦合[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中利用槽耦合和腔體耦合會(huì)使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)帶通特性，而利用金屬通孔雖然頻帶寬、損耗低，但是會(huì)產(chǎn)生隨頻率升高而導(dǎo)致寄生效應(yīng)的問(wèn)題，從而使多層板的阻抗匹配性變差。

隨著垂直過(guò)渡理論的不斷完善，垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)在微波系統(tǒng)中的應(yīng)用使組件的結(jié)構(gòu)更加緊湊。2005 年，WU 等人提出了基于垂直“同軸過(guò)渡”的CPW 到CPW互連結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)相比，同軸型轉(zhuǎn)換提供了更多的返回電流路徑，因此信號(hào)連續(xù)性大大提高[7]。2017 年，CHAIRUNNISA 將垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)應(yīng)用于印刷行波天線(xiàn)，該天線(xiàn)由底層的微帶線(xiàn)與頂層的輻射元件互連而成，使用通孔充當(dāng)垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)，減小了行波天線(xiàn)的尺寸[8]。2019 年，NASR 等將垂直通孔過(guò)渡結(jié)構(gòu)與單脊波導(dǎo)相結(jié)合，用于覆蓋Ku 和Ka 波段的脊間隙波導(dǎo)。仿真和測(cè)量的結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)在12.8～40 GHz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大于-15 dB 的回波損耗[9]。

本文設(shè)計(jì)了一種寬帶的射頻垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)，用于解決多層板之間的信號(hào)傳輸問(wèn)題，該結(jié)構(gòu)主要通過(guò)絕緣子實(shí)現(xiàn)不同層的垂直互連，可實(shí)現(xiàn)在寬頻帶范圍內(nèi)的垂直互連，且回波損耗小，性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能廣泛用于組件內(nèi)的垂直互連。

2 結(jié)構(gòu)及理論分析

當(dāng)射頻信號(hào)跨層傳輸時(shí)，連接多層介質(zhì)基板的絕緣子可近似看作是一種同軸結(jié)構(gòu)，其中絕緣子的銅芯可以看作同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體，而絕緣子的外層玻璃介質(zhì)可以看作是同軸結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體，這種結(jié)構(gòu)傳輸?shù)氖菣M電磁波（TEM 波）。微帶線(xiàn)雖然由平行雙線(xiàn)發(fā)展而來(lái)，但其導(dǎo)體中增加了介質(zhì)基板，這時(shí)微帶線(xiàn)中傳輸?shù)牟⒎羌兇獾臋M電磁波，而是會(huì)出現(xiàn)各種雜波，但因?yàn)槲Ь€(xiàn)橫截面尺寸較小，所以雜波對(duì)微帶線(xiàn)的影響也很小。由于微帶線(xiàn)與同軸線(xiàn)均勻介質(zhì)中的TEM 波略有區(qū)別，通常稱(chēng)微帶線(xiàn)中傳輸?shù)碾姶挪Ｊ綖闇?zhǔn)TEM波，所以?xún)煞N不同的電磁波傳輸模式需要進(jìn)行匹配。

隨著頻率的升高，結(jié)構(gòu)的色散特性會(huì)變得更加明顯，微帶線(xiàn)的寄生參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸性能的影響也會(huì)越來(lái)越大，要實(shí)現(xiàn)兩種傳輸線(xiàn)的阻抗匹配及模式轉(zhuǎn)換，可以利用絕緣子進(jìn)行多層板之間的信號(hào)傳輸，并通過(guò)優(yōu)化微帶線(xiàn)上的匹配枝節(jié)來(lái)進(jìn)行阻抗匹配，使得傳輸?shù)男盘?hào)損耗變小。

寬帶射頻垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由微帶線(xiàn)及匹配枝節(jié)、絕緣子和上下層介質(zhì)基板等部分構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)的等效電路如圖1（b）所示，絕緣子的銅芯連接上層和下層的50 Ω 微帶線(xiàn)，兩端的銅芯到地之間的距離可以等效為電感串聯(lián)在微帶線(xiàn)之間，設(shè)為L(zhǎng)1和L2，上層微帶線(xiàn)與地之間的距離和銅芯與地之間的空隙可以等效為電容，設(shè)為C1和C2，同理下層設(shè)為C3和C4。其中過(guò)渡段的電感可近似為[10]

其中，Δl 為銅芯到地之間的距離，v 為波速，γ 為歐拉系數(shù)，λ 為自由空間中的波長(zhǎng)，w 為微帶線(xiàn)的寬度，εr為微帶線(xiàn)的等效介電常數(shù)。將微帶線(xiàn)的電感L0與過(guò)渡段的電感相加，即可得到該結(jié)構(gòu)的總電感L[10]：

如果沒(méi)有補(bǔ)償，這時(shí)微帶線(xiàn)的特性阻抗Z[10]為

其中，C0為微帶線(xiàn)的電容。而過(guò)渡結(jié)構(gòu)外的特性阻抗Z0[10]為

由于Z0和Z 不匹配，所以需要加入補(bǔ)償電容ΔC[10]：

為了減少電路間的電磁干擾，圖1 中用空氣腔進(jìn)行隔離，而空氣腔部分的下沉也可以更好地起到電磁屏蔽的效果。本設(shè)計(jì)采用的絕緣子型號(hào)為BZ-817，將絕緣子穿過(guò)介質(zhì)基板并和微帶線(xiàn)上的焊盤(pán)焊接在一起，由于導(dǎo)體有趨膚效應(yīng)，所以微帶線(xiàn)上的電流也會(huì)集中在微帶線(xiàn)的兩側(cè)，且微帶線(xiàn)與焊盤(pán)連接處會(huì)有寄生參數(shù)，因此優(yōu)化焊盤(pán)的尺寸也可以改善不同層微帶線(xiàn)之間的反射。

3 仿真及實(shí)物測(cè)試

本文利用三維電磁仿真軟件HFSS 進(jìn)行建模，根據(jù)不同的使用頻段，設(shè)計(jì)了兩種在組件設(shè)計(jì)中常用的不同微帶線(xiàn)寬度的垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其中微帶線(xiàn)的特性阻抗都取50 Ω。介質(zhì)基板都采用Rogers 公司的Duriod 5880，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切值為0.000 9。第一種基板厚度為0.127 mm，微帶線(xiàn)線(xiàn)寬為0.38 mm，第一種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)如圖2 所示；第二種基板厚度為0.19 mm，微帶線(xiàn)線(xiàn)寬為0.56 mm，第二種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)如圖3 所示。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，兩種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)在尺寸上有些細(xì)小的差別，其主要尺寸見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2 第一種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)

圖3 第二種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)

兩種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖4 所示，在DC～40 GHz 的頻帶范圍內(nèi)回波損耗S11≤-21 dB，插入損耗S21≥-0.3 dB。這表明所設(shè)計(jì)的垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小于-20 dB 的回波損耗和接近0 dB 的插入損耗，且改變微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度及旋轉(zhuǎn)方向不影響結(jié)果。為了能更加直觀地看出垂直同軸過(guò)渡結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，以圖3 的設(shè)計(jì)為例，圖5 給出了改變微帶線(xiàn)背面金屬到地的過(guò)孔直徑D13、金屬焊盤(pán)半徑D11和同軸金屬芯的直徑D14對(duì)S 參數(shù)的影響。從圖5（a）可以看出，當(dāng)D13增大時(shí)S11向左偏移，這是由于改變D13的值相當(dāng)于改變C2的值，當(dāng)增大等效電路中的電容值時(shí)，諧振頻率也會(huì)變小。圖5（b）同理，選擇合適的D11值也可以得到較好的S11值。當(dāng)把空氣腔變成矩形腔時(shí)，從圖5（c）可以看出在高頻處有尖刺。從圖5（d）可以看出，當(dāng)改變D14時(shí)，0.3 mm 是最合適的值。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與其他文獻(xiàn)同類(lèi)設(shè)計(jì)的性能對(duì)比如表1 所示，常見(jiàn)的垂直過(guò)渡類(lèi)型有絕緣子和玻珠。在頻率范圍類(lèi)似的情況下，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的回波損耗和插入損耗要優(yōu)于其他的結(jié)構(gòu)。

表1 本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與其他文獻(xiàn)同類(lèi)設(shè)計(jì)的性能對(duì)比

圖4 兩種垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

圖5 S 參數(shù)隨D13、D11 和D14 的變化

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，加工制作了實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試夾具及測(cè)試過(guò)程如圖6 所示，仿真模型上空氣腔的凹槽在實(shí)物加工中是在蓋板上加工了一個(gè)凸起的部分。為了便于測(cè)試，在測(cè)試夾具的腔體上增加了兩個(gè)D360S12F04 連接器用于和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行連接。

圖6 垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)測(cè)試夾具及測(cè)試過(guò)程

仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖7 所示，可以看到在DC～40 GHz 頻帶內(nèi)，S11＜-8 dB，S21＞-2.2 dB，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相比，S21相差不大，但是S11有些區(qū)別，其中S11最差的部分出現(xiàn)在35 GHz 附近，這是由電路板所采用的介質(zhì)帶來(lái)的介質(zhì)損耗引起的，頻率越高損耗越大。且在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中S21計(jì)入了兩個(gè)D360S12F04 連接器和兩段微帶傳輸線(xiàn)的插入損耗。此外，加工裝配誤差和測(cè)量誤差也是導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與理論模型仿真結(jié)果不一致的原因[13]。

圖7 垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文介紹了一種寬帶射頻垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)兩種常用的微帶線(xiàn)寬度的模型進(jìn)行仿真和測(cè)試，得到的最優(yōu)結(jié)果為在DC～40 GHz 的頻帶范圍內(nèi)回波損耗低于-8 dB，插入損耗大于-2.2 dB。雖然實(shí)測(cè)結(jié)果在高頻處的表現(xiàn)不如仿真結(jié)果，但是考慮到接頭及加工部分的損耗，該結(jié)果也能夠滿(mǎn)足寬帶毫米波組件中對(duì)射頻信號(hào)傳輸?shù)囊?，且相較于其他的過(guò)渡方式而言，該設(shè)計(jì)具有帶寬大、成本低、易集成及結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。