一種基于LTCC技術(shù)毫米波垂直互連過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈文強(qiáng)，陳建榮

（西安空間無線電技術(shù)研究所 陜西 西安 710100）

一種基于LTCC技術(shù)毫米波垂直互連過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈文強(qiáng)，陳建榮

（西安空間無線電技術(shù)研究所 陜西 西安 710100）

為了實(shí)現(xiàn)微波毫米波多芯片組件的多層立體高集成度設(shè)計(jì)，提出Ka波段LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)微帶到帶狀線穿透兩層接地導(dǎo)體的正反向過渡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用類同軸和“水滴”匹配的方法，結(jié)合高頻電磁軟件仿真及測試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該14層LTCC結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)良好傳輸?shù)淖罡哳l率可達(dá)36 GHz，可實(shí)現(xiàn)Ka波段毫米波微帶到內(nèi)層帶狀線的靈活過渡。

毫米波；LTCC；類同軸；“水滴”匹配；多層接地面

用LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波器件具有結(jié)構(gòu)緊湊，損耗小，體積容量大等特點(diǎn)。該技術(shù)將多層陶瓷介質(zhì)薄片和印刷技術(shù)結(jié)合，還具有低的燒結(jié)溫度。LTCC多層技術(shù)可將傳輸線和微波電路在不同層排布，從而實(shí)現(xiàn)了各種微波、毫米波傳輸線和直流信號(hào)線等的混合多層設(shè)計(jì)，大大提高了微波毫米波組件的空間密度。LTCC技術(shù)成為微波多芯片組件（microwave multichip module,MMCM）設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。LTCC技術(shù)在毫米波波段的應(yīng)用存在的問題一方面是因?yàn)樵诤撩撞l段上電路結(jié)構(gòu)對(duì)加工工藝的要求更高，受限于工藝水平；另一方面是由于微波信號(hào)在LTCC這種多層的不連續(xù)傳輸結(jié)構(gòu)中帶來了更多的寄生效應(yīng)，甚至激勵(lì)起了電磁場的寄生模式，對(duì)其傳輸特性的研究變得異常復(fù)雜，所以在更高信號(hào)頻率上提出適當(dāng)?shù)倪^渡模型將是設(shè)計(jì)者面臨的一項(xiàng)新的亟待解決的任務(wù)。層間互連特性直接影響到整個(gè)組件的電磁性能。

國內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)共面波導(dǎo)到帶狀線[1]、微帶線到帶狀線[2-4]穿透一層接地面的過渡做了深入的研究，文獻(xiàn)[2]利用增加過渡處接地面孔洞上方的微帶線寬度和抑制寄生模的帶狀線屏蔽孔來改善過渡性能，最高頻率達(dá)35 GHz；文獻(xiàn)[3]中通過在帶狀線下面增加“小地”實(shí)現(xiàn)過渡；文獻(xiàn)[4]中采用“水滴”匹配，回波損耗得到改善，但因中心通孔直徑過大引起過渡結(jié)構(gòu)體積較大。LTCC多層結(jié)構(gòu)電路經(jīng)常會(huì)被微帶到帶狀線過渡需要穿透多層接地面的問題所困擾。本文嘗試對(duì)Ka波段LTCC微帶到帶狀線穿透兩層接地導(dǎo)體過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，給出微帶到上下偏置帶狀線正反走向過渡研究結(jié)果，為Ka波段MMCM的設(shè)計(jì)提供參考。

1 過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)考慮

介質(zhì)選用Ferro-A6S/M生磁帶，相對(duì)介電常數(shù)為5.9，損耗角正切0.002，每層生磁帶燒結(jié)后的厚度為0.096 mm。圖1為微帶到上偏置帶狀線穿透兩層接地面的過渡結(jié)構(gòu)模型，過渡結(jié)構(gòu)采用類同軸線的方法[2-5]，在中心通孔周圍有一圈屏蔽金屬銀柱。其中微帶線介質(zhì)三層生磁帶，其次中間兩層接地面之間為三層生磁帶介質(zhì)，帶狀線上下地之間八層生磁帶，上偏置帶狀線距上面地三層，距下面地五層。如圖2為該結(jié)構(gòu)的左視圖，說明了其層間關(guān)系，基板共厚14層，下偏置帶狀線距下面接地面三層，距上面接地面五層。上下偏置帶狀線在內(nèi)層采用寬邊耦合實(shí)現(xiàn)寬帶耦合器，該過渡結(jié)構(gòu)用于某Ka波段LTCC混頻器表層微帶線到內(nèi)層耦合器的過渡連接。

圖1 微帶到上偏置帶狀線過渡Fig.1 Microstrip to up offset stipline transition

圖2 過渡結(jié)構(gòu)左視圖Fig.2 Transition structure left view

圖1 中淡顏色占六層生磁帶介質(zhì)的長金屬銀柱用于約束微帶線傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)能量，使其在一圈屏蔽孔內(nèi)良好傳輸過渡，淡顏色占微帶介質(zhì)的4個(gè)短金屬銀柱引導(dǎo)微波能量向類同軸過渡結(jié)構(gòu)過渡，深顏色長銀柱在微帶地與底層接地之間，占11層生磁帶，防止微波信號(hào)向帶狀線方向能量傳輸損失，深顏色4個(gè)短銀柱帶狀線上下地之間，在帶狀線兩邊引導(dǎo)微波信號(hào)在帶狀線的良好傳輸。其俯視圖如圖3所示。

圖3 過渡結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.3 Transition structure vertical view figure

1.2 過渡結(jié)構(gòu)仿真

仿真表明，小的中心通孔半徑a可以獲得小的插損，還可減小過渡結(jié)構(gòu)的體積。首先選擇中心通孔半徑a=65 μm，為維持類同軸線特性阻抗為50 Ω，適當(dāng)調(diào)整外導(dǎo)體半徑b，接地面孔洞半徑c1，c2，發(fā)現(xiàn)b略小于相同內(nèi)導(dǎo)體半徑的同軸線外導(dǎo)體半徑，c1，c2比b約為5/8，“水滴”半徑c0比a約5.4/1可得到良好的傳輸性能，采用三維高頻電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）得到結(jié)果如圖4所示，回波損耗大于20 dB的最高頻率可達(dá)36 GHz，最大插損0.2 dB。

圖4 微帶到上偏置帶狀線過渡散射參數(shù)Fig.4 The scatter parametrtof microstrip to up offset stipline transition

采用LTCC多層技術(shù)，可將部分微波無源器件在LTCC內(nèi)層實(shí)現(xiàn)，表層為微帶線及適合表面貼裝的射頻微波元器件，這樣可以有效減小系統(tǒng)組件的體積，針對(duì)此類器件的互連問題，筆者設(shè)計(jì)了如圖5所示的反向折回過渡結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)層和橫向俯視尺寸與正向微帶到上帶狀線過渡結(jié)構(gòu)相同，即a，c0，c1，c2與微帶到上偏置帶線正向過渡相同。在無微帶帶狀線半圈，圖中淡顏色屏蔽金屬銀柱占整個(gè)14層生磁帶基板，使微波信號(hào)向帶狀線良好傳輸，另一方面組成類同軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與帶線阻抗匹配。在帶線一側(cè)半圈，在微帶接地與第二層接地之間設(shè)計(jì)屏蔽金屬銀柱用來防止過渡結(jié)構(gòu)中微波信號(hào)在兩接地面之間激勵(lì)起寄生模式，如圖5中深色銀柱。仿真分析結(jié)果散射參數(shù)如圖6所示，回波損耗大于20 dB的最大頻率亦可達(dá)36 GHz。

圖5 反向微帶到上偏置帶狀線過渡結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstrip to up offset stipula line back transition

微帶到下偏置帶狀線的過渡如圖7所示，為了得到良好的匹配，類同軸的外徑2b也較上偏置帶狀線減小，中心通孔半徑a，“水滴”半徑c0，接地面孔洞半徑c1，c2無變化。因?yàn)橹行耐组L度增加，細(xì)通孔主要表現(xiàn)出電感特性，寄生電感增大[6]，仿真分析如圖8，回波損耗大于20 dB的最高工作頻率降為30 GHz。

下偏置帶狀線反向折回過渡如圖9，其介質(zhì)層和橫向俯視尺寸與正向微帶到下帶狀線過渡結(jié)構(gòu)相同，即中心通孔半徑a，類同軸外徑2b，“水滴”半徑c0，接地面孔洞半徑c1，c2無變化。從仿真結(jié)果圖10得出，有良好的傳輸性能最高工作頻率大于30 GHz。

圖6 反向上偏置帶狀線過渡散射參數(shù)Fig.6 The scatter parameter of microstrip to up offset stip line back transition

圖7 微帶到下偏置帶狀線過渡結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstrip to down offset stipline transition

圖8 微帶到下偏置帶狀線過渡散射參數(shù)Fig.8 The scatter parameter of microstrip to down offset stip line transition

圖9 反向微帶到下偏置帶狀線過渡結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstrip to down offset stipula line back transition

圖10 反向下偏置過渡散射參數(shù)Fig.10 The scatter parameter of microstrip to down offset stip line back transition

2 分析與比較

為了和參考文獻(xiàn)報(bào)道的過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較和說明，將其主要參數(shù)列于表-1。從列表中看出，本設(shè)計(jì)在最高頻率和性能上與國內(nèi)外水平相當(dāng)，在層數(shù)和結(jié)構(gòu)上有所增加改變。

表1 過渡結(jié)構(gòu)比較Tab.1 Transition structure com parison

3 結(jié)論

該過渡結(jié)構(gòu)采用類同軸和“水滴”匹配的方法，電磁仿真設(shè)計(jì)表明可實(shí)現(xiàn)毫米波穿過兩層接地面正反向均良好傳輸，可在LTCC中實(shí)現(xiàn)內(nèi)層微波無源器件到表層微帶的靈活互連過渡。該過渡結(jié)構(gòu)已用于某Ka波段LTCC混頻器的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用表明該過渡結(jié)構(gòu)具有插損小、結(jié)構(gòu)簡單、過渡連接靈活的特點(diǎn)，達(dá)到了高集成度的設(shè)計(jì)要求。

[1]Simon W,Kulke R,Wien A.Design of passive component for K-band communication modules in LTCC enironment[C]//IMAPS International Microelectronics and Package Society Sumposium,1999:183-188.

[2]Rosine Valois,Dominique Baillargeat.High performances of shielded LTCC vertical transitions from DC up to 50 GHz[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(6):2026-2032.

[3]徐鑫.LTCC毫米波集成傳輸線的過渡及寄生模式的分析與建模[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[4]王正偉.基于LTCC技術(shù)的微波毫米波收發(fā)組件研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[5]張肇儀，周樂柱，吳德明等譯.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006:45-47.

[6]王子宇，王心悅，等譯.射頻電路設(shè)計(jì)-理論及應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

咨詢編號(hào)：2015101002

A millimeter microwave vertical interconnect transition structure design based on LTCC technology

JIA Wen-qiang,CHEN Jian-rong
（Xi’an Space Radio Technology Research Institute,Xi’an 710100，China）

In order to realize the multilayer,three-dimensional,and highly integrated designing of MMCM(Microwave Multichip Module),a Ka-band LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)microstrip to stripline front and back transition structure of penetrating through two layer grounding conductor is proposed.The structure uses the quasi-coaxial line and “water droplet shape”matching method,combining with the simulation of HFSS (High Frequency Structure Simulator)and measurement,the result indicate that the maximal frequency at which the 14 layers LTCC structure can transport electromagnetic wave well reach 36GHz.It can be flexibly used to Ka-band millimeter microwave microstip to stripline transition.

millimeter microwave;LTCC;quasi-coaxial line;“water droplet shape”matching；multi-layer grounding conductor

TN454

A

1674－6236（2015）10-0086-03

2014-06-10 稿件編號(hào)：201406068

賈文強(qiáng)(1989—)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生。研究方向：空間微波技術(shù)。