基于微波多層板的Ka頻段帶狀線功分器仿真設(shè)計(jì)

趙元英，夏俊穎

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

目前微波組件的發(fā)展趨于小型化、多功能化，組件的功能不斷增加，從單通道發(fā)展為多通道，從單一的接收或發(fā)射功能發(fā)展為收發(fā)源一體功能，而組件體積要求進(jìn)一步縮小。因此組件設(shè)計(jì)由平面向立體尋求空間，趨向于三維集成方式[1-3]，把射頻前端、信號處理、控制和電源等多種功能垂直堆疊在一起，提高密度，改善層間互聯(lián)，在小體積下滿足多功能化的需求。

在組件三維集成發(fā)展思想中，多層電路板的高集成優(yōu)勢凸顯。通過將無源電路設(shè)計(jì)在多層板中間層，有源電路設(shè)計(jì)在多層板的頂層，可充分利用組件Z方向的空間，縮小X，Y方向的電路面積，立體交叉布局，有利于減小信號串?dāng)_，縮小組件體積。文獻(xiàn)[4]研究了在多層板中通過金屬通孔實(shí)現(xiàn)電路板正面和背面的微帶線之間的互連。文獻(xiàn)[5-6]研究了多層電路板中，中間層帶狀線和頂層微帶線之間的互連。

多層板的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。在傳統(tǒng)組件設(shè)計(jì)中，多層板中間層部分常用來傳輸電源信號、控制信號或C波段以下的微波信號[7]，多為低頻應(yīng)用。近年基于組件高度集成的需求，多層板的應(yīng)用對象和應(yīng)用頻率逐漸拓展，由簡單的傳輸線電路擴(kuò)展為功分器、耦合器[8]等無源射頻電路，由傳輸?shù)皖l信號擴(kuò)展為毫米波高頻信號[9-11]。

基于高頻率、高集成度應(yīng)用，本文仿真設(shè)計(jì)了用于多層板的Ka頻段Wilkison帶狀線功分器[12-15]，將功分器端口與微帶線進(jìn)行匹配過渡，并分析了版圖設(shè)計(jì)參數(shù)對帶狀線功分器性能的影響。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，帶狀線功分器在22～37 GHz頻帶內(nèi)，插入損耗S21>-3.6 dB，回波損耗S11<-15.3 dB，S22<-17.8 dB，隔離度S23<-15.7 dB，適用于多通道組件中基于多層板實(shí)現(xiàn)功率分配。

1 帶狀線特性

帶狀線的演變過程為：將同軸線的外導(dǎo)體對半分開，把兩半外導(dǎo)體分別向上、下方向展平，內(nèi)導(dǎo)體做成扁平帶狀，構(gòu)成帶狀線。帶狀線的電力線是上下左右都對稱的，如圖1所示。

圖1 帶狀線的演變

帶狀線中傳輸?shù)闹髂門EM模。如帶狀線尺寸選擇不當(dāng)或制造過程中引入不均勻性，就會出現(xiàn)高次模。高次模的產(chǎn)生和傳輸會影響主模TEM波的正常傳輸，而且高次模極易引起輻射而使損耗增加。為防止輻射損耗，帶狀線的尺寸應(yīng)滿足：

③ 接地板的寬度足夠大，應(yīng)大于(2～3)b；

④ 當(dāng)帶狀線中接入微波半導(dǎo)體器件時，由于外接器件的不對稱，將會激發(fā)出高次模。因此，需在不均勻性附近，在帶狀線側(cè)邊加以屏蔽，避免高次模輻射引起的附加損耗。

帶狀線輻射損耗小，適用于高性能、高Q值的無源微帶線元件，如濾波器、耦合器和功分器等。

2 帶狀線功分器設(shè)計(jì)

2.1 帶狀線功分器仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)上述帶狀線尺寸要求，帶狀線功分器的帶線寬度W，兩接地板間距b應(yīng)滿足：

接地板的寬度設(shè)置為大于(2～3)b。帶狀線與外界的不對稱性來源于與微帶線、有源芯片器件的連接，因此在帶狀線兩側(cè)加接地孔對高次模進(jìn)行屏蔽。

電路板材料選用Rogers 6002，介電常數(shù)為2.94。在多種微波電路板材中，RT/duroid 6002是常用的高頻電路板材，它是聚四氟乙烯(PTFE)樹脂材料，在PTFE中摻雜了少量的陶瓷粉，介電常數(shù)低，損耗小，電氣和機(jī)械性能優(yōu)異，極適宜高頻應(yīng)用。由于RT/duroid 6002在Z方向上的熱膨脹系數(shù)(24 ppm/℃)與銅的熱膨脹系數(shù)(17 ppm/℃)十分接近，多層板中金屬化過孔的鍍銅層在Z方向上不易開裂，具有高可靠性，因此是制作多層微波板的首選材料。

帶狀線下層介質(zhì)厚度為0.254 mm，上層介質(zhì)厚度為0.127 mm。功分器的輸入輸出端帶狀線為50 Ω阻抗匹配，根據(jù)電路板的介電常數(shù)、電路板厚度和功分器頻率等，可計(jì)算得到輸入輸出端口帶狀線的寬度。在仿真設(shè)計(jì)中，需對功分器阻抗變換節(jié)的寬度和長度進(jìn)行仿真。

在ADS軟件中建立帶狀線功分器原理圖，如圖2(a)所示。TL1～TL6為阻抗變換節(jié)，在ADS中進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

(a)原理圖

(b)仿真結(jié)果

由圖2(b)可見，在22～37 GHz頻帶范圍內(nèi)，帶狀線功分器的插入損耗S21>-3.1 dB，回波損耗S11<-16.5 dB，S22<-30.6 dB，隔離度S23<-15.9 dB，仿真結(jié)果滿足應(yīng)用要求。ADS仿真基于二維仿真，仿真速度快，而實(shí)際的功分器安裝在盒體內(nèi)，具有空氣腔體，HFSS軟件采用3D有限元分析方法，更適合三維仿真。為精確驗(yàn)證功分器的設(shè)計(jì)，盡可能得到滿足實(shí)際應(yīng)用的電路參數(shù)，可將ADS仿真中得到的功分器參數(shù)代入HFSS中建立模型，進(jìn)一步進(jìn)行仿真。

在實(shí)際應(yīng)用中，帶狀線功分器端口常與微帶線連接，依此建立模型，在微帶線和帶狀線之間設(shè)計(jì)容性匹配枝節(jié)進(jìn)行二者的過渡匹配，并在帶狀線端口設(shè)計(jì)2排接地孔，用于屏蔽高次模能量輻射，如圖3(a)所示。將功分器阻抗變換節(jié)的寬度W1，長度L1，帶狀線寬度W，匹配枝節(jié)的長度Lp，寬度Wp設(shè)置為優(yōu)化變量，在HFSS中進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖3(b)所示。

優(yōu)化后各參數(shù)的值為W1=0.12 mm，L1=1.69 mm，W=0.23 mm，Lp=0.35 mm，WP=1 mm。仿真結(jié)果表明，在22～37 GHz頻帶范圍內(nèi)，帶狀線功分器的插入損耗S21>3.6 dB，回波損耗S11<-15.3 dB，S22<-17.8 dB，隔離度S23<-15.7 dB，仿真結(jié)果滿足應(yīng)用要求。

(a)仿真模型

(b)仿真結(jié)果

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)對帶狀線功分器性能的影響

帶狀線埋置于上下兩層接地面之間，能很好地屏蔽輻射，所以帶狀線是內(nèi)部傳輸線的良好選擇。但接地面的接地質(zhì)量對功分器的損耗和駐波影響很大，通過在帶狀線兩側(cè)設(shè)置接地孔貫通上下兩層接地面，可實(shí)現(xiàn)中間接地層與地的可靠連接，消除寄生平板波導(dǎo)效應(yīng)，改善功分器的性能。

帶狀線兩側(cè)接地孔與帶狀線距離via_d(如圖4所示)需合理設(shè)置，via_d過小，會影響帶狀線的特性阻抗，增大插入損耗、駐波和輻射損耗；via_d過大，有可能激發(fā)介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)模式，導(dǎo)致功分器微波性能不穩(wěn)定。在HFSS中設(shè)置不同的via_d值進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示了via_d的取值對插入損耗S21和回波損耗S11，S22的影響，如表1所示。在功分器版圖設(shè)計(jì)中，via_d設(shè)置在0.5～0.7 mm之間即可，如via_d>0.7 mm，功分器在高頻段的插入損耗將變大，回波損耗變差。

圖4 接地孔與帶狀線距離示意

表1via_d對指標(biāo)的影響 (f=37 GHz)

間距via_d(mm)S21/dBS11/dBS22/dB0.50.70.9-3.63-3.73-4.13-21.72-16.41-12.79-17.79-15.14-12.30

在HFSS模型中設(shè)置不同的接地孔數(shù)量(1～4個)后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示，接地孔數(shù)量對S參數(shù)影響不大。基于可靠性、冗余性考慮，在版圖設(shè)計(jì)中設(shè)置3個以上接地孔即可。

3 結(jié)束語

本文研究了在多層板中Ka頻段的Wilkison帶狀線功分器的仿真設(shè)計(jì)。簡述了帶狀線的性能特點(diǎn)和電磁場結(jié)構(gòu)，利用ADS和HFSS軟件聯(lián)合仿真，建立了帶狀線功分器仿真模型。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，功分器在22～37 GHz頻帶范圍內(nèi)，插入損耗S21>-3.6 dB，回波損耗S11<-15.3 dB，S22<-17.8 dB，隔離度S23<-15.7 dB，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用要求。最后分析了版圖參數(shù)對功分器性能的影響，便于工程實(shí)現(xiàn)。