一種適用于超寬帶通信的微帶垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

申振寧 莊奕琪 曾志斌

①(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院 西安 710071)

②(武警工程大學(xué)通信工程系 西安 710086)

1 引言

與傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)相比超寬帶(Utra Wide-Band, UWB)通信具有低功耗、高速率和大容量等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了研究人員的廣泛關(guān)注[1]。隨著消費(fèi)類電子的發(fā)展，需要在移動(dòng)電話或掌上電腦上集成UWB電路以實(shí)現(xiàn)低功耗、高速率的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)[2]。在實(shí)際的高密度印刷電路板(Printed Circuit Boards, PCB)中，信號(hào)線不可避免地會(huì)使用過(guò)孔進(jìn)行信號(hào)層的轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連。然而隨著信號(hào)頻率進(jìn)入微波頻段，多層 PCB中的電源與地平面對(duì)(Power Groud pair, PG)相當(dāng)于一個(gè)諧振腔。當(dāng)信號(hào)頻率與諧振頻率一致時(shí)，就會(huì)在PG結(jié)構(gòu)中激勵(lì)起諧振場(chǎng)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)問(wèn)題和信號(hào)完整性(Signal Integrity, SI)問(wèn)題[3,4]。而典型尺寸的PCB結(jié)構(gòu)，會(huì)有多個(gè)諧振頻率包含于3.1-10.6 GHz的UWB工作頻段。因此，為了確保UWB信號(hào)發(fā)送和接收質(zhì)量，應(yīng)使得信號(hào)線垂直互連結(jié)構(gòu)的插入損耗盡可能小。文獻(xiàn)[5-7]使用空腔耦合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB電路低損耗的垂直互連，但這些方法較難應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的多層PCB設(shè)計(jì)中。在傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)中可通過(guò)在過(guò)孔附近添加去耦電容來(lái)提供額外的信號(hào)返回路徑，從而改善信號(hào)傳輸質(zhì)量[3]。但由于引線電感、過(guò)孔電感以及電容本身的寄生電感的存在，使得去耦電容很難用于2 GHz以上的頻段。文獻(xiàn)[8-10]中，在PG結(jié)構(gòu)之間添加短路過(guò)孔來(lái)抑制PG結(jié)構(gòu)的諧振并提供額外的信號(hào)返回路徑，但該方法需添加額外的電源平面，進(jìn)而增加了設(shè)備成本。

近年來(lái)，一些學(xué)者將電磁帶隙(Electromagnetic Band-Gap, EBG)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于PCB或封裝的PG結(jié)構(gòu)中，利用其高阻抗特性來(lái)抑制PG結(jié)構(gòu)中的地彈噪聲，從而提高電路或封裝的電磁兼容性[11]。相關(guān)研究主要集中于如何增大抑制帶寬[12?15]、減小單元尺寸[16]、及EBG結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)完整性的負(fù)面影響[17,18]等方面。文獻(xiàn)[19]指出，垂直互連中過(guò)孔的不連續(xù)性可使用PG結(jié)構(gòu)在過(guò)孔處的自阻抗來(lái)描述，由于PG結(jié)構(gòu)在諧振頻率處的自阻抗很大，因此使用過(guò)孔的垂直互連在諧振頻率附近插入損耗較大。而EBG結(jié)構(gòu)在其帶隙范圍內(nèi)可有效抑制PG結(jié)構(gòu)諧振，并提供一低阻抗電源分配網(wǎng)絡(luò)。因此，可通過(guò)合理設(shè)計(jì)EBG結(jié)構(gòu)和尺寸，使其帶隙范圍覆蓋超寬帶通信所用的3.1-10.6 GHz頻帶，然后在過(guò)孔附近的電源平面放置EBG結(jié)構(gòu)，則可有效降低3.1-10.6 GHz范圍內(nèi)PG結(jié)構(gòu)在過(guò)孔處的自阻抗，從而改善微帶垂直互連的傳輸特性。與傳統(tǒng)的在PG結(jié)構(gòu)之間添加短路過(guò)孔的方案相比，本方法可在確保傳輸質(zhì)量的前提下，減少了布線層數(shù)，降低了設(shè)備制作成本。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 具體結(jié)構(gòu)

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

用于多層PCB中的EBG單元主要有蘑菇型[17]和共面緊湊型兩種結(jié)構(gòu)[12?16]。蘑菇型結(jié)構(gòu)在制作過(guò)程中需要埋盲孔和額外的布線層，增加了設(shè)計(jì)成本，因此本文中使用制作較為簡(jiǎn)單的共面緊湊型 EBG結(jié)構(gòu)。圖1(a)為可適用于UWB電路的垂直互連結(jié)構(gòu)圖，對(duì)應(yīng)的PCB疊層情況如圖1(b)所示。頂層和底層為信號(hào)走線層，中間兩層分別為地線層和電源層，各層之間使用相對(duì)介電常數(shù)er=4.4的 FR4介質(zhì)材料進(jìn)行隔離。除了給整個(gè)系統(tǒng)供電外，電源層和地線層還作為電路中高速信號(hào)的返回路徑。圖中a=40 mm,b=80 mm分別為PG結(jié)構(gòu)的寬度和長(zhǎng)度，d=0.4 mm為電源層與地層的垂直距離，W=0.4 mm為信號(hào)線的寬度，t=0.035 mm為導(dǎo)體材料的厚度，h1=h2=0.2 mm分別為頂層和底層信號(hào)線到PG結(jié)構(gòu)的高度，端口1和端口2分別為UWB信號(hào)的發(fā)送和接收端口。垂直互連結(jié)構(gòu)中使用的過(guò)孔結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，對(duì)應(yīng)參數(shù)包括：過(guò)孔金屬柱半徑rv=0.15 mm，過(guò)孔焊盤(pán)半徑rp=0.25 mm，過(guò)孔與PG結(jié)構(gòu)之間的反焊盤(pán)半徑ra=0.35 mm，過(guò)孔垂直高度hv=0.87 mm。

與傳統(tǒng)的連續(xù)電源平面不同，本設(shè)計(jì)在過(guò)孔附近的電源平面放置了一個(gè) EBG單元，具體如圖 2所示。為了保證微帶線通過(guò)EBG單元時(shí)的信號(hào)傳輸特性，使用圖2(b)所示的 EBG結(jié)構(gòu)，這樣微帶線可從EBG單元與電源平面之間的連接線下方通過(guò)，以維持阻抗和電流返回路徑的連續(xù)性。由于電源平面還要作為其他高速信號(hào)的返回路徑，因此本設(shè)計(jì)中使用了部分放置 EBG單元方法，而未使用文獻(xiàn)[12-16]中在整個(gè)電源平面上放置 EBG 單元策略。具體參數(shù)包括：走線起點(diǎn)坐標(biāo)(x1,y1)=(20,10)，過(guò)孔位置坐標(biāo)(x2,y2)=(20,40)，走線終點(diǎn)坐標(biāo)(20,70)，實(shí)線表示頂層信號(hào)走線，虛線表示底層信號(hào)走線；EBG單元大小bG=12 mm，不含空隙單元大小aG=11.4 mm, EBG單元與電源平面之間的空隙寬度g=0.3 mm，連接線長(zhǎng)度L2=3 mm，連接線寬度W1=0.6 mm，連接線與EBG單元之間的距離W2=0.6 mm。

2.2 帶隙的估計(jì)

圖3為PG結(jié)構(gòu)中EBG部分的集總等效電路，CP和LP分別為EBG單元中貼片部分的電容和電感，Lb為 EBG 單元和電源平面之間的連線電感，Cg為EBG單元與電源平面之間的耦合電容。其中LP=。根據(jù)2.1節(jié)中EBG結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用式(1)和式(2)可估算出阻帶的上限頻率為14.1 GHz，下限頻率為2.2 GHz，包含了3.1-10.6 GHz的UWB頻段[20]。

圖2 電源平面示意圖和EBG單元結(jié)構(gòu)圖

圖3 EBG部分等效電路模型

為了比較EBG結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)連續(xù)PG結(jié)構(gòu)的噪聲抑制性能，使用全波有限元仿真工具Ansoft?HFSS對(duì)圖2中蝕刻有EBG單元的PG結(jié)構(gòu)和連續(xù)電源平面的PG結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真對(duì)比，其中端口1坐標(biāo)為(20,40)，端口2坐標(biāo)為(20,50)，兩端口之間的散射參數(shù)S21如圖4所示。使用HFSS仿真得到的阻帶上限頻率為9.95 GHz，下限頻率為2.52 GHz。在阻帶范圍內(nèi)蝕刻有EBG單元的PG結(jié)構(gòu)抑制了電源與地平面之間的諧振，從而可改善微帶垂直互連的傳輸特性。與使用式(1)，式(2)計(jì)算得到的結(jié)果相比，下限頻率比較接近，而上限頻率誤差較大。主要原因在于當(dāng)頻率高于10 GHz時(shí)，EBG單元大小已接近電磁波的波長(zhǎng)，因此不能再使用圖3所示的集總器件進(jìn)行等效，此時(shí)可使用傳輸線矩陣法或諧振模型來(lái)估計(jì)上限頻率。

2.3 網(wǎng)絡(luò)分析方法

圖4 兩種PG結(jié)構(gòu)HFSS仿真結(jié)果

圖1中的信號(hào)傳輸路徑可等效為如圖5所示的4部分級(jí)聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在此使用傳輸矩陣進(jìn)行計(jì)算。ATL1,ATL2分別代表頂層微帶線和底層微帶線的傳輸矩陣。使用ZS模擬實(shí)際導(dǎo)體所引起的損耗，相應(yīng)的傳輸矩陣用AZS表示。APG代表過(guò)孔所對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣，其中La1和La2表示返回路徑上反焊盤(pán)的存在所導(dǎo)致的額外電感，C1和C2表示過(guò)孔與PG結(jié)構(gòu)之間的耦合電容，使用PG結(jié)構(gòu)在過(guò)孔處的自阻抗Zpp來(lái)描述過(guò)孔與PG結(jié)構(gòu)之間的相互作用。則整個(gè)系統(tǒng)的傳輸矩陣可由式(3)得出

圖5 等效網(wǎng)絡(luò)模型

b1和b2分別為頂層微帶線和底層微帶線所對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度，Z0為微帶線的特征阻抗，APG和ZS分別由式(4)和式(5)確定：

3 仿真與結(jié)果測(cè)量

為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)分析方法和設(shè)計(jì)的有效性，制作了如圖6(a)所示的電路板以測(cè)試分析。圖6(a)中電路板上包括了兩種結(jié)構(gòu)，上方為傳統(tǒng)的連續(xù)PG結(jié)構(gòu)，下方為本文設(shè)計(jì)的在電源平面上過(guò)孔附近蝕刻EBG單元的PG結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)與圖1和圖2所示的電路板結(jié)構(gòu)和EBG單元尺寸保持一致，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試端口1和端口2之間的插入損耗。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為安捷倫 E5071C，測(cè)試帶寬為 8 kHz-8.5 GHz，測(cè)試前使用電子校準(zhǔn)件 Agilent 85093-60010進(jìn)行全頻段的校準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果如圖6(b)所示，為了驗(yàn)證上節(jié)所使用的網(wǎng)絡(luò)分析方法的有效性，圖中也給出了兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果。從圖6(b)可以得出，使用電源平面蝕刻有EBG單元的微帶垂直互連結(jié)構(gòu)在 3.1-10.6 GHz內(nèi)可很好地抑制PG結(jié)構(gòu)的諧振，與傳統(tǒng)的PG結(jié)構(gòu)相比，傳輸特性有很大的改善。與文獻(xiàn)[10]中所使用的添加短路過(guò)孔方法相比，本文方法可在3.1-10.6 GHz范圍內(nèi)保持相同的傳輸特性的前提下減少了1個(gè)布線層，從而降低了設(shè)備成本。網(wǎng)絡(luò)分析方法結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合得相當(dāng)好，實(shí)際中可先設(shè)計(jì)PG結(jié)構(gòu)，然后使用網(wǎng)絡(luò)分析方法來(lái)驗(yàn)證垂直互連是否滿足要求。

為了單獨(dú)描述垂直互連結(jié)構(gòu)的插入損耗，使用文獻(xiàn)[21]中的去嵌入(de-embedding)方法可得到過(guò)孔的插入損耗，具體結(jié)果如圖7所示，圖中也給出了兩種電源結(jié)構(gòu)在過(guò)孔處的自阻抗以說(shuō)明插入損耗與PG結(jié)構(gòu)在過(guò)孔處自阻抗之間的關(guān)系。由于蝕刻有EBG單元的PG結(jié)構(gòu)在3.1-10.6 GHz之間自阻抗較小，并能很好抑制PG結(jié)構(gòu)諧振，因此當(dāng)信號(hào)從頂層經(jīng)由過(guò)孔轉(zhuǎn)換至底層時(shí)，PG結(jié)構(gòu)能夠提供較小阻抗的電流返回路徑，從而提高了垂直互連結(jié)構(gòu)的傳輸特性，減小了插入損耗。圖7中蝕刻有EBG單元的互連結(jié)構(gòu)中由過(guò)孔所引起的插入損耗在整個(gè)UWB頻段內(nèi)小于0.4 dB，另外也抑制了PG結(jié)構(gòu)的諧振，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性。傳統(tǒng)垂直互連結(jié)構(gòu)在PG結(jié)構(gòu)諧振頻率處的插入損耗可高達(dá)2 dB，當(dāng)電路使用的UWB脈沖處于PG結(jié)構(gòu)的諧振頻率附近時(shí)，會(huì)造成脈沖幅度和相位惡化，進(jìn)而降低系統(tǒng)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于超寬帶信號(hào)的功率譜密度很低，信號(hào)很容易受到其他噪聲源的干擾。過(guò)孔作為一種最為常見(jiàn)的垂直互連結(jié)構(gòu)，會(huì)引入PG結(jié)構(gòu)中的噪聲，造成信號(hào)傳輸性能下降[22]。本文通過(guò)在過(guò)孔附近的電源平面蝕刻一定大小的 EBG單元來(lái)抑制 PG結(jié)構(gòu)諧振，并使PG結(jié)構(gòu)在過(guò)孔處具有較低的自阻抗，從而提高垂直互連的傳輸特性，減小外界噪聲對(duì)UWB信號(hào)的干擾。針對(duì)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一種可快速估算插入損耗的網(wǎng)絡(luò)分析方法。仿真和實(shí)物測(cè)試表明，本文所提出的垂直互連結(jié)構(gòu)在整個(gè)UWB頻段內(nèi)插入損耗小于0.4 dB。與其他垂直互連結(jié)構(gòu)相比，本方法具有適合PCB布線，成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也適用于微帶線與帶狀線之間的垂直互連。

圖6 PCB實(shí)物與測(cè)試分析結(jié)果

圖7 過(guò)孔插入損耗

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