寬帶射頻垂直過渡結(jié)構(gòu)的設計

伊雅新，楊睿天，辜霄，李慶東，孫科，楊秀強

（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源器件和有源器件及大量的傳輸線構(gòu)成的具備某種功能的電路組件，作為組件的關鍵組成部分，微帶電路在信號傳輸方面相較于集總參數(shù)電路更實用，微帶線的阻抗匹配在設計中起著非常重要的作用[1]。隨著對電路小型化的要求越來越高，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，這使得信號要在多層板之間進行垂直傳輸。電磁波在多層板之間的傳輸形式是不連續(xù)的，所以會帶來很多的寄生效應，這使得對信號在垂直過渡結(jié)構(gòu)中的傳輸特性的研究變得更加復雜，所以多層板之間的阻抗匹配也成了設計時需要重點考慮的問題。

在組件設計中，合理的匹配網(wǎng)絡可以使射頻信號以較小的損耗通過射頻電路，從而降低不必要的功率損耗[2-3]。通常情況下，工程上對垂直過渡結(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，能夠滿足批量生產(chǎn)的需求。常見的垂直過渡結(jié)構(gòu)主要利用金屬通孔[4]、槽耦合[5]和腔體耦合[6]來實現(xiàn)。其中利用槽耦合和腔體耦合會使結(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，但是會產(chǎn)生隨頻率升高而導致寄生效應的問題，從而使多層板的阻抗匹配性變差。

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

本文設計了一種寬帶的射頻垂直過渡結(jié)構(gòu)，用于解決多層板之間的信號傳輸問題，該結(jié)構(gòu)主要通過絕緣子實現(xiàn)不同層的垂直互連，可實現(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

當射頻信號跨層傳輸時，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)的外導體，這種結(jié)構(gòu)傳輸?shù)氖菣M電磁波（TEM 波）。微帶線雖然由平行雙線發(fā)展而來，但其導體中增加了介質(zhì)基板，這時微帶線中傳輸?shù)牟⒎羌兇獾臋M電磁波，而是會出現(xiàn)各種雜波，但因為微帶線橫截面尺寸較小，所以雜波對微帶線的影響也很小。由于微帶線與同軸線均勻介質(zhì)中的TEM 波略有區(qū)別，通常稱微帶線中傳輸?shù)碾姶挪Ｊ綖闇蔜EM波，所以兩種不同的電磁波傳輸模式需要進行匹配。

隨著頻率的升高，結(jié)構(gòu)的色散特性會變得更加明顯，微帶線的寄生參數(shù)對信號傳輸性能的影響也會越來越大，要實現(xiàn)兩種傳輸線的阻抗匹配及模式轉(zhuǎn)換，可以利用絕緣子進行多層板之間的信號傳輸，并通過優(yōu)化微帶線上的匹配枝節(jié)來進行阻抗匹配，使得傳輸?shù)男盘枔p耗變小。

寬帶射頻垂直過渡結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由微帶線及匹配枝節(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，兩端的銅芯到地之間的距離可以等效為電感串聯(lián)在微帶線之間，設為L1和L2，上層微帶線與地之間的距離和銅芯與地之間的空隙可以等效為電容，設為C1和C2，同理下層設為C3和C4。其中過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，w 為微帶線的寬度，εr為微帶線的等效介電常數(shù)。將微帶線的電感L0與過渡段的電感相加，即可得到該結(jié)構(gòu)的總電感L[10]：

如果沒有補償，這時微帶線的特性阻抗Z[10]為

其中，C0為微帶線的電容。而過渡結(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。本設計采用的絕緣子型號為BZ-817，將絕緣子穿過介質(zhì)基板并和微帶線上的焊盤焊接在一起，由于導體有趨膚效應，所以微帶線上的電流也會集中在微帶線的兩側(cè)，且微帶線與焊盤連接處會有寄生參數(shù)，因此優(yōu)化焊盤的尺寸也可以改善不同層微帶線之間的反射。

3 仿真及實物測試

本文利用三維電磁仿真軟件HFSS 進行建模，根據(jù)不同的使用頻段，設計了兩種在組件設計中常用的不同微帶線寬度的垂直過渡結(jié)構(gòu)，其中微帶線的特性阻抗都取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，微帶線線寬為0.38 mm，第一種垂直過渡結(jié)構(gòu)如圖2 所示；第二種基板厚度為0.19 mm，微帶線線寬為0.56 mm，第二種垂直過渡結(jié)構(gòu)如圖3 所示。經(jīng)過優(yōu)化，兩種垂直過渡結(jié)構(gòu)在尺寸上有些細小的差別，其主要尺寸見圖2 和圖3。

圖2 第一種垂直過渡結(jié)構(gòu)

圖3 第二種垂直過渡結(jié)構(gòu)

兩種垂直過渡結(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。這表明所設計的垂直過渡結(jié)構(gòu)可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)小于-20 dB 的回波損耗和接近0 dB 的插入損耗，且改變微帶線的長度及旋轉(zhuǎn)方向不影響結(jié)果。為了能更加直觀地看出垂直同軸過渡結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)對結(jié)果的影響，以圖3 的設計為例，圖5 給出了改變微帶線背面金屬到地的過孔直徑D13、金屬焊盤半徑D11和同軸金屬芯的直徑D14對S 參數(shù)的影響。從圖5（a）可以看出，當D13增大時S11向左偏移，這是由于改變D13的值相當于改變C2的值，當增大等效電路中的電容值時，諧振頻率也會變小。圖5（b）同理，選擇合適的D11值也可以得到較好的S11值。當把空氣腔變成矩形腔時，從圖5（c）可以看出在高頻處有尖刺。從圖5（d）可以看出，當改變D14時，0.3 mm 是最合適的值。本設計結(jié)構(gòu)與其他文獻同類設計的性能對比如表1 所示，常見的垂直過渡類型有絕緣子和玻珠。在頻率范圍類似的情況下，本文設計的結(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 本文設計結(jié)構(gòu)與其他文獻同類設計的性能對比

圖4 兩種垂直過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

圖5 S 參數(shù)隨D13、D11 和D14 的變化

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

圖6 垂直過渡結(jié)構(gòu)測試夾具及測試過程

仿真和測試結(jié)果對比如圖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)帶來的介質(zhì)損耗引起的，頻率越高損耗越大。且在實際測試過程中S21計入了兩個D360S12F04 連接器和兩段微帶傳輸線的插入損耗。此外，加工裝配誤差和測量誤差也是導致實測結(jié)果與理論模型仿真結(jié)果不一致的原因[13]。

圖7 垂直過渡結(jié)構(gòu)仿真與測試結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文介紹了一種寬帶射頻垂直過渡結(jié)構(gòu)，通過對兩種常用的微帶線寬度的模型進行仿真和測試，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。雖然實測結(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)果也能夠滿足寬帶毫米波組件中對射頻信號傳輸?shù)囊?，且相較于其他的過渡方式而言，該設計具有帶寬大、成本低、易集成及結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定等優(yōu)點。