多層LCP 基板中寬帶槽線耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉維紅,關(guān)東陽,黃倩,張璇

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

隨著微波毫米波電路朝著高集成度、小型化、高性能方向發(fā)展以及使用頻率的不斷提高,槽線耦合結(jié)構(gòu)作為其核心單元,不僅要求低損耗、低成本、寬頻帶,還需要保證其結(jié)構(gòu)緊湊且易于加工[1]。傳統(tǒng)多層電路結(jié)構(gòu)中,不同層傳輸線之間主要有過孔互連[2-3]和槽線垂直耦合[4-5]兩種互連形式。過孔互連結(jié)構(gòu)以其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊而被廣泛應(yīng)用于多層電路結(jié)構(gòu)中。但是,隨著電路使用頻率的不斷增加,器件尺寸不斷縮小,多層電路結(jié)構(gòu)中過孔互連結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)難度與日俱增[6]。槽線垂直耦合只需要在接地平面制作槽線結(jié)構(gòu),就可以實(shí)現(xiàn)異面?zhèn)鬏斁€的高效互連,降低了加工難度,提高了設(shè)計效率。

研究人員針對槽線耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。為了縮小槽線耦合電路結(jié)構(gòu)體積,Zheng 等[7]創(chuàng)新性地提出了一種折疊形微帶耦合線結(jié)構(gòu)。為了克服槽線耦合電路結(jié)構(gòu)帶寬過窄的問題,Tao 等[8-9]通過在傳統(tǒng)過渡結(jié)構(gòu)地平面添加貼片來增強(qiáng)電磁耦合,實(shí)現(xiàn)了其寬帶傳輸特性。Yang 等[10]基于槽線階躍阻抗諧振器,設(shè)計了一款微帶到微帶垂直耦合結(jié)構(gòu),并通過兩個背對背Y 型結(jié),實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計。Feng 等[11-12]基于共面波導(dǎo)諧振器的多模理論,設(shè)計了一款具有濾波性能的槽線結(jié)構(gòu),研究人員通過適當(dāng)調(diào)節(jié)兩饋電點(diǎn)的偏離距離,使地平面共面波導(dǎo)諧振器的多個模式得到激發(fā),實(shí)現(xiàn)了槽線耦合結(jié)構(gòu)的濾波性能以及寬帶特性。

綜上所述,槽線耦合結(jié)構(gòu)不僅可以利用折線設(shè)計實(shí)現(xiàn)體積的大幅度縮小,而且可以通過耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計實(shí)現(xiàn)其寬帶特性[13]。鑒于槽線耦合結(jié)構(gòu)的眾多優(yōu)點(diǎn),本文基于多層LCP 基板,設(shè)計了一款微帶線-槽線-微帶耦合線垂直耦合結(jié)構(gòu),通過在第四層加載開路枝節(jié)線,實(shí)現(xiàn)了槽線耦合結(jié)構(gòu)在24.5～42 GHz寬頻范圍內(nèi)射頻信號的高效傳輸。

1 微帶線-槽線-微帶線耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文采用傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu),如圖1 所示,在三層LCP 基板中,頂層采用50 Ω 的微帶線作為槽線耦合結(jié)構(gòu)的輸入輸出端口,槽線設(shè)計在第二層金屬層,第三層為平行耦合微帶線。毫米波信號經(jīng)輸入端口1,通過地平面的槽線結(jié)構(gòu),耦合到第三層的平行耦合微帶線,再由槽線耦合到輸出端口。在多層LCP 電路結(jié)構(gòu)中,芯板厚度為0.1 mm,相對介電常數(shù)為2.9,損耗角正切為0.0025。

圖1 未加載開路枝節(jié)線槽線耦合電路結(jié)構(gòu)Fig.1 3D view of the slotline coupling transition without open branch line

圖2 為槽線耦合結(jié)構(gòu)的俯視圖,圖中W1、L1、L4分別表示頂層微帶線的寬度、輸入端口到槽線的距離以及超出槽線結(jié)構(gòu)開路枝節(jié)線長度;W2、L2分別表示槽線的寬度和長度;W3、L3、2d分別表示平行耦合微帶線的寬度、半邊長度以及耦合微帶線間距。

圖2 槽線耦合電路結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.2 Top view of slotline coupling transition

2 仿真優(yōu)化

為了得到寬帶的Ka 頻段槽線耦合結(jié)構(gòu),本文詳細(xì)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對槽線耦合結(jié)構(gòu)傳輸特性的影響規(guī)律。圖3、圖4 和圖5 分別給出了槽線耦合結(jié)構(gòu)傳輸性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)L2、d以及L4的影響規(guī)律。

如圖3 所示,當(dāng)槽線長度L2小于1.9 mm,該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出窄帶特性。當(dāng)槽線長度L2增加到2.1 mm 時,槽線耦合結(jié)構(gòu)的傳輸通帶內(nèi)增加了一個傳輸極點(diǎn),槽線耦合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出寬帶特性,有效地增加了耦合結(jié)構(gòu)的帶寬,在23～43.62 GHz 寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了信號的寬帶傳輸。

圖3 S11隨著L2 的變化曲線圖Fig.3 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of L2

圖4 表示槽線耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)d對其傳輸特性的影響。可以明顯看出,隨著d長度的不斷增加,槽線耦合結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)出寬帶特性。分析其主要原因是,在d增加的過程中,頂層微帶線激發(fā)起槽線結(jié)構(gòu)中的高次模、基模和高次模式的相互耦合,導(dǎo)致槽線耦合結(jié)構(gòu)通帶的展寬[14]。

圖4 S11隨著d 的變化曲線圖Fig.4 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of d

圖5 表示L4對槽線耦合結(jié)構(gòu)傳輸特性的影響規(guī)律?？梢钥闯?隨著L4長度的增加,S11低頻傳輸極點(diǎn)在頻率25.5 GHz 左右保持不變,高頻傳輸極點(diǎn)從頻率34.45 GHz 上移到了40.36 GHz,槽線耦合結(jié)構(gòu)的帶寬變寬,且在25.5～34.45 GHz 頻帶范圍內(nèi),反射系數(shù)小于-15 dB。

圖5 S11隨著L4的變化曲線圖Fig.5 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of L4

通過對L2、d和L4三個參數(shù)分析可以得出,當(dāng)槽線的長度大約為中心頻率的二分之一導(dǎo)波波長、第三層微帶線位于槽線長度大約三分之一處、伸出槽線微帶線長度大約為中心頻率四分之一導(dǎo)波波長時[15],槽線耦合電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶傳輸。

通過對槽線耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,得到相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù):W1=0.33 mm,W2=0.14 mm,W3=0.15 mm,L1=2.2 mm,L2=2.28 mm,L3=3.8 mm,L4=0.91 mm,d=0.45 mm。槽線耦合結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖6 所示,該結(jié)構(gòu)在23～43.62 GHz 頻段范圍內(nèi)呈現(xiàn)出優(yōu)異的傳輸特性,帶內(nèi)插入損耗約為-1 dB,回波損耗在-16 dB 以下。

圖6 未加載開路枝節(jié)線槽線耦合結(jié)構(gòu)S 參數(shù)Fig.6 Simulated S-parameters of the slotline coupling transition without open branch line

3 加載開路枝節(jié)線槽線耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了進(jìn)一步改善槽線耦合結(jié)構(gòu)的傳輸性能,如圖7所示,在其底層加載了開路枝節(jié)線。通過在底層添加枝節(jié)線,可以更加靈活地控制第三層平行耦合線的阻抗特性,實(shí)現(xiàn)槽線耦合結(jié)構(gòu)阻抗的高效匹配,從而實(shí)現(xiàn)寬帶信號的傳輸。圖8、圖9 給出了開路枝節(jié)線阻抗匹配的仿真結(jié)果。從圖中可以清晰看到,隨著開路枝節(jié)線長寬尺寸逐漸增加,槽線耦合結(jié)構(gòu)回波損耗得到了明顯改善,槽線耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶信號的高效傳輸。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計,開路枝節(jié)線的長為3 mm,寬為1 mm。

圖7 加載開路枝節(jié)線槽線耦合電路結(jié)構(gòu)Fig.7 3D view of the slotline coupling transition with open branch line

圖8 S11隨著W 的變化曲線圖Fig.8 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of W

圖9 S11隨著L 的變化曲線圖Fig.9 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of L

圖10 給出了加載開路枝節(jié)線前后槽線耦合結(jié)構(gòu)的S參數(shù)對比圖。從圖中可以明顯看出,在加載了開路枝節(jié)線后,插入損耗從-1 dB 提升到-0.95 dB,回波損耗從-16 dB 提升到-21 dB。通過對比得出,槽線耦合結(jié)構(gòu)底層開路枝節(jié)線的加載能夠明顯改善其通帶內(nèi)傳輸性能。

圖10 加載開路枝節(jié)線與未加載開路枝節(jié)線時槽線耦合結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果對比Fig.10 Comparison of simulation results of the slotline coupling transition with and without open branch line

4 實(shí)物制作與測試

為了驗(yàn)證槽線耦合結(jié)構(gòu)的寬帶傳輸特性,對設(shè)計的多層LCP 槽線耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)物加工,其結(jié)構(gòu)如圖11 所示。本文采用Cascade EPS15 探測臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Rohde &Schwarz VNA40)對實(shí)物進(jìn)行了測試,其測試環(huán)境如圖12 所示。圖13 給出了加載開路枝節(jié)線槽線耦合結(jié)構(gòu)的仿真和測試結(jié)果,從圖中可以清晰看到,本文設(shè)計的槽線耦合結(jié)構(gòu)在23.16～40.35 GHz 通帶范圍內(nèi)插入損耗約為-2 dB,回波損耗均優(yōu)于-14 dB。同時,可以明顯地觀察到,測試結(jié)果的回波損耗相對于仿真結(jié)果出現(xiàn)了一定程度的惡化。針對這一現(xiàn)象,進(jìn)行了多層LCP 電路粘合層厚度變化的仿真驗(yàn)證與分析,如圖14 所示,隨著粘合層厚度變小,槽線耦合結(jié)構(gòu)通帶內(nèi)S11變差。因此,在多層LCP 基板壓合過程中,壓合力度將會極大影響多層電路結(jié)構(gòu)的毫米波特性。所以,在后續(xù)的研究過程中,需要對粘合層的毫米波特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,進(jìn)而提高多層LCP電路設(shè)計的精度。

圖11 加載開路枝節(jié)線槽線耦合結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.11 Photography of the fabricated circuits

圖12 實(shí)物測試環(huán)境Fig.12 Physical test environment

圖13 加載開路枝節(jié)線槽線耦合結(jié)構(gòu)的仿真與測試結(jié)果Fig.13 Simulation and test results of slotline coupling transition with open branch line

圖14 S11隨著h 的變化曲線圖Fig.14 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of h

5 結(jié)論

本文基于多層LCP 基板,利用槽線耦合技術(shù),設(shè)計了一款Ka 波段寬帶槽線耦合過渡電路結(jié)構(gòu)。為了改善其通帶性能,通過在電路底層加載開路枝節(jié)線,使其通帶內(nèi)插入損耗從-1 dB 提高到-0.95 dB,回波損耗從-16 dB 提升到-21 dB。該槽線耦合結(jié)構(gòu)簡單且易于加工,很好地滿足了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對寬帶微波毫米波器件高性能的應(yīng)用需求,具有重要的工程應(yīng)用價值。