准带线式板间UWB垂直互连研究

凌天庆

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

根据应用需求，雷达功能日益增多、工作频带越来越宽，雷达阵面需要频带宽、重量轻、体积小、可靠性高的集成综合馈电网络。目前，高频段综合馈电网络主要采用微波板、环氧板构成的混压多层板［1-2］实现，多层板的叠层结构一般是上面四层电路的微波板，中间多层低频电路的环氧板，下面四层电路微波板。多层板的板材之间采用半固化片需经过多次高温压合形成整板。上下微波板之间的微波信号具有互通关系，因此，必须解决多层印制板之间的超宽带微波信号垂直互连。

微波信号互连形式多样，最简易的信号互连形式是将需要连接的两条传输线直接通过单个金属化孔连接［3-4］。该形式只能用于低频段(3 GHz以下)及窄带宽的情形。用耦合器也可以实现信号的联通，但信号的带宽一样较窄。本文利用准同轴设计方法设计了一种中间导体互连信号，采用金属化孔在中心导体圆周边实现微波地屏蔽的垂直互连形式。该形式已经长期工程化应用。为了降低垂直互连的加工工艺难度，提出了一种准带线方法设计垂直互连的形式。本文的垂直互连主要针对纯微波多层板。

1 原理分析

雷达阵面综合馈电网络中常用的微波多层板叠层结构示意图，如图1所示。垂直互连实现两层带线间微波信号连通。

图1 微波多层板叠层结构

垂直互连理想形式为同轴线、带状线等传输TEM模微波信号的形式。同轴线形式演变成了准同轴垂直互连形式［5-6］，如图2所示。带线转换成准带线垂直互连形式，如图3所示。准带线垂直互连将带线内导体转化为连接微波信号的金属化孔，即图中右图的中间孔。带线的上下地层转换为图中右图的上下两排金属化接地孔。

图2 准同轴变换形式

图3 准带线转换形式

从原理上分析，常规带线首先转换为图4形式的圆柱内导体带线模型，然后，进一步转换为图3的全金属化孔实现的准带线形式。

图4 内导体为圆柱的带线

准带线模型中，地线采用了金属化孔实现，无法利用现有公式计算准带线阻抗。本文首先计算圆柱内导体带线的阻抗，然后利用软件实现阻抗逼近，达到阻抗匹配。

图4中，将带线内导体由金属薄铜带变换为金属圆柱，此时，带线内仍然传输TEM波，其特性阻抗表达式为［7］

式中:b为带线上下底板间距的一半;c为圆柱内导体的半径;λ值由下式求得。

通常，微波信号传输线的标准特性阻抗为50 Ω。圆柱内导体的半径确认后，则能利用数值分析法计算出带线的厚度。

圆柱内导体带线的内导体半径及带线厚度确定后，可以建立全金属化孔的准带线垂直互连的初步模型。中心孔的直径即内导体直径，两侧金属化孔的直径可以自由选择，但两侧孔的边缘间距即为带线的厚度，同侧孔的间距根据经验要小于最高工作频率的1/4波长值。

2 模型建立

多层印制板制作时，工艺要求孔与印制板的径厚比大于1∶10。为了制作方便，我们初定圆柱内导体的直径为0.4 mm，利用金属化孔实现。

根据式(1)、式(2)，可以计算出带线厚度的初值约为1.3 mm。利用Ansoft软件仿真计算同轴内导体带线的特性阻抗，如图5所示。从仿真结果看，同轴内导体带线的特性阻抗为50.4 Ω。理论计算与仿真计算的特性阻抗值基本一致。

图5 内导体为圆柱的带线仿真模型

当内导体直径，带线厚度初值确定后就可以建立板间带状线垂直互连的应用模型。为了提高垂直过渡的工作频率，微波板材不能选择较厚的板材。这里选择厚度为0.5 mm的微波板CLTE-XT-02055，介电常数为2.94。四层微波板通过固化片FR28-040热压形成两层带状线电路，通过软件可计算出带线的宽度为0.68 mm。利用准带线垂直互连实现两层带线的信号互连，其中，连接两带线的金属化孔直径为0.4 mm，为制作方便，两排金属化接地孔的直径也取0.4 mm。两排接地孔边缘距离初步定为1.3 mm，同一排相邻两孔的间距取0.8 mm。考虑带线与准带线互连之间的阻抗匹配，两块带线内部的地线层需要开一圆孔，直径初值为1.3 mm。

准带线垂直互连模型的外形宽为8 mm，长为12 mm。模型由四块厚度为0.5 mm微波板及三层厚度为0.1 mm固化片热压而成，总厚度为2.3 mm。这样，180°(输入与输出带线夹角)准带线垂直互连模型建立完成，如图6所示。同样步骤可以建立0°准带线垂直互连模型，如图7所示。

图6 180°准带线垂直互连

图7 0°准带线垂直互连

3 仿真优化

利用Ansoft软件，已经建立的直线型准带线垂直互连模型，仿真频率设置为0 Hz～26 GHz。初步的性能指标仿真曲线如图8、图9所示。从图中可以看出，在仿真频率范围内，驻波值比较大。

图8 180°准带线垂直互连初步模型驻波

图9 0°准带线垂直互连初步模型驻波

工程化应用中，为了保证器件的性能，垂直互连的驻波需要小于-20 dB。为了满足该性能指标要求，将两排孔的边缘间距、相同侧边两孔间的间距、地层开孔直径及带线末端半圆半径设置为参数，对互连模型进行参数扫描优化。

采用大间距进行模型仿真，根据结果判断最优值所处的数值区间。在小区间内进行参数细化扫描，取得最优值。

180°准带线垂直互连的仿真曲线如图10、图11所示，0°准带线垂直互连的仿真曲线如图12、图13所示。从图中可以看出:两种准带线垂直互连的驻波在25 GHz的频率以下都小于-20 dB，损耗小于0.1 dB。

图10 180°准带线垂直互连驻波曲线

比较两种垂直互连的优化曲线，发现0°准带线垂直互连的带宽比180°准带线垂直互连带宽宽些。因此，工程应用时尽量选择0°准带线垂直互连。

图11 180°准带线垂直互连损耗曲线

图12 0°准带线垂直互连驻波曲线

图13 0°准带线垂直互连损耗曲线

4 试验验证

针对0°、180°准带线垂直互连，制作了具体应用试验件。试验件结合了产品应用，利用四层微波板在65 mm×30 mm面积内设计1分8网络，工作带宽为20 GHz～25 GHz。输入输出接头采用SMP形式，同一方向安装。采用0°及180°准带线垂直互连实现两层带状线之间的信号互连。通过增加印制板层数降低平面电路使用的面积，使得器件小型化，具体电路如图14所示。试验件由八层电路构成，第3、6层没有电路，第4、5、8层为微波地层。

试验件中垂直互连的金属化孔分为中心孔及金属化地孔。中心孔通过背钻孔实现，即印制板层压完成后，先将中心孔处制作成金属化通孔，然后将通孔的上下两端各钻去0.4 mm左右即可，金属化地孔直接利用通孔实现。

图14 试验件电路图

测试功分器的性能参数。总口驻波曲线如图15所示，某一分口的驻波曲线如图16所示，一分八网络的传输曲线如图17所示。

图15 总口驻波曲线

图16 一分口驻波曲线

图17 一分口传输曲线

从测试曲线看，该功分器满足工程应用需求。其中，0°及180°准带线垂直互连完全能应用于器件的设计制作。

5 结束语

本文针对超宽带信号板间互连提出了一种设计制作简单、成本低及性能好的准带线垂直互连形式。文中仿真分析了0°及180°两种夹角垂直互连模型，并制作了功分器进行了试验应用验证。仿真试验结果表明:两种角度的准带线垂直互连最高频率达到了25 GHz，满足器件设计需求，完全适合工程应用。

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