多种宽带传输结构的研究与分析

赵逸涵，史源，钱兴成

（单片集成电路与模块国家重点实验室，南京电子器件研究所，南京210016）

多种宽带传输结构的研究与分析

赵逸涵，史源，钱兴成

（单片集成电路与模块国家重点实验室，南京电子器件研究所，南京210016）

针对宽带高频组件的发展趋势，研究了三种不同的适用于宽带高频信号的传输结构。主要介绍了三种传输结构的设计方案，并利用HFSS软件对传输结构进行仿真优化，最后进行了实物分析验证。经过测试，在宽带高频信号下，三种结构均有比较良好的电性能传输特性。该测试结果表明，宽带高频组件的设计中可以根据实际需求运用多种传输结构实现较高的性能指标，具有广泛的应用前景。

宽带高频；传输结构；HFSS仿真

1 引言

随着射频技术的不断发展，信号频段越来越高，频带也越来越宽，对射频微波组件的要求也随之提高，高集成化、小型化等都是未来组件的发展方向。传统的微带传输结构不能解决宽带小型化设计中的所有问题。多模块之间宽带信号的传输过渡以及模块内部宽带信号的传输等问题是宽带高频组件设计过程中必须要解决的一个问题。宽带信号的传输质量对组件整体性能起着非常重要的作用。但目前关于宽带传输的电路结构研究还不多，具体用于实际工程应用中的更是有限[1]。

所以本文对宽带高频传输结构进行了探索，对不同结构宽带信号传输的插损、驻波等主要指标进行了分析，提供了多种在工程实际中可以应用的宽带信号传输的解决方法，为宽带射频组件的小型化、集成化提供了一个研究方向。

2 多种传输结构分析

2.1 空气腔过渡及共面波导结构

在射频微波组件中，经常会遇到多个模块的对接问题。为了解决这个问题，一般要采用SMP结构的射频连接器来完成多模块间的信号互联，可以在节省体积的同时也保证互联处的机械强度，有利于组件的小型化设计。但是单纯的SMP射频连接器结构在高频、宽带信号下的表现并不理想，主要表现在传输损耗较大，带内平坦度不够好，插入损耗在宽带、尤其是超宽带信号下存在突变点等。因此需要对该结构进行优化，提高射频连接器在高频、宽带下的性能。

图1 SMP连接器传输机构侧视图和俯视图

图1 所示为改进后的SMP连接器的传输结构示意图。相比于传统的SMP直接与微带线相连接的结构，这里在SMP连接器的针的末端增加了一个空气腔结构。通过空气腔与SMP射频接头的内导体来模拟近似一个同轴传输线，提高接头在高频宽带信号下的性能。

同轴线的内导体半径为a，外圈半径为b，介电常数为εr，根据式（1）、（2）可以求得同轴传输线TE10模的截止频率：

通过HFSS仿真优化设计，空气腔的长度为0.8mm，直径为1 mm。SMP内导体的末端焊接在微波电路板上，相比于传统结构，本次改进的结构中还在与针相连的部分采用了一段共面波导结构。其中电路板采用的是RT/Duroid5880介质板，厚度为0.254 mm，通过仿真设计将共面波导的地孔直径设为0.5 mm，共面波导两边的地与中间的金属微带间距设为0.5 mm。地孔之间的距离设为0.8 mm。图2所示为该传输结构尺寸示意图。

图2 SMP连接器传输结构尺寸示意图

这里采用共面波导有几个方面的优势，一个是相比于微带，共面波导的驻波特性更好，对信号的反射相对较小；二是多了两排地孔，可以使SMP射频连接器附近的接地效果更好，保证射频连接器、盒体、电路板之间接地的连续性，提高信号传输的质量。

该结构的仿真结果如图3所示，可以看出该SMP传输结构在18～45 GHz的频带内，S11小于-20 dB，S21大于-0.5 dB，在宽带高频信号下表现比较好。因此该结构可以应用于宽带高频的信号传输。

图3 SMP结构仿真结果

2.2 微波多层电路板中的信号传输及平面过渡结构

为了解决组件小型化设计的问题，微波多层电路板的应用势在必行。将传统的平面结构转变为多层立体结构，同时也对信号的传输提出了较高的要求。微带传输线并不能直接应用于多层电路板的信号传输，在不同结构之间信号需要经过过渡结构来保证信号传输的连续性。

基片集成波导（SIW）结构，上下表面均为金属化层，在介质基片中间隔一定距离制作两排金属化通孔。于是在上下金属面和两排金属化通孔之间就形成了一个类似矩形波导的结构。基片集成波导的两排金属化通孔构成了波导的窄边，上下表面的金属层构成了波导的两个宽边，电磁波在介质基片左右两排金属化通孔和上下金属面所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导的场模式传输，因此有高Q值、低差损、尺寸小、辐射低、易集成、易于实现等优点，在微波多层电路板中有比较广泛的应用，包括滤波器、功分器、移相器等。因此SIW和微带的过渡结构对于微波多层电路的设计有重要的作用和影响[2]。

基片集成波导的介质板厚度为h，介电常数为εr，金属化通孔直径为d，周期为s，两排金属化过孔圆心之间的距离为ω，等效为波导宽边为a，窄边为b的矩形波导。根据文献[4～5]可以推得TE10模的截止频率与波导尺寸的关系式如下：

而在填充介质的介电常数为εr的矩形波导中，模的TE10截止频率为：

联立式（3）、（4），可以得到在相同主模截止频率、相同介电常数下，基片集成波导和矩形波导的近似对应关系。

因此，在设计基片集成波导结构的时候，等效公式可以写成如下形式：

其中，leff和ωeff为基片集成波导的等效长边长度和等效宽边长度。但是传统的SIW和微带过渡的结构在宽带传输特性上并没有优势，相反，由于SIW结构存在截止频率等问题，很难直接用于传输宽带信号[3]。因此，本文在这里探索设计了一个基于基片脊波导（RSIW）的平面传输结构。如图4所示，在该结构中，采用了两层RT/Duroid6010介质板，介电常数为10.2，其中一层厚度为0.254 mm，一层厚度为0.625 mm，两层介质板中间采用厚度为0.1 mm的RO3010半固化片粘接，介电常数为10.2。

其中上层是由矩形金属区、微带线以及微带到RSIW的梯形过渡区组成，在矩形金属区的两侧是两排金属化通孔阵列，从top层到bottom层。在两侧微带以及过渡结构的正下方，第一块介质板的下表面即Middle1层均覆上铜，来提高结构的接地效果。如图5所示，在第二块介质板的上表面即Middle2层加一个金属条，并且在金属条上和两端制作出从Middle2层到Bottom层的埋孔。

相比于传统的SIW结构，这种改进型结构通过增加中间的金属条拓展了传输带宽。这里传输线两侧的金属化通孔直径设为0.4 mm，通孔之间的孔距为1.58 mm，两排通孔之间的距离为4.4 mm，中间的金属条宽度为1.4 mm，中间埋孔的直径为1.12 mm。

图4 RSIW传输结构

图5 RSIW传输结构图

仿真时，通过调节金属带的宽度及梯形过渡区的长度和宽度来优化仿真设计，提高宽带传输特性。仿真测试结果如图6所示，从图中可以看出，在6～22 GHz带宽内性能指标良好，回波损耗小于-10 dB，差损小于1 dB，且可以看出带内的平坦度等指标均比较好。通过RSIW结构使得信号在介质板的板间传输，可以提高信号的隔离度且减少信号的空间泄露，因此在宽带射频组件中有广泛的应用。

图6 RSIW传输结构仿真结果

2.3 微波多层电路板中的垂直过渡结构

与传统平面微波电路板相比，多层微波板由于是三维立体结构电路，因此需要大量应用到垂直过渡结构用于信号在板间不同层的传输。微带到微带的垂直过渡，微带到带状线的垂直过渡等在微波多层电路板中应用都比较广泛，本文也对该结构进行了相关的仿真设计。

如图7所示是该垂直过渡结构的设计结构图。在该结构中采用两块0.254 mm厚的RT/Duroid6002介质板，介电常数为2.92，中间用一块0.1 mm厚的RO4450F半固化片粘接而成，介电常数为3.52。该过渡结构主要由微带和中间的垂直通孔以及中间的带状线等几部分组成。其中，在垂直过孔周围设置一圈地孔来等效同轴传输结构，通过调节周围地孔的位置以及中间金属化过孔的直径等参数来优化设计。在传输线两侧增加两排地孔，提高信号传输的质量。

图7垂直过渡结构示意图

图8 所示为垂直过渡结构的HFSS仿真结果。从仿真结果图可知该结构在整个DC-42 GHz频带内，传输损耗小于0.5 dB，输入输出驻波小于-15 dB。

图8 垂直过渡结构仿真结果

从理论上看，该结构可以应用于超宽带射频信号在微波多层电路板中的垂直过渡传输，提高宽带组件的集成度。

3 测试结果

图9所示为SMP空气腔过渡结构在实际射频组件应用中的实物制作图。其中方框部分为过渡结构。

图9 SMP过渡结构实物照片

图10 所示为该SMP结构在微波宽带组件中应用时的测试结果，从图中可以看出在23～41 GHz的整个频带内，驻波最差的地方不超过1.9，没有存在明显的驻波异常的地方。同时试验过程中同时安装了多个SMP结构，发现不同接头之间的驻波比一致性较好，在实际的工程应用中可以广泛使用在高频宽带单通道及多通道组件中。

图10 SMP结构测试结果

测试时为了模拟实际组件应用中的状况，还制作了两个相同的SMP传输结构，中间使用了SMP-KK的射频连接器进行对接。测试结果如图11所示，可以看到在整个400 MHz～43.5 GHz的带宽内，驻波均小于2，插入损耗在3 dB以下。该测试结果差于理论仿真值，这与测试仪器接头的误差以及SMP-KK本身的性能均有关，最终结果虽与理论值有出入，但是总体水平良好，该传输结构可以应用于实际工程中。

图12、图13所示为垂直过渡结构的实物照片和测试曲线，从图中可以看出在1～18 GHz的频率带宽内，驻波小于2.5，差损小于1.5 dB，与前文的仿真结果基本吻合。但是在18 GHz以后发现差损明显变大，且输入输出驻波均变差，与仿真结果有较大出入，通过分析判断，主要原因是电路板两端和盒体以及接头之间的地接触不够好，不能保证地的连续性，因此会在宽带高频信号下表现较差。此外，由于工艺水平的限制，电路板加工精度包括金属化孔的直径、焊盘半径、位置等也会对最终测试结果产生影响。所以关于该结构，以目前的实验结果来看，可以应用到18 GHz的工作频率，但完成和优化适合当前加工工艺水平的仿真设计是下一步的工作计划。

图12 垂直过渡结构实物照片

图13 垂直过渡结构测试结果

4 结论

随着宽带、超宽带微波射频组件的应用越来越广泛，对信号传输性能的要求也不断提高，因此，本文对三种宽带高频信号传输结构进行了研究，这三种结构可以应用于宽带高频微波电路的不同情况。其中SMP空气腔过渡结构可以应用于多个模块对接过程中的信号传输；RSIW结构过渡可以应用于微波多层电路板中宽带信号的平面传输和过渡；垂直过渡结构则可以应用在微波多层电路板中宽带信号的三维立体传输。综合仿真设计、实物制作和测试结果，可以得出结论：这几种传输结构均适用于实际工程中的宽带高频信号传输，具有易用性与可实现性。

[1]杨驾鹏,周骏,沈国策,吴璟,沈亚,蔡茂.TSV垂直传输结构的射频特性研究[J].固体电子学研究与进展，2016(3): 213-216.

[2]YCassivi,Perregrini,PBressan,K Wu,G Conciauro. Dispersion Characteristics of Substrate Integrated Rectangular Waveguide[J].IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.2002,12(9):333-335.

[3]R Kazemi1,R A Sadeghzadeh1,A E Fathy.Design of a Wideband eight-way Compact SIW Power Combiner Fed by a Low Loss GCPW to SIW Transition[J].Progress in Electromagnetics Research C,2012(26):97-110.

[4]R Kazemi,A E Fathy.Design of single-ridge SIW power dividers with over 75%bandwidth[J].IEEE MTT-S Int. Microw.Symp.Dig.,Tampa,FL,USA,2014:1-6.

[5]H Li,W Hong,et al.Substrate integrated waveguide based on LTCC[C].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Philadelphia,USA:IEEE,2003:2045-2048.

Research and Analysis of Several Wide-Band Transmission Structures

ZHAO Yihan,SHI Yuan,QIAN Xingcheng
（National key laboratory of integrate circuits and module,Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016,China）

Proceeding from the development path of wide-band and high-frequency components,the paper conducts certain researches and presents designs of three different transmission structures for wide-band and high-frequency signal.The HFSS software is used to stimulate and optimize the structure of transmission.Three structures of transmission are verified and analyzed practically.After tests,three structures all have a high electronic quality.The structures can be applied flexibly in scenarios with various requirements to achieve higher electronic performance in the design of the wide-band and high frequency components.The structures willbe widely applied in many fields.

wide-band and high-frequency;transmission structure;HFSS stimulation

TN603

A

1681-1070（2017）07-0043-05

赵逸涵（1992—），男，江苏南京人，2014年毕业于武汉理工大学电子与科学技术专业，现为南京电子器件研究所在读硕士研究生，从事宽带微波射频电路研究。

2017-3-31