一種基于LTCC技術(shù)毫米波垂直互連過(guò)渡結構設計

摘要：為了實(shí)現微波毫米波多芯片組件的多層立體高集成度設計，提出Ka波段JTCC(Low Temperature Co—Fired Ce—ramic)微帶到帶狀線(xiàn)穿透兩層接地導體的正反向過(guò)渡結構。該結構采用類(lèi)同軸和“水滴”匹配的方法，結合高頻電磁軟件仿真及測試實(shí)驗，結果表明，該14層LTCC結構能實(shí)現良好傳輸的最高頻率可達36 GHz，可實(shí)現Ka波段毫米波微

帶到內層帶狀線(xiàn)的靈活過(guò)渡。

關(guān)鍵詞：毫米波;LTCC;類(lèi)同軸;“水滴”匹配;多層接地面

用LTCC技術(shù)實(shí)現微波器件具有結構緊湊，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)結合，還具有低的燒結溫度。LTCC多層技術(shù)可將傳輸線(xiàn)和微波

電路在不同層排布，從而實(shí)現了各種微波、毫米波傳輸線(xiàn)和直流信號線(xiàn)等的混合多層設計，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)設計中的關(guān)鍵技術(shù)。LTCC技術(shù)在毫米波波段的應用存在的問(wèn)題一方面是因為在毫米波頻段上電路結構對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在LTCC這種多層的不連續傳輸結構中帶來(lái)了更多的寄生效應，甚至激勵起了電磁場(chǎng)的寄生模式，對其傳輸特性的研究變得異常復雜，所以在更高信號頻率上提出適當的過(guò)渡模型將是設計者面臨的一項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。

國內外已有許多學(xué)者對共面波導到帶狀線(xiàn)、微帶線(xiàn)到帶狀線(xiàn)穿透一層接地面的過(guò)渡做了深入的研究，文獻利用增加過(guò)渡處接地面孔洞上方的微帶線(xiàn)寬度和抑制寄生模的帶狀線(xiàn)屏蔽孔來(lái)改善過(guò)渡性能，最高頻率達35 GHz;文獻中通過(guò)在帶狀線(xiàn)下面增加“小地”實(shí)現過(guò)渡;文獻中采用“水滴”匹配，回波損耗得到改善，但因中心通孔直徑過(guò)大引起過(guò)渡結構體積較大。LTCC 多層結構電路經(jīng)常會(huì )被微帶到帶狀線(xiàn)過(guò)渡需要穿透多層接地面的問(wèn)題所困擾。本文嘗試對Ka波段LTCC微帶到帶狀線(xiàn)穿透兩層接地導體過(guò)渡結構進(jìn)行探討，給出微帶到上下偏置帶狀線(xiàn)正反走向過(guò)渡研究結果，為Ka波段MMCM的設計提供參考。

1 過(guò)渡結構設計

1. 1 設計考慮

介質(zhì)選用Ferro—A6S/M生磁帶，相對介電常數為5.9，損耗角正切0.002，每層生磁帶燒結后的厚度為0.096 mm。圖1為微帶到上偏置帶狀線(xiàn)穿透兩層接地面的過(guò)渡結構模型，過(guò)渡結構采用類(lèi)同軸線(xiàn)的方法，在中心通孔周?chē)幸蝗ζ帘谓饘巽y柱。其中微帶線(xiàn)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(xiàn)上下地之間八層生磁帶，上偏置帶狀線(xiàn)距上面地三層，距下面地五層。如圖2為該結構的左視圖，說(shuō)明了其層間關(guān)系，基板共厚14層，下偏置帶狀線(xiàn)距下面接地面三層，距上面接地面五層。上下偏置帶狀線(xiàn)在內層采用寬邊耦合實(shí)現寬帶耦合器，該過(guò)渡結構用于某Ka波段LTCC混頻器表層微帶線(xiàn)到內層耦合器的過(guò)渡連接。

圖1中淡顏色占六層生磁帶介質(zhì)的長(cháng)金屬銀柱用于約束微帶線(xiàn)傳輸的微波信號能量，使其在一圈屏蔽孔內良好傳輸過(guò)渡，淡顏色占微帶介質(zhì)的4個(gè)短金屬銀柱引導微波能量向類(lèi)同軸過(guò)渡結構過(guò)渡，深顏色長(cháng)銀柱在微帶地與底層接地之間，占11層生磁帶，防止微波信號向帶狀線(xiàn)方向能量傳輸損失，深顏色4個(gè)短銀柱帶狀線(xiàn)上下地之間，在帶狀線(xiàn)兩邊引導微波信號在帶狀線(xiàn)的良好傳輸。其俯視圖如圖3所示。

1.2 過(guò)渡結構仿真

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(guò)渡結構的體積。首先選擇中心通孔半徑α=65μm，為維持類(lèi)同軸線(xiàn)特性阻抗為50 Ω，適當調整外導體半徑b，接地面孔洞半徑c1，c2，發(fā)現b略小于相同內導體半徑的同軸線(xiàn)外導體半徑，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)得到結果如圖4所示，回波損耗大于20 dB的最高頻率可達36 GHz，最大插損0.2dB。

采用LTCC多層技術(shù)，可將部分微波無(wú)源器件在LTCC內層實(shí)現，表層為微帶線(xiàn)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組件的體積，針對此類(lèi)器件的互連問(wèn)題，筆者設計了如圖5所示的反向折回過(guò)渡結構，其介質(zhì)層和橫向俯視尺寸與正向微帶到上帶狀線(xiàn)過(guò)渡結構相同，即a，c0，c1，c2與微帶到上偏置帶線(xiàn)正向過(guò)渡相同。在無(wú)微帶

帶狀線(xiàn)半圈，圖中淡顏色屏蔽金屬銀柱占整個(gè)14層生磁帶基板，使微波信號向帶狀線(xiàn)良好傳輸，另一方面組成類(lèi)同軸結構實(shí)現與帶線(xiàn)阻抗匹配。在帶線(xiàn)一側半圈，在微帶接地與第二層接地之間設計屏蔽金屬銀柱用來(lái)防止過(guò)渡結構中微波信號在兩接地面之間激勵起寄生模式，如圖5中深色銀柱。仿真分析結果散射參數如圖6所示，回波損耗大于20 dB的最大頻率亦可達36 GHz。

微帶到下偏置帶狀線(xiàn)的過(guò)渡如圖7所示，為了得到良好的匹配，類(lèi)同軸的外徑2b也較上偏置帶狀線(xiàn)減小，中心通孔半徑a，“水滴”半徑c0，接地面孔洞半徑c1，c2無(wú)變化。因為中心通孔長(cháng)度增加，細通孔主要表現出電感特性，寄生電感增大，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(xiàn)反向折回過(guò)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(xiàn)過(guò)渡結構相同，即中心通孔半徑a，類(lèi)同軸外徑2b，“水滴”半徑c0，接地面孔洞半徑c1，c2無(wú)變化。從仿真結果圖10得出，有良好的傳輸性能最高工作頻率大于30 GHz。

2 分析與比較

為了和參考文獻報道的過(guò)渡結構進(jìn)行比較和說(shuō)明，將其主要參數列于表1。從列表中看出，本設計在最高頻率和性能上與國內外水平相當，在層數和結構上有所增加改變。

3 結論

該過(guò)渡結構采用類(lèi)同軸和“水滴”匹配的方法，電磁仿真設計表明可實(shí)現毫米波穿過(guò)兩層接地面正反向均良好傳輸，可在LTCC中實(shí)現內層微波無(wú)源器件到表層微帶的靈活互連過(guò)渡。該過(guò)渡結構已用于某Ka波段LTCC混頻器的實(shí)驗，實(shí)際應用表明該過(guò)渡結構具有插損小、結構簡(jiǎn)單、過(guò)渡連接靈活的特點(diǎn)，達到了高集成度的設計要求。