基于低溫共燒陶瓷的毫米波-太赫茲基片集成波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)

滕魯 喻忠軍 朱大立

1) (中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院微波微系統(tǒng)研發(fā)部,北京 100094)

2) (中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所第四研究室,北京 100093)

3) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引言

隨著毫米波、太赫茲技術(shù)的發(fā)展,通信技術(shù)的應(yīng)用頻率正在向更高頻段拓展.傳統(tǒng)的微帶傳輸線在毫米波、太赫茲頻段的損耗顯著增大,寄生效應(yīng)也更加明顯,因此微帶線在毫米波、太赫茲頻段的應(yīng)用受到了很大限制[1-3].目前毫米波、太赫茲通信系統(tǒng)和測(cè)試儀器接口,以及系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊、單元間的連接主要使用損耗更小的波導(dǎo),然而傳統(tǒng)的金屬矩形波導(dǎo)(rectangular waveguide,RWG)的尺寸過大、不易于集成,在平面電路中難以應(yīng)用.基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide,SIW)是一種制作在介質(zhì)基片中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),具有便于集成、損耗低、功率容量高等優(yōu)勢(shì),在毫米波、太赫茲頻段得到了較為廣泛的應(yīng)用[4-6].因此,SIW 與標(biāo)準(zhǔn)RWG 之間的過渡互聯(lián)結(jié)構(gòu)是毫米波、太赫茲通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),尤其在高集成度的平面天線陣列方面,具有重要意義.

近幾年國(guó)內(nèi)外的研究成果主要集中在W 波段及頻率更低的Ka 波段或V 波段,所設(shè)計(jì)的過渡結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜,對(duì)工藝要求較高,且頻帶較窄,應(yīng)用場(chǎng)景有限[7-15].Zhang 等[11]采用貼片加耦合槽的結(jié)構(gòu),使用印刷電路板(printed circuit board,PCB)工藝制作了一種SIW 到RWG 的過渡結(jié)構(gòu),在85.7—104.5 GHz 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了—10 dB 以內(nèi)的回波損耗;Cao 等[13]使用階梯結(jié)構(gòu),使用低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramics,LTCC)工藝制作了一種RWG 到微帶線的過渡結(jié)構(gòu),在86—97 GHz 的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了—15 dB 以內(nèi)的回波損耗.這兩個(gè)研究成果是比較具有代表性的W 波段過渡結(jié)構(gòu),且性能較好,其他成果頻帶較低或大量使用金屬化工藝,參考價(jià)值有限.

本文基于LTCC 技術(shù),對(duì)SIW 到RWG 的過渡結(jié)構(gòu)開展了研究設(shè)計(jì),得到了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)和加工、可靠性高且裝配簡(jiǎn)便的SIW-RWG的過渡結(jié)構(gòu),可分別在W 波段和D 波段實(shí)現(xiàn)SIW-金屬波導(dǎo)的低損耗寬頻帶互聯(lián).在此基礎(chǔ)之上,針對(duì)后續(xù)LTCC 陣列天線設(shè)計(jì)的需求,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種一分二的過渡結(jié)構(gòu),可用于SIW 組成的饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端,并通過引入空腔結(jié)構(gòu)與原有的階梯結(jié)構(gòu)相結(jié)合,來進(jìn)一步延展帶寬.該一分二過渡結(jié)構(gòu)也能在W 波段和D 波段得到良好的傳輸特性,證明本文所提出的模型具有一定的頻帶普適性,通過調(diào)整模型參數(shù)可在毫米波和太赫茲頻帶內(nèi)具有良好的適用性.為了驗(yàn)證本文所提出的兩種過渡結(jié)構(gòu)模型,選取了頻段較高的D 波段進(jìn)行了實(shí)際的加工制板測(cè)試,得到了與仿真結(jié)果較為吻合的測(cè)試結(jié)果,證明了兩種過渡結(jié)構(gòu)的實(shí)用性.

2 SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 理論模型

SIW 是用周期排布的金屬通孔在介質(zhì)基片中實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的場(chǎng)傳播模式,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示.介質(zhì)基板的上下表面為金屬層,結(jié)合介質(zhì)基板中的兩排金屬通孔,構(gòu)造出一種類似于RWG 的結(jié)構(gòu)[4-6].在滿足一定前提條件的情況下,可以認(rèn)為SIW 與標(biāo)準(zhǔn)RWG 的主要區(qū)別在于傳輸介質(zhì)不同.SIW 的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:通孔直徑d;相鄰?fù)椎拈g距s;SIW 的寬度w;介質(zhì)基片的厚度h和介質(zhì)介電常數(shù)εr,這些參數(shù)可以決定SIW 的傳輸特性.

圖1 SIW 的典型結(jié)構(gòu)Fig.1.Typical structure of SIW.

出于為平面天線陣列饋電的需求,本文所要設(shè)計(jì)的是垂直方向傳輸?shù)腞WG 到水平方向傳輸?shù)腟IW 的過渡結(jié)構(gòu),屬于垂直過渡.具體的連接方式為:RWG 的一端與SIW 的底面相連接,在連接處SIW 底面金屬層開窗,使RWG 中傳輸?shù)碾姶挪軌蜻M(jìn)入到SIW 中,如圖2 所示.

圖2 SIW-RWG 的垂直過渡結(jié)構(gòu) (a)結(jié)構(gòu)模型;(b)電場(chǎng)傳輸示意圖Fig.2.Schematic diagram of vertical transition structure of SIW-RWG:(a) Structural model;(b) schematic diagram of electric field transmission.

2.2 階梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由其他研究成果不難看出,SIW 與RWG 接觸面上所開的窗口尺寸和形狀會(huì)影響該類型過渡結(jié)構(gòu)的傳輸特性[7-11],而為了減小傳播方向的突變帶來的影響,同時(shí)構(gòu)成漸變過渡,可以在SIW 內(nèi)部構(gòu)造階梯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更好的傳輸性能[12-14].

接下來從實(shí)際制作工藝的角度考慮帶有階梯結(jié)構(gòu)的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).SIW 的傳輸模式與RWG 近似,因此傳輸截面的厚度和寬度對(duì)SIW 傳輸特性的影響也與RWG 的截面尺寸對(duì)其傳輸特性的影響相似.本設(shè)計(jì)所采用的LTCC工藝的每層生瓷帶厚度固定,因此,SIW 結(jié)構(gòu)的整體厚度只能取單層生瓷帶厚度的整數(shù)倍.考慮到電磁波由RWG 內(nèi)的垂直傳播過渡為L(zhǎng)TCC 基板內(nèi)的水平傳播,可將SIW-RWG 的連接處等效為垂直方向傳播的RWG-介質(zhì)填充波導(dǎo)-水平方向傳播的SIW 的過渡,因此在中間的等效介質(zhì)填充波導(dǎo)部分,應(yīng)使介質(zhì)填充波導(dǎo)的垂直厚度盡可能接近1/4λg(導(dǎo)波長(zhǎng)),以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸效率[15].經(jīng)過計(jì)算并結(jié)合建模仿真結(jié)果,選用燒結(jié)后厚度為0.094 mm 的Ferro A6 m 生瓷帶時(shí),W 波段的SIW過渡結(jié)構(gòu)使用5 層較為合適,D 波段的SIW 過渡結(jié)構(gòu)使用3 層較為合適.

確定了本設(shè)計(jì)中采用的SIW 的厚度h之后,還需要確定其寬度w.考慮到金屬通孔的直徑d和通孔間距s是由制作工藝決定的,因此,在h一定的情況下,需要從SIW 的傳輸特性和傳輸模式的角度來確定寬度w.之前學(xué)者們對(duì)于SIW 與RWG的傳輸模式、傳輸特性、等效條件等做了較為豐富的研究,由文獻(xiàn)[6]中的公式可知,SIW 可以等效為RWG 的前提條件是

滿足(1)式的情況下,可以認(rèn)為SIW 的損耗較小,其傳輸特性與RWG 類似.

為保證等效RWG 的傳輸模式為單模傳輸,即只采用主模TE10模工作,頻率f需要滿足

其中c為光速,we為等效寬度,μr為相對(duì)磁導(dǎo)率.另一方面,為保證只有主模TE10模傳輸,還需要抑制最靠近TE10模的高次模,即TE20模與TE01模.而SIW 中只能傳輸TEn0模,所以需要抑制的只有TE20模,為此要滿足

結(jié)合(2)式和(3)式,可以得到單模傳輸?shù)臈l件

其中we可由SIW 與等效RWG 之間的等效寬度公式得到:

由LTCC 的制作工藝規(guī)范可知,金屬通孔的直徑d只能取特定的數(shù)值,而通孔間距s與通孔直徑d相關(guān),出于工藝可靠性的考慮,要求s≥2d.經(jīng)過對(duì)SIW 通孔排布方式的仿真發(fā)現(xiàn),通孔排布越密集,SIW 的側(cè)壁越接近于理想電平面,SIW 的傳輸損耗越小.因此,在過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,金屬通孔直徑d和通孔間距s都應(yīng)取最小值,在本設(shè)計(jì)采用的LTCC 工藝中d的最小值為0.085 mm(燒結(jié)后),相應(yīng)地,s也取最小值0.17 mm.結(jié)合(1),(4),(5)式,通過計(jì)算得出SIW 的寬度w的取值范圍,經(jīng)過仿真驗(yàn)證,w在該范圍內(nèi)可以保證SIW 的傳輸特性良好,且傳輸模式為單模傳輸.

SIW 可以等效為介質(zhì)填充波導(dǎo),而介質(zhì)填充波導(dǎo)由于填充介質(zhì)的存在,其尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)RWG的尺寸,由此決定了階梯漸變方向?yàn)檠剡h(yuǎn)離RWG口的方向階梯長(zhǎng)度遞減.前面已經(jīng)確定了W 波段和D 波段應(yīng)使用的LTCC 介質(zhì)層數(shù),階梯最高階數(shù)應(yīng)小于所用層數(shù).其余設(shè)計(jì)變量,如每級(jí)階梯寬度、長(zhǎng)度,還有SIW 與RWG 接觸面上所開的窗口尺寸等參數(shù),還需要通過仿真優(yōu)化來確定合適的取值.

經(jīng)過一系列的仿真優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整,最終得到的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)如圖3 所示(以D 波段的模型為例).該結(jié)構(gòu)包含了三層LTCC 介質(zhì)層,過渡端的上下層通孔之間存在遞進(jìn)排布以構(gòu)成階梯漸變結(jié)構(gòu),同時(shí)每層之間的印刷金屬層為金屬地,負(fù)責(zé)連通上下層的金屬通孔.兩級(jí)階梯長(zhǎng)度分別為0.06 mm 和0.32 mm,仿真模型的兩個(gè)端口分別設(shè)置在RWG 波導(dǎo)口和LTCC 基板的側(cè)面.

圖3 D 波段SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu) (a)仿真模型;(b)展開視圖Fig.3.D-band SIW-RWG transition structure:(a) Simulation model;(b) expanded view.

D 波段SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)模型的仿真結(jié)果如圖4 所示,該結(jié)果是一個(gè)初步的定性描述,通過改變階梯結(jié)構(gòu)的參數(shù)和SIW 表面金屬層的開窗參數(shù),可以得到與該結(jié)果較為相近的結(jié)果:從回波損耗S11的角度,以—15 dB 為基準(zhǔn),可得到20 GHz以上的帶寬;從插入損耗S21的角度,帶內(nèi)損耗約為0.5—0.7 dB.在2.4 節(jié)中會(huì)根據(jù)裝配和測(cè)試的需求將該模型向著更貼合實(shí)際的方向進(jìn)行修改,并得到更具有參考意義的仿真結(jié)果.

圖4 D 波段SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果 (a) 回波損耗S11;(b) 插入損耗S21Fig.4.Simulation results of D-band SIW-RWG transition structure:(a) Return loss S11;(b) insertion loss S21..

W 波段的過渡結(jié)構(gòu)與D 波段相似,其模型和仿真結(jié)果如圖5 所示.該結(jié)構(gòu)包含5 層LTCC 介質(zhì),四級(jí)階梯結(jié)構(gòu),階梯長(zhǎng)度分別為0,0.09,0.30,0.30 mm,可在87.8—98.7 GHz 的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)—20 dB 以下的回波損耗,在W 波段陣列天線中有較好的實(shí)用性,在后續(xù)的天線陣列中將使用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電,因此沒有為其制作專用的測(cè)試基板.

圖5 W 波段SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu) (a) 結(jié)構(gòu)模型;(b) 回波損耗S11 仿真結(jié)果Fig.5.W-band SIW-RWG transition structure:(a) Structural model;(b) simulation results of return loss S11.

2.3 一分二過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)RWG 到SIW 過渡結(jié)構(gòu)的目的是用于饋電網(wǎng)絡(luò)的前端部分,將電磁波由RWG 傳輸?shù)絊IW 中,再在SIW 內(nèi)制作一分二、二分四、四分八等逐級(jí)功率分配的饋網(wǎng)結(jié)構(gòu),用于平面天線陣列的饋電[16-18].因此,在2.2 節(jié)的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一分二過渡結(jié)構(gòu),將饋電網(wǎng)絡(luò)功率分配的第一級(jí)與過渡結(jié)構(gòu)相結(jié)合.這種一分二過渡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可以縮短傳輸路徑,減小傳輸損耗.同時(shí),由于過渡結(jié)構(gòu)位于SIW 的初始段,便于添加一些特殊結(jié)構(gòu)以獲得更好的功率分配傳輸性能.

由2.2 節(jié)中的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)直接做圖形對(duì)稱得到的一分二過渡結(jié)構(gòu)的性能并不好,其主要問題在于這種T 型結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致回波較強(qiáng),因而使中心頻點(diǎn)外的可用帶寬過窄.參考微波電路中的T 型結(jié)構(gòu)功率分配器,可以在三個(gè)端口的連接點(diǎn)處增加特殊結(jié)構(gòu)來改善傳輸性能.在對(duì)SIW 的特性進(jìn)行調(diào)研的過程中,從空心基片集成波導(dǎo)(empty substrate integrated waveguide,ESIW)與SIW 的特性對(duì)比中得到啟發(fā)[19-21],結(jié)合LTCC工藝所支持的特殊結(jié)構(gòu),決定在與過渡端相連的SIW 處做挖腔處理來改善一分二過渡結(jié)構(gòu)的傳輸性能[22,23].

ESIW 的典型結(jié)構(gòu)如圖6 所示[24],是通過保留SIW 金屬化通孔附近的介質(zhì),將其余部分的介質(zhì)移除而得到的,其本質(zhì)是以空氣為傳輸介質(zhì)的SIW.在對(duì)ESIW 的特性進(jìn)行研究時(shí),引入了等效介電常數(shù)的概念,即根據(jù)空氣介質(zhì)占整體介質(zhì)的比例(w1/w)和基片介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)得出對(duì)于整體ESIW 結(jié)構(gòu)而言的等效介電常數(shù).由(1)式可知,引入空氣介質(zhì)之后,介質(zhì)集成波導(dǎo)的截止頻率會(huì)升高,且根據(jù)等效介電常數(shù)的概念,可以通過改變空氣介質(zhì)的寬度w1來改變介質(zhì)集成波導(dǎo)的截止頻率,因而可以通過挖腔引入空氣介質(zhì)的方式來改進(jìn)一分二過渡結(jié)構(gòu)的帶寬.

圖6 ESIW 的典型結(jié)構(gòu)[24] (a) 俯視圖;(b) 結(jié)構(gòu)圖Fig.6.Typical structure of ESIW[24]:(a) Top view;(b) structural view.

經(jīng)過挖腔改良過的一分二過渡結(jié)構(gòu)如圖7 所示(以D 波段的模型為例),該結(jié)構(gòu)使用了4 層LTCC 介質(zhì)層,并在與RWG 過渡位置制作了深度為3 層的空腔.空腔的長(zhǎng)度與LTCC 基板表面金屬層開窗的寬度一致,空腔寬度應(yīng)小于長(zhǎng)度的1/2 以實(shí)現(xiàn)良好的橫向傳輸性能,寬度的具體取值可以通過仿真優(yōu)化來確定.同時(shí)在未挖腔的介質(zhì)層上也制作了階梯結(jié)構(gòu)來改善傳輸性能,空腔寬度為0.3 mm,階梯長(zhǎng)度為0.3 mm,這種狹長(zhǎng)的挖腔方式能在一定程度上改善電磁波進(jìn)入LTCC 基板后傳播的方向性,加上引入空氣介質(zhì)帶來的諧振頻率變化,可以極大地提升一分二過渡結(jié)構(gòu)的傳輸性能.理想情況下,每層LTCC 基板的挖腔尺寸應(yīng)該是逐層漸變的,這樣能起到等效介電常數(shù)逐層漸變的效果,使得挖腔對(duì)于一分二過渡結(jié)構(gòu)的帶寬改良效果達(dá)到最優(yōu)[22,23].但是由于工藝實(shí)現(xiàn)難度的限制,在本設(shè)計(jì)中各層LTCC 基板的挖腔尺寸一致.

圖7 D 波段一分二過渡結(jié)構(gòu) (a)仿真模型;(b)展開視圖Fig.7.D-band one to two divider transition structure:(a) Simulation model;(b) expanded view.

D 波段一分二過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖8 所示,此仿真結(jié)果也是一個(gè)初步的定性描述,通過挖腔引入空氣介質(zhì),使得一分二過渡結(jié)構(gòu)的帶寬也可擴(kuò)展到25 GHz 以上.同時(shí),SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的插入損耗與2.1 節(jié)相比,也有一定程度的降低(一分二功率分配自帶3 dB 的衰減).至此,可以認(rèn)為這種將2.1 節(jié)中的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)和功率分配結(jié)構(gòu)融合在一起的一分二過渡結(jié)構(gòu)是可行的,其性能將在后續(xù)的實(shí)際測(cè)試中來驗(yàn)證.

圖8 D 波段一分二過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果 (a) 回波損耗S11;(b) 插入損耗S21Fig.8.Simulation results of D-band one to two divider transition structure:(a) Return loss S11;(b) insertion loss S21.

W 波段的一分二過渡結(jié)構(gòu)模型和仿真結(jié)果如圖9 所示,該結(jié)構(gòu)使用了5 層LTCC 介質(zhì),空腔深度也為3 層,剩余兩層做了對(duì)稱的階梯結(jié)構(gòu),空腔寬度為0.668 mm,第一級(jí)階梯長(zhǎng)度為0.0425 mm(這一級(jí)階梯通過一排金屬通孔來實(shí)現(xiàn)),第二級(jí)階梯長(zhǎng)度為0.1675 mm.可在84.3—98.4 GHz 的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)—20 dB 以下的回波損耗,也會(huì)在后續(xù)的天線陣列中應(yīng)用.

圖9 W 波段一分二過渡結(jié)構(gòu) (a) 仿真結(jié)構(gòu)模型;(b) 仿真結(jié)果回波損耗S11Fig.9.W-band one to two divider transition structure:(a) Structural model of simulation;(b) simulation results of return loss S11.

2.4 用于實(shí)測(cè)的過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在2.2 節(jié)和2.3 節(jié)中,分別設(shè)計(jì)了SIW-RWG過渡結(jié)構(gòu)和融入功率分配功能的一分二過渡結(jié)構(gòu),都得到了不錯(cuò)的仿真結(jié)果,但它們的實(shí)用性還需要進(jìn)行實(shí)際的制作、裝配和測(cè)試來進(jìn)行驗(yàn)證.為此,本節(jié)將在2.2 節(jié)和2.3 節(jié)的基礎(chǔ)上,從實(shí)際測(cè)試的需求出發(fā),對(duì)D 波段的模型進(jìn)行調(diào)整,做版圖設(shè)計(jì),并為后面的裝配測(cè)試準(zhǔn)備相關(guān)的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu).

對(duì)于2.2 節(jié)中基礎(chǔ)的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu),可通過構(gòu)成背靠背結(jié)構(gòu)來測(cè)試其實(shí)際的傳輸性能,但由于該結(jié)構(gòu)只使用了3 層LTCC 介質(zhì),而在LTCC工藝中,使用厚度為0.094 mm 的生瓷帶時(shí),出于基板整體機(jī)械強(qiáng)度的考慮,要求其堆疊層數(shù)不少于8 層.因此,為了避免在垂直方向上添加額外的傳輸結(jié)構(gòu)而引入額外的損耗和傳輸特性畸變,需將測(cè)試基板的輸入和輸出端口都設(shè)置在基板的正面,在基板的背面堆疊5 層空白LTCC 介質(zhì)層以保證測(cè)試基板的機(jī)械強(qiáng)度.

圖10 給出了SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試基板模型,該測(cè)試基板的仿真結(jié)果如圖11 所示.該背靠背測(cè)試結(jié)構(gòu)的回波損耗—15 dB 以下的帶寬可達(dá)20 GHz,由于包含了兩個(gè)SIW-RWG 過渡,插入損耗也相應(yīng)地增加了約2 倍.需要注意的是,該模型仍可以通過調(diào)整階梯結(jié)構(gòu)的參數(shù)和SIW 表面開窗尺寸等參數(shù)來調(diào)節(jié)此過渡結(jié)構(gòu)的中心頻率、帶寬和插入損耗等特性.因此,在制作LTCC 基板時(shí)采用了不同的參數(shù)取值,設(shè)計(jì)了幾種中心頻率不同的測(cè)試基板.與測(cè)試結(jié)果吻合較好且具備實(shí)用價(jià)值的仿真結(jié)果還有一種,如圖12 所示.

圖10 SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試基板模型Fig.10.Test substrate model of SIW-RWG transition structure.

圖11 SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)測(cè)試基板模型的仿真結(jié)果(a) 回波損耗S11;(b) 插入損耗S21Fig.11.Simulation results of test substrate model of SIWRWG transition structure:(a) Return loss S11;(b) insertion loss S21.

圖12 另一組參數(shù)得到的測(cè)試基板模型的仿真結(jié)果Fig.12.Simulation results of the test substrate model with another set of parameters.

同理,一分二過渡結(jié)構(gòu)也需要考慮基板機(jī)械強(qiáng)度和避免添加額外的垂直結(jié)構(gòu)的問題,此外,在一分二過渡結(jié)構(gòu)的兩個(gè)輸出端口需要使用前面的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)與測(cè)試儀器的波導(dǎo)接口之間的連通.一分二過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試基板模型如圖13 所示,端口1 為輸入端口,設(shè)置在中間的RWG 處,端口2、3 為輸出端口,位于兩側(cè).該測(cè)試基板的仿真結(jié)果如圖14 所示,一分二測(cè)試結(jié)構(gòu)回波損耗—15 dB 以下的帶寬約為20 GHz,由于兩個(gè)輸出端口添加了SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu),插入損耗也有相應(yīng)地增加.

圖13 一分二過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試基板模型Fig.13.Test substrate model of one to two divider transition structure.

圖14 一分二過渡結(jié)構(gòu)測(cè)試基板模型的仿真結(jié)果 (a) 回波損耗S11;(b) 插入損耗S21Fig.14.Simulation results of test substrate model of one to two divider transition structure:(a) Return loss S11;(b) insertion loss S21.

測(cè)試基板設(shè)計(jì)完成之后,還需要考慮實(shí)際測(cè)試中,儀器的波導(dǎo)接口與基板之間的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu).測(cè)試過渡所用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在D 波段的接口為WR06 的標(biāo)準(zhǔn)接口,法蘭盤為UG-387,結(jié)合LTCC基板尺寸,設(shè)計(jì)了如圖15 所示的波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件.該轉(zhuǎn)接件是針對(duì)SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的,包含兩個(gè)WR06 尺寸的波導(dǎo)腔.由于該結(jié)構(gòu)中包含了彎曲的波導(dǎo)腔,所以需要分成兩部分進(jìn)行制作,以保證波導(dǎo)腔內(nèi)部的光潔度.圖中銀灰色部分為L(zhǎng)TCC 基板,在轉(zhuǎn)接件上設(shè)計(jì)了與基板尺寸一致的凸臺(tái)結(jié)構(gòu),以便與LTCC 基板進(jìn)行對(duì)準(zhǔn).針對(duì)一分二過渡結(jié)構(gòu)也制作了相應(yīng)的轉(zhuǎn)接件,結(jié)構(gòu)與圖15類似,包含三個(gè)波導(dǎo)腔,此處就不詳細(xì)介紹了.

圖15 為實(shí)際測(cè)試所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件Fig.15.Waveguide adapter designed for practical test.

3 裝配和測(cè)試

LTCC 測(cè)試基板(圖16)與波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件(圖17)的裝配方式有三種,分別為使用錫膏進(jìn)行焊接,使用導(dǎo)電膠粘接,使用導(dǎo)電膠膜粘接.從實(shí)際的測(cè)試效果來看,使用錫膏和導(dǎo)電膠的裝配效果都不好,推測(cè)可能的原因是其厚度過大(錫膏和導(dǎo)電膠在固化前都具有流動(dòng)性,為了防止粘接劑進(jìn)入波導(dǎo)口,無法通過按壓LTCC 基板來降低粘接劑厚度),帶來的寄生效應(yīng)較為明顯,導(dǎo)致LTCC 基板與轉(zhuǎn)接件的連接處損耗較大.最終決定使用導(dǎo)電膠膜進(jìn)行裝配,型號(hào)為3M 公司的9766B,厚度為50 μm.將膠膜按照LTCC 基板尺寸進(jìn)行裁剪,并將波導(dǎo)口對(duì)應(yīng)的部分切除,先粘接在波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件上,再與LTCC 基板進(jìn)行粘接即可,如圖18 所示.

圖16 測(cè)試所用的LTCC 基板Fig.16.LTCC substrate for test.

圖17 波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件實(shí)物圖Fig.17.Actual diagram of waveguide adapter.

圖18 粘接了導(dǎo)電膠膜的波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件和待粘接的LTCC基板Fig.18.Waveguide adapter bonded with conductive adhesive film and LTCC substrate.

測(cè)試需要用到儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和擴(kuò)頻模塊,擴(kuò)頻模塊型號(hào)為Farran Technology 的FEV-06-TR Frequency Extender T/R 110—170 GHz.SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)和一分二過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試場(chǎng)景如圖19 所示.

圖19 SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)和一分二過渡結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)場(chǎng)景Fig.19.Measured scenes of SIW-RWG transition structure and one to two divider transition structure.

4 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

4.1 測(cè)試結(jié)果

SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果如圖20 和圖21 所示,分別與2.4 節(jié)中圖11 和圖12 的模型參數(shù)取值相對(duì)應(yīng).

圖20 SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果(模型參數(shù)取值與圖11 相對(duì)應(yīng))Fig.20.Test results of SIW-RWG transition structure (Values of the model parameters correspond to Fig.11).

圖21 SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果(模型參數(shù)取值與圖12 相對(duì)應(yīng))Fig.21.Test results of SIW-RWG transition structure (Values of the model parameters correspond to Fig.12).

對(duì)于D 波段的實(shí)物測(cè)試結(jié)果,一般要求回波損耗在—10 dB 以下.對(duì)于插入損耗,考慮到該測(cè)試基板為包含兩個(gè)SIW-RWG 過渡的背靠背結(jié)構(gòu),且在基板測(cè)試過程中,波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件中兩個(gè)彎曲波導(dǎo)腔帶來的損耗無法通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)來去除;用于粘接的導(dǎo)電膠膜為膠質(zhì)與金屬絲網(wǎng)的混合結(jié)構(gòu),因而粘接帶來的損耗難以用仿真建模的方式進(jìn)行量化分析;LTCC 基板加工過程中打孔和印刷都存在一定誤差,且本次使用的Ferro A6 m 生瓷帶未曾用于100 GHz 以上的頻段,材料特性參數(shù)帶來的不確定性也難以估量;此外,需要考慮銅、銀等金屬在高頻情況下的有效電導(dǎo)率和損耗的變化,根據(jù)Tran 等[25]對(duì)于銅在40 GHz 頻率下的有效電導(dǎo)率和損耗的測(cè)量,以及金屬有效電導(dǎo)率隨頻率升高而降低,損耗隨頻率升高而增加的結(jié)論,可知在使用HFSS 等軟件進(jìn)行仿真建模時(shí)的金屬材料參數(shù)在高頻條件下并不可靠,因此,測(cè)試結(jié)果的插入損耗較大是在預(yù)期之內(nèi)且合理的.

為了對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的插入損耗進(jìn)行一個(gè)量化的分析,可通過仿真得到波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件同尺寸的彎曲波導(dǎo)腔的插入損耗,而厚度為50 μm 的導(dǎo)電膠膜在粘接處帶來的損耗則通過與未粘接導(dǎo)電膠膜測(cè)得的插入損耗進(jìn)行對(duì)比來估計(jì).經(jīng)過仿真得到單個(gè)彎曲波導(dǎo)腔的插損約為0.4 dB,導(dǎo)電膠膜的插損約為1.5 dB(折合為單端后).對(duì)于圖20,在126—149 GHz 的頻帶內(nèi),測(cè)得的插入損耗在—4.4——9 dB 之間(折合為單端在—0.3— —2.6 dB 之間);在126—140 GHz 的頻帶內(nèi),測(cè)得的插入損耗在—4.4——7 dB 之間(折合為單端在—0.3 ——1.6 dB之間).對(duì)于圖21,在112—139 GHz 的頻帶內(nèi),測(cè)得的插入損耗在—4.6——9 dB 之間(折合為單端在—0.4 ——2.6 dB 之間);在119—137 GHz 的頻帶內(nèi),測(cè)得的插入損耗在—4.6 ——7 dB 之間(折合為單端在—0.4——1.6 dB 之間).

圖22 給出了一分二過渡結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果.在一分二過渡結(jié)構(gòu)的實(shí)際測(cè)試中,1 端口作為輸入端口接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,2 端口作為輸出端口接入,而3 端口則接入負(fù)載.從測(cè)試結(jié)果來看,在132—155 GHz 的頻帶內(nèi),除142—143 GHz 附近損耗稍大,插入損耗在—8 ——10 dB 之間(排除波導(dǎo)腔和導(dǎo)電膠膜的損耗,可認(rèn)為測(cè)得的S21在—4.2——6.2 dB 之間).考慮到二等分功率分配結(jié)構(gòu)自帶的3 dB 衰減和輸出端的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)帶來的損耗,可以認(rèn)為圖22 的測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了一分二過渡結(jié)構(gòu)具備的實(shí)用性.

圖22 一分二過渡結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果Fig.22.Test results of one to two divider transition structure.

4.2 結(jié)論

通過對(duì)設(shè)計(jì)的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)和一分二過渡結(jié)構(gòu)的實(shí)際測(cè)試,得到了與仿真結(jié)果較為吻合的S參數(shù)曲線,證明了兩種過渡結(jié)構(gòu)的性能和實(shí)用性.此外,關(guān)于本次加工測(cè)試所用的LTCC 工藝和裝配工藝,有兩點(diǎn)結(jié)論.

1)對(duì)采用不同設(shè)計(jì)參數(shù)制作的LTCC 基板進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),在150 GHz 以上的頻帶內(nèi),插入損耗急劇增加(雖然給出的幾個(gè)仿真結(jié)果中S21在150 GHz 或160 GHz 以上都有較大的惡化,但選取其他參數(shù)使中心頻率靠近150 GHz 時(shí)可以保證仿真得到的S21曲線正常,但在實(shí)際測(cè)試中仍會(huì)惡化),推測(cè)這可能與Ferro A6m 生瓷帶在高頻段的材料特性有關(guān),但足以證明其在150 GHz 以下的頻帶是可以使用的.

2)波導(dǎo)口與LTCC 基板連接處的粘接劑厚度對(duì)于傳輸結(jié)構(gòu)的損耗影響較大,需分析使用焊錫膏和導(dǎo)電膠損耗過大的原因,尋求更薄厚度的焊接、粘接方式,或探索更適合的裝配方式來解決粘接劑的蔓延問題.(錫膏和導(dǎo)電膠可通過按壓LTCC 基板的方式來降低基板與波導(dǎo)轉(zhuǎn)接件間的粘接劑厚度,但這樣會(huì)造成粘接劑向波導(dǎo)口內(nèi)部蔓延,從而影響測(cè)試性能.)

綜上所述,本文設(shè)計(jì)的SIW-RWG 過渡結(jié)構(gòu)和一分二過渡結(jié)構(gòu)在一定程度上仍需要改進(jìn),但已具備一定的實(shí)用價(jià)值,可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的平面天線陣列的相關(guān)研究.