一種基于LTCC技術毫米波垂直互連過渡結構設計

賈文強，陳建榮

（西安空間無線電技術研究所 陜西 西安 710100）

一種基于LTCC技術毫米波垂直互連過渡結構設計

賈文強，陳建榮

（西安空間無線電技術研究所 陜西 西安 710100）

為了實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LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)微帶到帶狀線穿透兩層接地導體的正反向過渡結構。該結構采用類同軸和“水滴”匹配的方法，結合高頻電磁軟件仿真及測試實驗，結果表明，該14層LTCC結構能實現良好傳輸的最高頻率可達36 GHz，可實現Ka波段毫米波微帶到內層帶狀線的靈活過渡。

毫米波；LTCC；類同軸；“水滴”匹配；多層接地面

用LTCC技術實現微波器件具有結構緊湊，損耗小，體積容量大等特點。該技術將多層陶瓷介質薄片和印刷技術結合，還具有低的燒結溫度。LTCC多層技術可將傳輸線和微波電路在不同層排布，從而實現了各種微波、毫米波傳輸線和直流信號線等的混合多層設計，大大提高了微波毫米波組件的空間密度。LTCC技術成為微波多芯片組件（microwave multichip module,MMCM）設計中的關鍵技術。LTCC技術在毫米波波段的應用存在的問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了更多的寄生效應，甚至激勵起了電磁場的寄生模式，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渡模型將是設計者面臨的一項新的亟待解決的任務。層間互連特性直接影響到整個組件的電磁性能。

國內外已有許多學者對共面波導到帶狀線[1]、微帶線到帶狀線[2-4]穿透一層接地面的過渡做了深入的研究，文獻[2]利用增加過渡處接地面孔洞上方的微帶線寬度和抑制寄生模的帶狀線屏蔽孔來改善過渡性能，最高頻率達35 GHz；文獻[3]中通過在帶狀線下面增加“小地”實現過渡；文獻[4]中采用“水滴”匹配，回波損耗得到改善，但因中心通孔直徑過大引起過渡結構體積較大。LTCC多層結構電路經常會被微帶到帶狀線過渡需要穿透多層接地面的問題所困擾。本文嘗試對Ka波段LTCC微帶到帶狀線穿透兩層接地導體過渡結構進行探討，給出微帶到上下偏置帶狀線正反走向過渡研究結果，為Ka波段MMCM的設計提供參考。

1 過渡結構設計

1.1 設計考慮

介質選用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穿透兩層接地面的過渡結構模型，過渡結構采用類同軸線的方法[2-5]，在中心通孔周圍有一圈屏蔽金屬銀柱。其中微帶線介質三層生磁帶，其次中間兩層接地面之間為三層生磁帶介質，帶狀線上下地之間八層生磁帶，上偏置帶狀線距上面地三層，距下面地五層。如圖2為該結構的左視圖，說明了其層間關系，基板共厚14層，下偏置帶狀線距下面接地面三層，距上面接地面五層。上下偏置帶狀線在內層采用寬邊耦合實現寬帶耦合器，該過渡結構用于某Ka波段LTCC混頻器表層微帶線到內層耦合器的過渡連接。

圖1 微帶到上偏置帶狀線過渡Fig.1 Microstrip to up offset stipline transition

圖2 過渡結構左視圖Fig.2 Transition structure left view

圖1 中淡顏色占六層生磁帶介質的長金屬銀柱用于約束微帶線傳輸的微波信號能量，使其在一圈屏蔽孔內良好傳輸過渡，淡顏色占微帶介質的4個短金屬銀柱引導微波能量向類同軸過渡結構過渡，深顏色長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方向能量傳輸損失，深顏色4個短銀柱帶狀線上下地之間，在帶狀線兩邊引導微波信號在帶狀線的良好傳輸。其俯視圖如圖3所示。

圖3 過渡結構俯視圖Fig.3 Transition structure vertical view figure

1.2 過渡結構仿真

仿真表明，小的中心通孔半徑a可以獲得小的插損，還可減小過渡結構的體積。首先選擇中心通孔半徑a=65 μm，為維持類同軸線特性阻抗為50 Ω，適當調整外導體半徑b，接地面孔洞半徑c1，c2，發現b略小于相同內導體半徑的同軸線外導體半徑，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0.2 dB。

圖4 微帶到上偏置帶狀線過渡散射參數Fig.4 The scatter parametrtof microstrip to up offset stipline transition

采用LTCC多層技術，可將部分微波無源器件在LTCC內層實現，表層為微帶線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，針對此類器件的互連問題，筆者設計了如圖5所示的反向折回過渡結構，其介質層和橫向俯視尺寸與正向微帶到上帶狀線過渡結構相同，即a，c0，c1，c2與微帶到上偏置帶線正向過渡相同。在無微帶帶狀線半圈，圖中淡顏色屏蔽金屬銀柱占整個14層生磁帶基板，使微波信號向帶狀線良好傳輸，另一方面組成類同軸結構實現與帶線阻抗匹配。在帶線一側半圈，在微帶接地與第二層接地之間設計屏蔽金屬銀柱用來防止過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。

圖5 反向微帶到上偏置帶狀線過渡結構Fig.5 Microstrip to up offset stipula line back transition

微帶到下偏置帶狀線的過渡如圖7所示，為了得到良好的匹配，類同軸的外徑2b也較上偏置帶狀線減小，中心通孔半徑a，“水滴”半徑c0，接地面孔洞半徑c1，c2無變化。因為中心通孔長度增加，細通孔主要表現出電感特性，寄生電感增大[6]，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。

下偏置帶狀線反向折回過渡如圖9，其介質層和橫向俯視尺寸與正向微帶到下帶狀線過渡結構相同，即中心通孔半徑a，類同軸外徑2b，“水滴”半徑c0，接地面孔洞半徑c1，c2無變化。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。

圖6 反向上偏置帶狀線過渡散射參數Fig.6 The scatter parameter of microstrip to up offset stip line back transition

圖7 微帶到下偏置帶狀線過渡結構Fig.7 Microstrip to down offset stipline transition

圖8 微帶到下偏置帶狀線過渡散射參數Fig.8 The scatter parameter of microstrip to down offset stip line transition

圖9 反向微帶到下偏置帶狀線過渡結構Fig.9 Microstrip to down offset stipula line back transition

圖10 反向下偏置過渡散射參數Fig.10 The scatter parameter of microstrip to down offset stip line back transition

2 分析與比較

為了和參考文獻報道的過渡結構進行比較和說明，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。

表1 過渡結構比較Tab.1 Transition structure com parison

3 結論

該過渡結構采用類同軸和“水滴”匹配的方法，電磁仿真設計表明可實現毫米波穿過兩層接地面正反向均良好傳輸，可在LTCC中實現內層微波無源器件到表層微帶的靈活互連過渡。該過渡結構已用于某Ka波段LTCC混頻器的實驗，實際應用表明該過渡結構具有插損小、結構簡單、過渡連接靈活的特點，達到了高集成度的設計要求。

[1]Simon W,Kulke R,Wien A.Design of passive component for K-band communication modules in LTCC enironment[C]//IMAPS International Microelectronics and Package Society Sumposium,1999:183-188.

[2]Rosine Valois,Dominique Baillargeat.High performances of shielded LTCC vertical transitions from DC up to 50 GHz[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(6):2026-2032.

[3]徐鑫.LTCC毫米波集成傳輸線的過渡及寄生模式的分析與建模[D].成都：電子科技大學，2009.

[4]王正偉.基于LTCC技術的微波毫米波收發組件研究[D].成都：電子科技大學，2012.

[5]張肇儀，周樂柱，吳德明等譯.微波工程[M].北京：電子工業出版社，2006:45-47.

[6]王子宇，王心悅，等譯.射頻電路設計-理論及應用[M].2版.北京：電子工業出版社，2013.

咨詢編號：2015101002

A millimeter microwave vertical interconnect transition structure design based on LTCC technology

JIA Wen-qiang,CHEN Jian-rong
（Xi’an Space Radio Technology Research Institute,Xi’an 710100，China）

In order to realize the multilayer,three-dimensional,and highly integrated designing of MMCM(Microwave Multichip Module),a Ka-band LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)microstrip to stripline front and back transition structure of penetrating through two layer grounding conductor is proposed.The structure uses the quasi-coaxial line and “water droplet shape”matching method,combining with the simulation of HFSS (High Frequency Structure Simulator)and measurement,the result indicate that the maximal frequency at which the 14 layers LTCC structure can transport electromagnetic wave well reach 36GHz.It can be flexibly used to Ka-band millimeter microwave microstip to stripline transition.

millimeter microwave;LTCC;quasi-coaxial line;“water droplet shape”matching；multi-layer grounding conductor

TN454

A

1674－6236（2015）10-0086-03

2014-06-10 稿件編號：201406068

賈文強(1989—)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生。研究方向：空間微波技術。