一种适用于超宽带通信的微带垂直转换结构

申振宁 庄奕琪 曾志斌

①(西安电子科技大学微电子学院 西安 710071)

②(武警工程大学通信工程系 西安 710086)

1 引言

与传统无线通信技术相比超宽带(Utra Wide-Band, UWB)通信具有低功耗、高速率和大容量等诸多优点，得到了研究人员的广泛关注[1]。随着消费类电子的发展，需要在移动电话或掌上电脑上集成UWB电路以实现低功耗、高速率的无线个域网[2]。在实际的高密度印刷电路板(Printed Circuit Boards, PCB)中，信号线不可避免地会使用过孔进行信号层的转换以实现系统互连。然而随着信号频率进入微波频段，多层 PCB中的电源与地平面对(Power Groud pair, PG)相当于一个谐振腔。当信号频率与谐振频率一致时，就会在PG结构中激励起谐振场，从而导致严重的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)问题和信号完整性(Signal Integrity, SI)问题[3,4]。而典型尺寸的PCB结构，会有多个谐振频率包含于3.1-10.6 GHz的UWB工作频段。因此，为了确保UWB信号发送和接收质量，应使得信号线垂直互连结构的插入损耗尽可能小。文献[5-7]使用空腔耦合的方法来实现UWB电路低损耗的垂直互连，但这些方法较难应用于标准的多层PCB设计中。在传统的PCB设计中可通过在过孔附近添加去耦电容来提供额外的信号返回路径，从而改善信号传输质量[3]。但由于引线电感、过孔电感以及电容本身的寄生电感的存在，使得去耦电容很难用于2 GHz以上的频段。文献[8-10]中，在PG结构之间添加短路过孔来抑制PG结构的谐振并提供额外的信号返回路径，但该方法需添加额外的电源平面，进而增加了设备成本。

近年来，一些学者将电磁带隙(Electromagnetic Band-Gap, EBG)结构应用于PCB或封装的PG结构中，利用其高阻抗特性来抑制PG结构中的地弹噪声，从而提高电路或封装的电磁兼容性[11]。相关研究主要集中于如何增大抑制带宽[12−15]、减小单元尺寸[16]、及EBG结构对信号完整性的负面影响[17,18]等方面。文献[19]指出，垂直互连中过孔的不连续性可使用PG结构在过孔处的自阻抗来描述，由于PG结构在谐振频率处的自阻抗很大，因此使用过孔的垂直互连在谐振频率附近插入损耗较大。而EBG结构在其带隙范围内可有效抑制PG结构谐振，并提供一低阻抗电源分配网络。因此，可通过合理设计EBG结构和尺寸，使其带隙范围覆盖超宽带通信所用的3.1-10.6 GHz频带，然后在过孔附近的电源平面放置EBG结构，则可有效降低3.1-10.6 GHz范围内PG结构在过孔处的自阻抗，从而改善微带垂直互连的传输特性。与传统的在PG结构之间添加短路过孔的方案相比，本方法可在确保传输质量的前提下，减少了布线层数，降低了设备制作成本。

2 设计方案

2.1 具体结构

图1 总体设计结构

用于多层PCB中的EBG单元主要有蘑菇型[17]和共面紧凑型两种结构[12−16]。蘑菇型结构在制作过程中需要埋盲孔和额外的布线层，增加了设计成本，因此本文中使用制作较为简单的共面紧凑型 EBG结构。图1(a)为可适用于UWB电路的垂直互连结构图，对应的PCB叠层情况如图1(b)所示。顶层和底层为信号走线层，中间两层分别为地线层和电源层，各层之间使用相对介电常数er=4.4的 FR4介质材料进行隔离。除了给整个系统供电外，电源层和地线层还作为电路中高速信号的返回路径。图中a=40 mm,b=80 mm分别为PG结构的宽度和长度，d=0.4 mm为电源层与地层的垂直距离，W=0.4 mm为信号线的宽度，t=0.035 mm为导体材料的厚度，h1=h2=0.2 mm分别为顶层和底层信号线到PG结构的高度，端口1和端口2分别为UWB信号的发送和接收端口。垂直互连结构中使用的过孔结构如图1(c)所示，对应参数包括：过孔金属柱半径rv=0.15 mm，过孔焊盘半径rp=0.25 mm，过孔与PG结构之间的反焊盘半径ra=0.35 mm，过孔垂直高度hv=0.87 mm。

与传统的连续电源平面不同，本设计在过孔附近的电源平面放置了一个 EBG单元，具体如图 2所示。为了保证微带线通过EBG单元时的信号传输特性，使用图2(b)所示的 EBG结构，这样微带线可从EBG单元与电源平面之间的连接线下方通过，以维持阻抗和电流返回路径的连续性。由于电源平面还要作为其他高速信号的返回路径，因此本设计中使用了部分放置 EBG单元方法，而未使用文献[12-16]中在整个电源平面上放置 EBG 单元策略。具体参数包括：走线起点坐标(x1,y1)=(20,10)，过孔位置坐标(x2,y2)=(20,40)，走线终点坐标(20,70)，实线表示顶层信号走线，虚线表示底层信号走线；EBG单元大小bG=12 mm，不含空隙单元大小aG=11.4 mm, EBG单元与电源平面之间的空隙宽度g=0.3 mm，连接线长度L2=3 mm，连接线宽度W1=0.6 mm，连接线与EBG单元之间的距离W2=0.6 mm。

2.2 带隙的估计

图3为PG结构中EBG部分的集总等效电路，CP和LP分别为EBG单元中贴片部分的电容和电感，Lb为 EBG 单元和电源平面之间的连线电感，Cg为EBG单元与电源平面之间的耦合电容。其中LP=。根据2.1节中EBG结构参数，使用式(1)和式(2)可估算出阻带的上限频率为14.1 GHz，下限频率为2.2 GHz，包含了3.1-10.6 GHz的UWB频段[20]。

图2 电源平面示意图和EBG单元结构图

图3 EBG部分等效电路模型

为了比较EBG结构与传统连续PG结构的噪声抑制性能，使用全波有限元仿真工具Ansoft®HFSS对图2中蚀刻有EBG单元的PG结构和连续电源平面的PG结构进行了仿真对比，其中端口1坐标为(20,40)，端口2坐标为(20,50)，两端口之间的散射参数S21如图4所示。使用HFSS仿真得到的阻带上限频率为9.95 GHz，下限频率为2.52 GHz。在阻带范围内蚀刻有EBG单元的PG结构抑制了电源与地平面之间的谐振，从而可改善微带垂直互连的传输特性。与使用式(1)，式(2)计算得到的结果相比，下限频率比较接近，而上限频率误差较大。主要原因在于当频率高于10 GHz时，EBG单元大小已接近电磁波的波长，因此不能再使用图3所示的集总器件进行等效，此时可使用传输线矩阵法或谐振模型来估计上限频率。

2.3 网络分析方法

图4 两种PG结构HFSS仿真结果

图1中的信号传输路径可等效为如图5所示的4部分级联，根据串联结构特点，在此使用传输矩阵进行计算。ATL1,ATL2分别代表顶层微带线和底层微带线的传输矩阵。使用ZS模拟实际导体所引起的损耗，相应的传输矩阵用AZS表示。APG代表过孔所对应的传输矩阵，其中La1和La2表示返回路径上反焊盘的存在所导致的额外电感，C1和C2表示过孔与PG结构之间的耦合电容，使用PG结构在过孔处的自阻抗Zpp来描述过孔与PG结构之间的相互作用。则整个系统的传输矩阵可由式(3)得出

图5 等效网络模型

b1和b2分别为顶层微带线和底层微带线所对应的电长度，Z0为微带线的特征阻抗，APG和ZS分别由式(4)和式(5)确定：

3 仿真与结果测量

为了验证网络分析方法和设计的有效性，制作了如图6(a)所示的电路板以测试分析。图6(a)中电路板上包括了两种结构，上方为传统的连续PG结构，下方为本文设计的在电源平面上过孔附近蚀刻EBG单元的PG结构，具体参数与图1和图2所示的电路板结构和EBG单元尺寸保持一致，使用矢量网络分析仪来测试端口1和端口2之间的插入损耗。矢量网络分析仪为安捷伦 E5071C，测试带宽为 8 kHz-8.5 GHz，测试前使用电子校准件 Agilent 85093-60010进行全频段的校准。测试结果如图6(b)所示，为了验证上节所使用的网络分析方法的有效性，图中也给出了两种结构的网络分析结果。从图6(b)可以得出，使用电源平面蚀刻有EBG单元的微带垂直互连结构在 3.1-10.6 GHz内可很好地抑制PG结构的谐振，与传统的PG结构相比，传输特性有很大的改善。与文献[10]中所使用的添加短路过孔方法相比，本文方法可在3.1-10.6 GHz范围内保持相同的传输特性的前提下减少了1个布线层，从而降低了设备成本。网络分析方法结果与测试结果吻合得相当好，实际中可先设计PG结构，然后使用网络分析方法来验证垂直互连是否满足要求。

为了单独描述垂直互连结构的插入损耗，使用文献[21]中的去嵌入(de-embedding)方法可得到过孔的插入损耗，具体结果如图7所示，图中也给出了两种电源结构在过孔处的自阻抗以说明插入损耗与PG结构在过孔处自阻抗之间的关系。由于蚀刻有EBG单元的PG结构在3.1-10.6 GHz之间自阻抗较小，并能很好抑制PG结构谐振，因此当信号从顶层经由过孔转换至底层时，PG结构能够提供较小阻抗的电流返回路径，从而提高了垂直互连结构的传输特性，减小了插入损耗。图7中蚀刻有EBG单元的互连结构中由过孔所引起的插入损耗在整个UWB频段内小于0.4 dB，另外也抑制了PG结构的谐振，从而提高了整个系统的电磁兼容性。传统垂直互连结构在PG结构谐振频率处的插入损耗可高达2 dB，当电路使用的UWB脉冲处于PG结构的谐振频率附近时，会造成脉冲幅度和相位恶化，进而降低系统性能。

4 结束语

由于超宽带信号的功率谱密度很低，信号很容易受到其他噪声源的干扰。过孔作为一种最为常见的垂直互连结构，会引入PG结构中的噪声，造成信号传输性能下降[22]。本文通过在过孔附近的电源平面蚀刻一定大小的 EBG单元来抑制 PG结构谐振，并使PG结构在过孔处具有较低的自阻抗，从而提高垂直互连的传输特性，减小外界噪声对UWB信号的干扰。针对电路结构特点，本文提出了一种可快速估算插入损耗的网络分析方法。仿真和实物测试表明，本文所提出的垂直互连结构在整个UWB频段内插入损耗小于0.4 dB。与其他垂直互连结构相比，本方法具有适合PCB布线，成本低等优点，同时也适用于微带线与带状线之间的垂直互连。

图6 PCB实物与测试分析结果

图7 过孔插入损耗

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