X波段微波垂直互連電路設計

王光池　劉建勇　陳興國

摘 要 低溫共燒陶瓷（LTCC）是實現微波組件輕小型化、高密度組裝的理想互連和組裝技術。文中介紹了兩種基于LTCC技術的微波垂直互連結構。利用三維電磁仿真軟件HFSS建立了垂直互連的仿真模型，并在X波段對其進行仿真和優化。根據優化的結果，完成了設計加工。實物的測試結果和仿真結果較為吻合。

關鍵詞 X波段；LTCC；垂直互連；建模仿真

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0023-03

隨著單片集成電路、新型基板材料和微組裝技術的高速發展，固態有源相控陣雷達技術在軍用及民用電子設備中得到了廣泛的應用。隨著相控陣技術在艦載、機載以及星載等平臺中的應用，其體積、重量和可靠性等指標越來越受到關注。因此相控陣雷達對天線的性能、功能和體積、重量也提出更高的要求，需要采用片式的有源陣列天線。相對于傳統磚塊結構，片式有源陣列天線采用層狀組裝和高密度集成，因而具有剖面低、重量輕、集成度高、功率密度大、多功能、易擴充、易共形等特點[1]。采用多芯片組件（MCM）技術可使T/R組件的體積、重量大大減小，組件的集成度也相應提高。但常規的2D-MCM技術，因其布局形式仍為平面布局，因此電路布局尺寸受芯片數量及面積影響，無法再進一步縮小。在此基礎上發展而來的3D-MCM、多功能芯片等技術，可以使組件的集成度更高，能夠適應片式相控陣雷達天線陣面高密度布陣的要求。

新型的T/R組件要求結構緊湊、體積小，同時其內部還集成了大量的微波電路，邏輯控制控制電路及電源電路等。在組件設計過程中為了得到高性能的微波基板，我們還需要對LTCC基板的內部互聯特別是微波互連進行精心設計優化，使得其不僅具有良好的微波性能，并且避免設計不當引起的互耦、串擾、輻射等等影響電路性能及穩定的現象發生[2]。

本文以兩種典型的垂直互連結構作為實例，詳細介紹了的垂直互連電路設計方法及其具體過程。

1 垂直互連電路分析

LTCC技術由于良好的微波性能、低損耗、高集成度以及較為低廉的價格，使得其在微波組件中廣泛應用。LTCC在片式組件中的微波垂直互連應用有多種電路形式，這里主要介紹兩種結合典型的垂直互連電路及其仿真設計。

微帶到帶線的垂直過渡中，采用金屬化通孔進行互連。而在微帶到同軸垂直轉換結構中，微帶和同軸的中心導體采用金絲互連。但不管是金屬化通孔還是金絲在微波頻段內都可以等效成為電感[3]。因此互連部分的等效電路如下圖：

圖1 互連部分等效電路

因此，微帶和互連部分進行連接時，相當于串聯一個電感，從而導致微帶的總電感量增加為：

此時，微帶的特征阻抗則變為：

而過渡外的微帶線特征阻抗為：

為了減少反射降低駐波，使得信號優良傳輸，保證阻抗匹配，需要在微帶的過渡端引入補償電容。此時阻抗為：

從而得到補償電容的為：

上述公式為一個近似的計算公式，并且電感的感值和電容的容值在不同的頻率下也會發生變化，因此無法得到準確的補償部分的準確解析值。但我們可以通過理論分析的結果，構建合理的補償電路形式，并建立電磁場仿真模型，采用三維全波電磁仿真軟件（HFSS）加以優化仿真得到滿足工程需要的結果。

2 建模與仿真

2.1 微帶到帶線結構

微帶和帶線間采用垂直通孔互連，其中垂直通孔與微帶和帶線直接常用的連接方式有以下3種：

方式1 方式2 方式3

圖2 垂直通孔與微帶的連接方式

根據文獻[4]，上述三種連接中，方式1的連接的微波傳輸特性最好，方式3的連接傳輸特性最差。連接1中的環狀擴展可以等效成一種容性補償，因此這一結果與前面的理論分析是一致的。

考慮到LTCC中導體加工精度和組件內部基板厚度及走線的要求。模型中微帶介質為3層Ferro A6的LTCC（單層LTCC燒結后約為96um），帶線為上下各4層共8層LTCC，其線寬可以由ADS中LineCal計算軟件等計算所得。其三維互連結構如圖3所示。

圖3 微帶到帶線仿真模型

微帶線和帶狀線在垂直互連處經過矩形微帶過渡通過環型擴展和射頻金屬孔進行互連。矩形過渡的長度設為，寬帶設為。環形擴展的焊盤的半徑設為。微帶的地層和帶線的上層地共用一層地，帶線的下層地為背面地。連接微帶線和帶狀線的垂直金屬化孔穿過共用地時，在共用地層需要開一個半徑為的孔。為了抑制寄生平行板模式帶來的輻射損耗，在射頻互連孔的周圍設置環形接地孔。接地孔距射頻孔的中心距離設為。

針對矩形過渡的長度，寬帶、補償的環形焊盤的尺寸、共用地層的開孔半徑以及接地孔到射頻孔中心距，就可以對該模型進行仿真和優化。

2.2 微帶到同軸結構

同軸連接器和微帶互連時，通常采用水平搭焊的方式。在這里我們介紹一種同軸連接器和LTCC微帶垂直互連結構的并對其仿真優化。

由于LTCC的金屬導帶不能直接進行錫焊，需要進行可焊性處理，由此帶來制作復雜和 互連結構中采用金絲壓接對微帶和同軸連接器中心導體進行互連。其具體的三維結構如圖4所示。

圖4 微帶到同軸仿真模型

模型中同軸連接器中心導體長度為1 mm，LTCC介質總共含有10層Ferro A6的單層介質。最上面兩層為微帶的介質層。微帶線導帶經過矩形的阻抗變換后通過金絲與同軸的中心導體互連，其中矩形過渡的長度設為，寬帶設為。通過焊接的方式我們將LTCC底面的大面積地和同軸連接器的地保持良好接觸，然后在微帶地和LTCC大面積地間通過金屬化的接地孔的方式進行互連，從而達到微帶地和同軸連接器的地的良好互連。同軸連接器中心導體周圍的接地屏蔽孔可以采用圓形環繞在其四周，從而形成擬同軸結構。其阻抗可以按照同軸線特性阻抗公式進行計算[5]：endprint