多種寬帶傳輸結構的研究與分析

趙逸涵，史源，錢興成

（單片集成電路與模塊國家重點實驗室，南京電子器件研究所，南京210016）

多種寬帶傳輸結構的研究與分析

趙逸涵，史源，錢興成

（單片集成電路與模塊國家重點實驗室，南京電子器件研究所，南京210016）

針對寬帶高頻組件的發(fā)展趨勢，研究了三種不同的適用于寬帶高頻信號的傳輸結構。主要介紹了三種傳輸結構的設計方案，并利用HFSS軟件對傳輸結構進行仿真優(yōu)化，最后進行了實物分析驗證。經過測試，在寬帶高頻信號下，三種結構均有比較良好的電性能傳輸特性。該測試結果表明，寬帶高頻組件的設計中可以根據實際需求運用多種傳輸結構實現(xiàn)較高的性能指標，具有廣泛的應用前景。

寬帶高頻；傳輸結構；HFSS仿真

1 引言

隨著射頻技術的不斷發(fā)展，信號頻段越來越高，頻帶也越來越寬，對射頻微波組件的要求也隨之提高，高集成化、小型化等都是未來組件的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的微帶傳輸結構不能解決寬帶小型化設計中的所有問題。多模塊之間寬帶信號的傳輸過渡以及模塊內部寬帶信號的傳輸等問題是寬帶高頻組件設計過程中必須要解決的一個問題。寬帶信號的傳輸質量對組件整體性能起著非常重要的作用。但目前關于寬帶傳輸的電路結構研究還不多，具體用于實際工程應用中的更是有限[1]。

所以本文對寬帶高頻傳輸結構進行了探索，對不同結構寬帶信號傳輸的插損、駐波等主要指標進行了分析，提供了多種在工程實際中可以應用的寬帶信號傳輸的解決方法，為寬帶射頻組件的小型化、集成化提供了一個研究方向。

2 多種傳輸結構分析

2.1 空氣腔過渡及共面波導結構

在射頻微波組件中，經常會遇到多個模塊的對接問題。為了解決這個問題，一般要采用SMP結構的射頻連接器來完成多模塊間的信號互聯(lián)，可以在節(jié)省體積的同時也保證互聯(lián)處的機械強度，有利于組件的小型化設計。但是單純的SMP射頻連接器結構在高頻、寬帶信號下的表現(xiàn)并不理想，主要表現(xiàn)在傳輸損耗較大，帶內平坦度不夠好，插入損耗在寬帶、尤其是超寬帶信號下存在突變點等。因此需要對該結構進行優(yōu)化，提高射頻連接器在高頻、寬帶下的性能。

圖1 SMP連接器傳輸機構側視圖和俯視圖

圖1 所示為改進后的SMP連接器的傳輸結構示意圖。相比于傳統(tǒng)的SMP直接與微帶線相連接的結構，這里在SMP連接器的針的末端增加了一個空氣腔結構。通過空氣腔與SMP射頻接頭的內導體來模擬近似一個同軸傳輸線，提高接頭在高頻寬帶信號下的性能。

同軸線的內導體半徑為a，外圈半徑為b，介電常數為εr，根據式（1）、（2）可以求得同軸傳輸線TE10模的截止頻率：

通過HFSS仿真優(yōu)化設計，空氣腔的長度為0.8mm，直徑為1 mm。SMP內導體的末端焊接在微波電路板上，相比于傳統(tǒng)結構，本次改進的結構中還在與針相連的部分采用了一段共面波導結構。其中電路板采用的是RT/Duroid5880介質板，厚度為0.254 mm，通過仿真設計將共面波導的地孔直徑設為0.5 mm，共面波導兩邊的地與中間的金屬微帶間距設為0.5 mm。地孔之間的距離設為0.8 mm。圖2所示為該傳輸結構尺寸示意圖。

圖2 SMP連接器傳輸結構尺寸示意圖

這里采用共面波導有幾個方面的優(yōu)勢，一個是相比于微帶，共面波導的駐波特性更好，對信號的反射相對較?。欢嵌嗔藘膳诺乜?，可以使SMP射頻連接器附近的接地效果更好，保證射頻連接器、盒體、電路板之間接地的連續(xù)性，提高信號傳輸的質量。

該結構的仿真結果如圖3所示，可以看出該SMP傳輸結構在18～45 GHz的頻帶內，S11小于-20 dB，S21大于-0.5 dB，在寬帶高頻信號下表現(xiàn)比較好。因此該結構可以應用于寬帶高頻的信號傳輸。

圖3 SMP結構仿真結果

2.2 微波多層電路板中的信號傳輸及平面過渡結構

為了解決組件小型化設計的問題，微波多層電路板的應用勢在必行。將傳統(tǒng)的平面結構轉變?yōu)槎鄬恿Ⅲw結構，同時也對信號的傳輸提出了較高的要求。微帶傳輸線并不能直接應用于多層電路板的信號傳輸，在不同結構之間信號需要經過過渡結構來保證信號傳輸的連續(xù)性。

基片集成波導（SIW）結構，上下表面均為金屬化層，在介質基片中間隔一定距離制作兩排金屬化通孔。于是在上下金屬面和兩排金屬化通孔之間就形成了一個類似矩形波導的結構?；刹▽У膬膳沤饘倩讟嫵闪瞬▽У恼叄舷卤砻娴慕饘賹訕嫵闪瞬▽У膬蓚€寬邊，電磁波在介質基片左右兩排金屬化通孔和上下金屬面所圍成的矩形區(qū)域內以類似于介質填充矩形波導的場模式傳輸，因此有高Q值、低差損、尺寸小、輻射低、易集成、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在微波多層電路板中有比較廣泛的應用，包括濾波器、功分器、移相器等。因此SIW和微帶的過渡結構對于微波多層電路的設計有重要的作用和影響[2]。

基片集成波導的介質板厚度為h，介電常數為εr，金屬化通孔直徑為d，周期為s，兩排金屬化過孔圓心之間的距離為ω，等效為波導寬邊為a，窄邊為b的矩形波導。根據文獻[4～5]可以推得TE10模的截止頻率與波導尺寸的關系式如下：

而在填充介質的介電常數為εr的矩形波導中，模的TE10截止頻率為：

聯(lián)立式（3）、（4），可以得到在相同主模截止頻率、相同介電常數下，基片集成波導和矩形波導的近似對應關系。

因此，在設計基片集成波導結構的時候，等效公式可以寫成如下形式：

其中，leff和ωeff為基片集成波導的等效長邊長度和等效寬邊長度。但是傳統(tǒng)的SIW和微帶過渡的結構在寬帶傳輸特性上并沒有優(yōu)勢，相反，由于SIW結構存在截止頻率等問題，很難直接用于傳輸寬帶信號[3]。因此，本文在這里探索設計了一個基于基片脊波導（RSIW）的平面?zhèn)鬏斀Y構。如圖4所示，在該結構中，采用了兩層RT/Duroid6010介質板，介電常數為10.2，其中一層厚度為0.254 mm，一層厚度為0.625 mm，兩層介質板中間采用厚度為0.1 mm的RO3010半固化片粘接，介電常數為10.2。

其中上層是由矩形金屬區(qū)、微帶線以及微帶到RSIW的梯形過渡區(qū)組成，在矩形金屬區(qū)的兩側是兩排金屬化通孔陣列，從top層到bottom層。在兩側微帶以及過渡結構的正下方，第一塊介質板的下表面即Middle1層均覆上銅，來提高結構的接地效果。如圖5所示，在第二塊介質板的上表面即Middle2層加一個金屬條，并且在金屬條上和兩端制作出從Middle2層到Bottom層的埋孔。

相比于傳統(tǒng)的SIW結構，這種改進型結構通過增加中間的金屬條拓展了傳輸帶寬。這里傳輸線兩側的金屬化通孔直徑設為0.4 mm，通孔之間的孔距為1.58 mm，兩排通孔之間的距離為4.4 mm，中間的金屬條寬度為1.4 mm，中間埋孔的直徑為1.12 mm。

圖4 RSIW傳輸結構

圖5 RSIW傳輸結構圖

仿真時，通過調節(jié)金屬帶的寬度及梯形過渡區(qū)的長度和寬度來優(yōu)化仿真設計，提高寬帶傳輸特性。仿真測試結果如圖6所示，從圖中可以看出，在6～22 GHz帶寬內性能指標良好，回波損耗小于-10 dB，差損小于1 dB，且可以看出帶內的平坦度等指標均比較好。通過RSIW結構使得信號在介質板的板間傳輸，可以提高信號的隔離度且減少信號的空間泄露，因此在寬帶射頻組件中有廣泛的應用。

圖6 RSIW傳輸結構仿真結果

2.3 微波多層電路板中的垂直過渡結構

與傳統(tǒng)平面微波電路板相比，多層微波板由于是三維立體結構電路，因此需要大量應用到垂直過渡結構用于信號在板間不同層的傳輸。微帶到微帶的垂直過渡，微帶到帶狀線的垂直過渡等在微波多層電路板中應用都比較廣泛，本文也對該結構進行了相關的仿真設計。

如圖7所示是該垂直過渡結構的設計結構圖。在該結構中采用兩塊0.254 mm厚的RT/Duroid6002介質板，介電常數為2.92，中間用一塊0.1 mm厚的RO4450F半固化片粘接而成，介電常數為3.52。該過渡結構主要由微帶和中間的垂直通孔以及中間的帶狀線等幾部分組成。其中，在垂直過孔周圍設置一圈地孔來等效同軸傳輸結構，通過調節(jié)周圍地孔的位置以及中間金屬化過孔的直徑等參數來優(yōu)化設計。在傳輸線兩側增加兩排地孔，提高信號傳輸的質量。

圖7垂直過渡結構示意圖

圖8 所示為垂直過渡結構的HFSS仿真結果。從仿真結果圖可知該結構在整個DC-42 GHz頻帶內，傳輸損耗小于0.5 dB，輸入輸出駐波小于-15 dB。

圖8 垂直過渡結構仿真結果

從理論上看，該結構可以應用于超寬帶射頻信號在微波多層電路板中的垂直過渡傳輸，提高寬帶組件的集成度。

3 測試結果

圖9所示為SMP空氣腔過渡結構在實際射頻組件應用中的實物制作圖。其中方框部分為過渡結構。

圖9 SMP過渡結構實物照片

圖10 所示為該SMP結構在微波寬帶組件中應用時的測試結果，從圖中可以看出在23～41 GHz的整個頻帶內，駐波最差的地方不超過1.9，沒有存在明顯的駐波異常的地方。同時試驗過程中同時安裝了多個SMP結構，發(fā)現(xiàn)不同接頭之間的駐波比一致性較好，在實際的工程應用中可以廣泛使用在高頻寬帶單通道及多通道組件中。

圖10 SMP結構測試結果

測試時為了模擬實際組件應用中的狀況，還制作了兩個相同的SMP傳輸結構，中間使用了SMP-KK的射頻連接器進行對接。測試結果如圖11所示，可以看到在整個400 MHz～43.5 GHz的帶寬內，駐波均小于2，插入損耗在3 dB以下。該測試結果差于理論仿真值，這與測試儀器接頭的誤差以及SMP-KK本身的性能均有關，最終結果雖與理論值有出入，但是總體水平良好，該傳輸結構可以應用于實際工程中。

圖12、圖13所示為垂直過渡結構的實物照片和測試曲線，從圖中可以看出在1～18 GHz的頻率帶寬內，駐波小于2.5，差損小于1.5 dB，與前文的仿真結果基本吻合。但是在18 GHz以后發(fā)現(xiàn)差損明顯變大，且輸入輸出駐波均變差，與仿真結果有較大出入，通過分析判斷，主要原因是電路板兩端和盒體以及接頭之間的地接觸不夠好，不能保證地的連續(xù)性，因此會在寬帶高頻信號下表現(xiàn)較差。此外，由于工藝水平的限制，電路板加工精度包括金屬化孔的直徑、焊盤半徑、位置等也會對最終測試結果產生影響。所以關于該結構，以目前的實驗結果來看，可以應用到18 GHz的工作頻率，但完成和優(yōu)化適合當前加工工藝水平的仿真設計是下一步的工作計劃。

圖12 垂直過渡結構實物照片

圖13 垂直過渡結構測試結果

4 結論

隨著寬帶、超寬帶微波射頻組件的應用越來越廣泛，對信號傳輸性能的要求也不斷提高，因此，本文對三種寬帶高頻信號傳輸結構進行了研究，這三種結構可以應用于寬帶高頻微波電路的不同情況。其中SMP空氣腔過渡結構可以應用于多個模塊對接過程中的信號傳輸；RSIW結構過渡可以應用于微波多層電路板中寬帶信號的平面?zhèn)鬏敽瓦^渡；垂直過渡結構則可以應用在微波多層電路板中寬帶信號的三維立體傳輸。綜合仿真設計、實物制作和測試結果，可以得出結論：這幾種傳輸結構均適用于實際工程中的寬帶高頻信號傳輸，具有易用性與可實現(xiàn)性。

[1]楊駕鵬,周駿,沈國策,吳璟,沈亞,蔡茂.TSV垂直傳輸結構的射頻特性研究[J].固體電子學研究與進展，2016(3): 213-216.

[2]YCassivi,Perregrini,PBressan,K Wu,G Conciauro. Dispersion Characteristics of Substrate Integrated Rectangular Waveguide[J].IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.2002,12(9):333-335.

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Research and Analysis of Several Wide-Band Transmission Structures

ZHAO Yihan,SHI Yuan,QIAN Xingcheng
（National key laboratory of integrate circuits and module,Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016,China）

Proceeding from the development path of wide-band and high-frequency components,the paper conducts certain researches and presents designs of three different transmission structures for wide-band and high-frequency signal.The HFSS software is used to stimulate and optimize the structure of transmission.Three structures of transmission are verified and analyzed practically.After tests,three structures all have a high electronic quality.The structures can be applied flexibly in scenarios with various requirements to achieve higher electronic performance in the design of the wide-band and high frequency components.The structures willbe widely applied in many fields.

wide-band and high-frequency;transmission structure;HFSS stimulation

TN603

A

1681-1070（2017）07-0043-05

趙逸涵（1992—），男，江蘇南京人，2014年畢業(yè)于武漢理工大學電子與科學技術專業(yè)，現(xiàn)為南京電子器件研究所在讀碩士研究生，從事寬帶微波射頻電路研究。

2017-3-31