摘要：為了實(shí)現(xiàn)微波毫米波多芯片組件的多層立體高集成度設(shè)計(jì)，提出Ka波段JTCC(Low Temperature Co—Fired Ce—ramic)微帶到帶狀線穿透兩層接地導(dǎo)體的正反向過(guò)渡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用類(lèi)同軸和“水滴”匹配的方法，結(jié)合高頻電磁軟件仿真及測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該14層LTCC結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)良好傳輸?shù)淖罡哳l率可達(dá)36 GHz，可實(shí)現(xiàn)Ka波段毫米波微

帶到內(nèi)層帶狀線的靈活過(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(xiàn)微波器件具有結(jié)構(gòu)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(jié)合，還具有低的燒結(jié)溫度。LTCC多層技術(shù)可將傳輸線和微波

電路在不同層排布，從而實(shí)現(xiàn)了各種微波、毫米波傳輸線和直流信號(hào)線等的混合多層設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。LTCC技術(shù)在毫米波波段的應(yīng)用存在的問(wèn)題一方面是因?yàn)樵诤撩撞l段上電路結(jié)構(gòu)對(duì)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(hào)在LTCC這種多層的不連續(xù)傳輸結(jié)構(gòu)中帶來(lái)了更多的寄生效應(yīng)，甚至激勵(lì)起了電磁場(chǎng)的寄生模式，對(duì)其傳輸特性的研究變得異常復(fù)雜，所以在更高信號(hào)頻率上提出適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡模型將是設(shè)計(jì)者面臨的一項(xiàng)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(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)共面波導(dǎo)到帶狀線、微帶線到帶狀線穿透一層接地面的過(guò)渡做了深入的研究，文獻(xiàn)利用增加過(guò)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(lái)改善過(guò)渡性能，最高頻率達(dá)35 GHz;文獻(xiàn)中通過(guò)在帶狀線下面增加“小地”實(shí)現(xiàn)過(guò)渡;文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)體積較大。LTCC 多層結(jié)構(gòu)電路經(jīng)常會(huì)被微帶到帶狀線過(guò)渡需要穿透多層接地面的問(wèn)題所困擾。本文嘗試對(duì)Ka波段LTCC微帶到帶狀線穿透兩層接地導(dǎo)體過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，給出微帶到上下偏置帶狀線正反走向過(guò)渡研究結(jié)果，為Ka波段MMCM的設(shè)計(jì)提供參考。

1 過(guò)渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 設(shè)計(jì)考慮

介質(zhì)選用Ferro—A6S/M生磁帶，相對(duì)介電常數(shù)為5.9，損耗角正切0.002，每層生磁帶燒結(jié)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(guò)渡結(jié)構(gòu)模型，過(guò)渡結(jié)構(gòu)采用類(lèi)同軸線的方法，在中心通孔周?chē)幸蝗ζ帘谓饘巽y柱。其中微帶線介質(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(jié)構(gòu)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(nèi)層采用寬邊耦合實(shí)現(xiàn)寬帶耦合器，該過(guò)渡結(jié)構(gòu)用于某Ka波段LTCC混頻器表層微帶線到內(nèi)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(zhǎng)金屬銀柱用于約束微帶線傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)能量，使其在一圈屏蔽孔內(nèi)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(dǎo)微波能量向類(lèi)同軸過(guò)渡結(jié)構(gòu)過(guò)渡，深顏色長(zhǎng)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(hào)向帶狀線方向能量傳輸損失，深顏色4個(gè)短銀柱帶狀線上下地之間，在帶狀線兩邊引導(dǎo)微波信號(hào)在帶狀線的良好傳輸。其俯視圖如圖3所示。

1.2 過(guò)渡結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的體積。首先選擇中心通孔半徑α=65μm，為維持類(lèi)同軸線特性阻抗為50 Ω，適當(dāng)調(diào)整外導(dǎo)體半徑b，接地面孔洞半徑c1，c2，發(fā)現(xiàn)b略小于相同內(nèi)導(dǎo)體半徑的同軸線外導(dǎo)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(jié)果如圖4所示，回波損耗大于20 dB的最高頻率可達(dá)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(nèi)層實(shí)現(xiàn)，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(tǒng)組件的體積，針對(duì)此類(lèi)器件的互連問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了如圖5所示的反向折回過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)層和橫向俯視尺寸與正向微帶到上帶狀線過(guò)渡結(jié)構(gòu)相同，即a，c0，c1，c2與微帶到上偏置帶線正向過(guò)渡相同。在無(wú)微帶

帶狀線半圈，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(hào)向帶狀線良好傳輸，另一方面組成類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與帶線阻抗匹配。在帶線一側(cè)半圈，在微帶接地與第二層接地之間設(shè)計(jì)屏蔽金屬銀柱用來(lái)防止過(guò)渡結(jié)構(gòu)中微波信號(hào)在兩接地面之間激勵(lì)起寄生模式，如圖5中深色銀柱。仿真分析結(jié)果散射參數(shù)如圖6所示，回波損耗大于20 dB的最大頻率亦可達(dá)36 GHz。

微帶到下偏置帶狀線的過(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?yàn)橹行耐组L(zhǎng)度增加，細(xì)通孔主要表現(xiàn)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過(guò)渡結(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)報(bào)道的過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較和說(shuō)明，將其主要參數(shù)列于表1。從列表中看出，本設(shè)計(jì)在最高頻率和性能上與國(guó)內(nèi)外水平相當(dāng)，在層數(shù)和結(jié)構(gòu)上有所增加改變。

3 結(jié)論

該過(guò)渡結(jié)構(gòu)采用類(lèi)同軸和“水滴”匹配的方法，電磁仿真設(shè)計(jì)表明可實(shí)現(xiàn)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(xiàn)內(nèi)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(jié)構(gòu)已用于某Ka波段LTCC混頻器的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用表明該過(guò)渡結(jié)構(gòu)具有插損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)渡連接靈活的特點(diǎn)，達(dá)到了高集成度的設(shè)計(jì)要求。