不對稱槽線及其在三維微波集成電路中的應(yīng)用?

姬五勝，張玉，Nefyodov E I，郭宏

（1.蘭州城市學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)研究所，蘭州730070；2.蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院，蘭州730050；3.俄羅斯科學(xué)院無線電工程與電子學(xué)研究所弗涼基諾分部，弗涼基諾141190，俄羅斯）

不對稱槽線及其在三維微波集成電路中的應(yīng)用?

姬五勝1，2，張玉2，Nefyodov E I3，郭宏2

（1.蘭州城市學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)研究所，蘭州730070；2.蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院，蘭州730050；3.俄羅斯科學(xué)院無線電工程與電子學(xué)研究所弗涼基諾分部，弗涼基諾141190，俄羅斯）

介紹了不對稱槽線的特性，分析了以不對稱槽線構(gòu)建的復(fù)合環(huán)、支線定向耦合器、平衡功率分配器、多層濾波器、多信道功率分配器等組件的性能。這些組件體積小、重量輕、頻帶寬、電壓駐波系數(shù)小，并且大多數(shù)可應(yīng)用于毫米波段，是三維微波集成電路中的重要組成部分。研究表明不對稱槽線具有優(yōu)良的特性。

三維微波集成電路；不對稱槽線；定向耦合器；功率分配器；多層濾波器；電壓駐波系數(shù)；功率分配

1 引言

由于通信技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對微波器件的小型化和寬頻帶提出了更高的要求，微波平面電路由于體積大、集成度低已不能滿足通信設(shè)備高性能和微型化的需求，這就迫使微波電路向三維集成發(fā)展，同時應(yīng)用范圍也要求拓寬到毫米波頻段及更高頻段。

在三維微波集成電路中，電磁信號依靠傳輸線來引導(dǎo)，同一層電路中不同類型傳輸線間要實現(xiàn)信號耦合，不同電路層間的傳輸線也要實現(xiàn)信號耦合。故在三維微波集成電路中，經(jīng)常出現(xiàn)多個傳輸線的組合，且不同層的傳輸線必須和專門的過渡結(jié)構(gòu)配合使用。傳輸線的基本類型有微帶線、帶狀線、槽線、共面波導(dǎo)等。在微型化的微波集成電路中，像微帶線、槽線的使用是受限制的［1］，因為它們有較高的工藝復(fù)雜性和較低的電性能參數(shù)。1985年，前蘇聯(lián)的Nefyodov.E.I率先開展了不對稱槽線的基礎(chǔ)特性研究［1］；由于不對稱槽線具有雙面拓撲結(jié)構(gòu)，在多層電路中它和微帶線、槽線的組合不需要專門的過渡，不需要在基片中鉆孔，也不需要導(dǎo)帶之間的焊接，且載流導(dǎo)體分布在基片的兩側(cè)［2］，使得它能以簡單的結(jié)構(gòu)工藝實現(xiàn)復(fù)合環(huán)［2］、支線定向耦合器［3］、平衡功率分配器［3］、多層濾波器［4］、多信道功率分配器［4］等，這些組件是三維微波集成電路中的重要組成部分。

盡管不對稱槽線在20世紀80年代已被提出［1］，并展開在三維微波集成電路中的應(yīng)用研究［2-6］，但公開發(fā)表的研究不對稱槽線的文章數(shù)量極少。1990年，R.Janaswamy分析了不對稱槽線傳播的基本模式，建立了譜域表達式，得到了不對稱槽線的傳播常數(shù)和特性阻抗的數(shù)值結(jié)果［7］。2000年，M.Ribó和L.Pradell用六端口網(wǎng)絡(luò)模型分析了不對稱槽線諧振器［8］。2006年，J.T.Apostolos設(shè)計了一個不對稱槽線L形天線［9］。國內(nèi)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對這類傳輸線重視不夠，對它的研究幾乎是空白。本文引入了不對稱傳輸線的基礎(chǔ)研究，并分析其在微波三維電路集成中的應(yīng)用，充分展示不對稱槽線的優(yōu)良特性。

2 不對稱槽線

2.1 不對稱槽線概述

在三維微波集成電路中，存在大量不同類型傳輸線及其匹配元件的組合，其橫截面如圖1所示。圖1中第Ⅰ部分是帶狀線，第Ⅱ部分是槽線，第Ⅲ部分是共面線，第Ⅳ部分是不對稱槽線。

大多數(shù)微波三維電路集成都以不對稱槽線作為部分元件。不對稱槽線由分布在電介質(zhì)基片兩側(cè)的平行金屬半平面所構(gòu)成；按照金屬半平面的相對分布，可以得到不對稱槽線的各種變體，分為有交疊（圖2（a））、無交疊（圖2（b））和零交疊（兩個金屬半平面的邊緣上下彼此對齊）［4］。圖2（c）、（d）、（e）是不對稱槽線的電流分布。

2.2 不對稱槽線的特性

不對稱槽線的有效介電常數(shù)εeff和波阻抗Z有以下關(guān)系［1］：

式中，s為不對稱槽線上下交疊金屬層邊緣之間的的距離，d為介質(zhì)基片的厚度，K、K′為系數(shù)k的第一類橢圓積分，q=（s／d）（2-ε）+ε（ε-1）／4，k= 0.515+0.5th（s／d-0.75）。

圖3（a）、（b）中曲線1代表按照式（1）、（2）的計算結(jié)果［2］，“·”為氧化鋁基片（ε=9.8）不對稱槽線的實驗數(shù)據(jù)，曲線2、3分別為與不對稱槽線具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微帶線和槽線的計算數(shù)據(jù)。圖3（c）為用HFSS軟件仿真的延遲系數(shù)［5］。

不對稱槽線的結(jié)構(gòu)具有不需要實現(xiàn)窄導(dǎo)帶和窄槽的特點，可達到任意的波阻抗值。當金屬片交疊時（s＞0），其波阻抗與微帶線接近；當交疊部分達到或超過半波長，即與微帶線完全一致，此時波阻抗較小，可產(chǎn)生導(dǎo)行波和表面波。當金屬片不交疊時（s＜0），其特性與槽線相似，此時波阻抗較大，輻射較大。

3 不對稱槽線在微波三維電路集成中的應(yīng)用

3.1 不對稱槽線與其他傳輸線的過渡

圖4（a）是不對稱槽線與微帶線構(gòu)成的T形接頭，此時微帶線與兩條不對稱槽線并聯(lián)，輸出臂中是同相激勵信號。在Z＜50Ω時，該接頭在一個倍頻程內(nèi)VSWR＜1.1［1］。

圖4（b）是不對稱槽線與槽線構(gòu)成的T形接頭，槽線的兩個半金屬平面與基片另一側(cè)的半金屬平面形成不對稱槽線；此時槽線與兩條不對稱槽線串聯(lián)，輸出臂中是反相激勵信號。由于連接處的場結(jié)構(gòu)較為匹配，當輸出阻抗Z＞50Ω時，反射系數(shù)很小，即VSWR→1［1］。

圖4（c）是從槽線到微帶線復(fù)合過渡的一種魔T接頭。橫向臂3、4是介質(zhì)基片5兩側(cè)平面上金屬鍍層形成的不對稱槽線。如果復(fù)合環(huán)從槽線1激勵，信號將對稱地分配到兩個不對稱槽線橫向臂3、4之間。微帶線2的帶條末端是相對于縫隙型T型接頭的λ／4開路支線6。不對稱槽線臂3、4相對于輸入端口1串聯(lián)，而相對于輸入端口2并聯(lián)，它們的匹配阻抗是槽線1輸入阻抗的2倍，同時也等于微帶線2輸入阻抗的一半。在5.2～11 GHz頻帶上，這種魔T接頭功率分配的不均勻性不超過0.3 dB，橫向臂之間的相位不均勻性不超過2°。在8.5～11 GHz頻帶上，縫隙輸入端口1和橫向臂3、4之間的平均損耗為0.2 dB，微帶線輸入端口2方向上的平均損耗為0.3 dB［6］。

圖4（d）是矩形波導(dǎo)-不對稱槽線的過渡結(jié)構(gòu)，為了平滑過渡，把不對稱槽線的上、下金屬片做成圓弧狀。這種過渡由于沒有采用連接線，頻帶可達幾個倍頻程，屬于超寬帶過渡［3］。

3.2 不對稱槽線在支線定向耦合器中的應(yīng)用

支線定向耦合器借助兩個或更多的支線實現(xiàn)兩類傳輸線的連接，而且它們之間的長度和距離都是λ／4。在工作頻帶增大時，定向耦合器的邊緣支線工藝實現(xiàn)困難，這是定向耦合器的缺點。當邊緣支線為高阻時（ρ＞120Ω），利用不對稱槽線可以實現(xiàn)邊緣支線［3］，如圖5（a）所示。圖5（b）表示支線定向耦合器過渡衰減的頻率特性，實線、虛線分別代表支線數(shù)目為“3”、“4”時的情況?？梢钥闯鲋Ь€數(shù)目增多時，工作頻帶變寬。利用不對稱槽線實現(xiàn)邊緣支線時，支線的數(shù)目可以超過3個，突破了傳統(tǒng)支線定向耦合器的工藝限制，而且隨著支線數(shù)目的增多，定向耦合器的性能會變好。

3.3 不對稱槽線構(gòu)成的λ／2復(fù)合環(huán)

使用不對稱槽線可以組成λ／2復(fù)合環(huán)，如圖6所示［2］。圖6（a）中，輸入臂1和輸出臂2、3都是微帶線，臂1在水平直徑方向接入環(huán)，臂2、3沿直徑軸線對稱放置，槽線輸入臂4沿直徑軸線的另一個方向在兩個輸出臂2、3的連接點上接入，放置在介質(zhì)層的另一個面上；此時復(fù)合環(huán)有兩面拓撲，上、下兩層的環(huán)形導(dǎo)體構(gòu)成不對稱槽線，環(huán)的直徑為λ／4。

在槽線輸入臂的信號激勵下，會反相激勵微帶線輸出臂；而在微帶線激勵下，則會同相激勵輸出臂。由于一段λ／4環(huán)線的平衡，輸出臂之間可實現(xiàn)0°、180°的相移，功率在輸出臂上保持非常寬的頻帶，可達3個倍頻程（圖6（c））。由于環(huán)相對于輸出臂的對稱性，輸入臂之間的去耦很大（去耦的測量數(shù)據(jù)大于40 dB）。

圖6（b）的工作原理與圖6（a）類似。這種微型化的復(fù)合環(huán)不僅電性能優(yōu)異，而且重量、體積都很小。

3.4 不對稱槽線構(gòu)成的環(huán)形平衡功率分配器

圖7是兩個小型化的平衡功率分配器［3］，不對稱槽線是λ／2的圓環(huán)。同相功率分配時（圖7（a）），

輸入、輸出臂是微帶線，平衡電阻Rb并聯(lián)基于槽線的λ／4短路支線（圖中虛線圓弧是在下層金屬板上刻劃出的空心圓，這種方式可以擴展工作頻帶）；反相功率分配時（圖7（b）），輸入、輸出臂是槽線，平衡電阻Rb處于介質(zhì)中連接不對稱槽線上、下層的電流導(dǎo)體。平衡電阻可以是集總元件或分布參數(shù)元件，借助薄膜導(dǎo)體粘連底層實現(xiàn)。圖7（c）是平衡功率分配器衰減的頻率特性，實線、虛線分別代表同相、反相情形，同相和反相功率分配時，衰減曲線吻合得較好，輸出臂之間的去耦相差很小。這種平衡功率分配器不需要引入附加的傳輸線來實現(xiàn)移相，且由于拓撲中無連接線，可以應(yīng)用到毫米波頻段。

3.5 不對稱槽線構(gòu)成的多層濾波器

圖8是一個三次諧振三維耦合的立體帶線濾波器［4］，其中有3個基于不對稱槽線的λ／2開路諧振器，鄰近的諧振器互為鏡像對稱。該濾波器通過多層電介質(zhì)基片的組合實現(xiàn)，在ε=10的基片的兩側(cè)刻劃了不對稱槽線金屬層?；g放置了ε= 2.32、厚度為0.22 mm的電介質(zhì)層。濾波器的輸入、輸出諧振器是50Ω槽線，信號激勵在槽線磁場波腹處實現(xiàn)。諧振器之間的耦合會隨介質(zhì)層的厚度改變而改變，且隨著介質(zhì)層厚度的增加耦合在減弱。測量得到的該濾波器的幅頻特性曲線如圖8（b）所示?？梢钥闯觯谕◣?nèi)損耗小于1.8 dB，而阻帶內(nèi)損耗大于26 dB，測量結(jié)果與切比雪夫逼近結(jié)果基本吻合。衰減陡度有偏差，表明在該濾波器中不但存在相鄰諧振器之間磁場的串聯(lián)耦合，而且在第一個和最后一個諧振器之間有補充的磁場耦合（感性耦合）；分布在阻帶里的極點，表明濾波器具有準橢圓幅度頻率特性。為了實現(xiàn)阻帶內(nèi)的頻率特性均衡，整個濾波器空間都設(shè)計為耦合區(qū)域。這種諧振器沿垂直方向立體分布，故這種濾波器最顯著的特點是降低了重量、縮小了體積。

3.6 不對稱槽線在多信道功率分配器中的應(yīng)用

一個四信道微波信號功率分配器的結(jié)構(gòu)如圖9所示［4］，它由帶狀線組合構(gòu)成，在不同的層之間形成了不對稱槽線。不對稱槽線會引起橫向寄生波，可以通過增大上、下金屬層邊緣的間距θ2來抑制，同時通過介質(zhì)層側(cè)壁金屬鍍層來抑制。電長度為θ1的帶狀線同相激勵兩個窄條微帶線θ2，而θ2連接著微帶線θ3。在其他層帶狀線、微帶線的分布與上述過程形同。穿過介質(zhì)層的盲孔（金屬柱）實現(xiàn)了帶狀線中的電位平衡和寄生波的抑制，另一方面也起到了加固作用。在厘米波段測量兩信道功率分配器（C12=C13=3 dB），在一個倍頻程的工作頻帶上，功率分配的不均勻性小于0.2 dB，電壓駐波系數(shù)VSWR≤1.25。從這些數(shù)據(jù)可以看出，這種四信道功率分配器性能良好。

4 結(jié)束語

首先，本文給出了不對稱槽線的結(jié)構(gòu)和電磁場及電流分布圖，分析了其有效介電常數(shù)及特性阻抗的變化曲線圖，得出了不對稱槽線的結(jié)構(gòu)性能特性：當金屬片交疊時（s＞0），其波阻抗與微帶線接近，當交疊部分達到或超過半波長，即與微帶線完全一致，此時波阻抗較小，可產(chǎn)生導(dǎo)行波和表面波；當金屬片不交疊時（s＜0），其特性與槽線相似，此時波阻抗較大，輻射較大。因此，不對稱槽線的結(jié)構(gòu)具有不需要實現(xiàn)窄導(dǎo)帶和窄槽即可達到任意波阻抗值的特點。其次，本文詳細研究了不對稱槽線在過渡結(jié)構(gòu)、定向耦合器、多層濾波器和多信道功率分配器等三維微波集成電路組件中的應(yīng)用，并對這些結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)進行了分析和說明。不對稱傳輸線在三維微波集成電路中起著重要的作用，必須引起國內(nèi)學(xué)術(shù)界的足夠重視，期待在理論和應(yīng)用兩個方面取得更為深入的研究。

［1］Г в оз д е в В И，Н е ф ё д о в Е И.О б ъ ё м н ы е и н т ег р а л ь н ы е с х е м ы С В Ч［M］.М о с к в а：Н а у к а，1985.

［2］Г р и д и н В Н，Н е ф ё д о в Е И.，Ч е р н и к о в а Т.Ю. Э л е к т р о д и н а м и к а с т р у к т у р к р а й н е в ы с о к и х ч а с т о т［M］. М о с к в а：Н а у к а，2002

［3］Н е ф ё д о в Е И.Т е х н и ч ес к а я э л е к т р о д и н а м и к а［M］. М о с к в а：А к а д е м и я，2008.

［4］Н е ф ё д о в ЕИ.А н т е н о-ф и д е р н ы е у с т р о й с т в а и р а с п р о с т р а н е н и е р а д и о в о л н［M］.2-и з д а н и е.М о с к в а：А к а д е м и я，2008.

［5］К л ю е в С Б，Н е ф ё д о в Е И，Ji Wusheng.Н ес и м е т р и ч н а ящ е л е в а я л и н и я（Н Щ Л），Ч и с л е н ы й а н а л и з［C］／／ф и з и к аит е х н и ч ес к и еп р и л о ж е н и яв о л н о в о в ы х п р о ц е н с о в，п о с в я щ е н у ю150-л е т и ю с о д н я р о ж д е н и я А.С.П о п о в а，С а м а р а，2008：498-501.

［6］Г в оз д е в В И.М и н и а т ю р н ы е г и б р и д н ы е у с т р о й с т в а С В Ч［J］.З а р у б е ж н а я р а д и о э л е к т р о н и к а，1981（11）：35-47.

［7］Janaswamy R.Wiener-Hopf analysis of the asymmetric slotline［J］.Radio science，1990（25）：699-706.

［8］Ribó M，Pradell L.Circuit model for a coplanar-slotline cross［J］.IEEE Microwave and Guided Wave Letters，2000（10）：511-513.

［9］Apostolos J T.Meander-lineless wide bandwidth L-shaped slot line antenna［P］.United States Patents，2006.

JI Wu-sheng was born in Qin′an，Gansu Province，in 1968. He received the Ph.D.degree from Shanghai University in 2004 and the Postdoctoral degree from Xi′an University of Electronic Science and Technology in 2010.He is now a professor and a senior member of CIE.His research interests include three-dimensional integration of microwave circuits，wireless technology and information system，computational electromagnetics and so on.

Email：wshji1326＠sohu.com

張玉（1986—），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要研究方向為無線通信理論與技術(shù)；

ZHANG Yu was born in Xiangyang，Hubei Province，in 1986. She is now a graduate student.Her research concerns the theory and technology of wireless communication.

Nefyodov E I（1932—），男，烏克蘭塔甘羅格人，俄羅斯科學(xué)院無線電工程與電子學(xué)研究所教授、俄羅斯工程院院士、俄羅斯《微波、毫米波與光波的電動力學(xué)與技術(shù)》主編，1997年被美國傳記協(xié)會授予“全球科學(xué)技術(shù)500位領(lǐng)袖人物”稱號，主要研究方向為微波電路三維集成，已出版27部著作，發(fā)表250篇學(xué)術(shù)論文；

Nefyodov E I was born in Taganrog，Ukrain，in 1932.He is now a professor from Radio Engineering and Electronics Research Institute of Russian Academy of Ccience and an academician in Russian Academy of Engineering and also the chief editor of Electrodynamics and Technology of Micro and Millimeter and Optical Waves. He was awarded the title of 500 leaders of global science and technology by American Biographical Institute in 1997.He concentrates on the 3-dimensional integration of microwave circuits and has 27 books and 250 research papers in print.

郭宏（1987—），男，湖北天門人，碩士研究生，主要研究方向為無線通信理論與技術(shù)。

GOU Hong was born in Tianmen，Hubei Province，in 1987. He is now a graduate student.His researchconcerns the theory and technology of wireless communication.

Asymmetry Slot Line and its Applications in 3DMICs

JI Wu-sheng1，2，ZHANG Yu2，Nefyodov E I3，GUO Hong2
（1.Institute of Electronic Information Science and Technology，Lanzhou City University，Lanzhou 730070，China；2.School of Computer and Communication，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；3.Fryazino Department of Institute of Radio-engineering and Electronics，Russian Academy of Sciences，F(xiàn)ryazino 141190，Russia）

This paper introduces the characteristic of asymmetric slot line，and analyses its applications in microwave three-dimensional integrated circuits（3DMICs），including transitions with the other transmission lines，composite rings，branch line directional couplers，the average power annular dividers，the multi-layer filter，and the multi-channel distributor.They have low voltage standing wave ratio（VSWR），wide frequency bandwidth，light weight and small size，and most can be used in millimeter wave band.Researches demonstrate the excellent characteristics of asymmetric slot line.

3DMIC；asymmetry slot line；directional coupler；power divider；milti-layer filter；voltage standing wave ratio；power dividing

Project Supported by the Scientific Research Foundation of the State Human Resource Ministry and the Education Ministry for Returned Chinese Scholars

TN454

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.08.037

姬五勝（1968—），男，甘肅秦安人，2004年于上海大學(xué)獲博士學(xué)位，2010年于西安電子科技大學(xué)博士后出站，現(xiàn)為教授、中國電子學(xué)會高級會員，主要研究方向為微波電路三維集成、無線電技術(shù)與信息系統(tǒng)、計算電磁學(xué)等；

1001-893X（2012）08-1411-06

2012-02-27；

2012-06-12

2010年人力資源與社會保障部國家留學(xué)人員科技活動擇優(yōu)項目資助