X波段微波垂直互连电路设计

王光池　刘建勇　陈兴国

摘 要 低温共烧陶瓷（LTCC）是实现微波组件轻小型化、高密度组装的理想互连和组装技术。文中介绍了两种基于LTCC技术的微波垂直互连结构。利用三维电磁仿真软件HFSS建立了垂直互连的仿真模型，并在X波段对其进行仿真和优化。根据优化的结果，完成了设计加工。实物的测试结果和仿真结果较为吻合。

关键词 X波段；LTCC；垂直互连；建模仿真

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0023-03

随着单片集成电路、新型基板材料和微组装技术的高速发展，固态有源相控阵雷达技术在军用及民用电子设备中得到了广泛的应用。随着相控阵技术在舰载、机载以及星载等平台中的应用，其体积、重量和可靠性等指标越来越受到关注。因此相控阵雷达对天线的性能、功能和体积、重量也提出更高的要求，需要采用片式的有源阵列天线。相对于传统砖块结构，片式有源阵列天线采用层状组装和高密度集成，因而具有剖面低、重量轻、集成度高、功率密度大、多功能、易扩充、易共形等特点[1]。采用多芯片组件（MCM）技术可使T/R组件的体积、重量大大减小，组件的集成度也相应提高。但常规的2D-MCM技术，因其布局形式仍为平面布局，因此电路布局尺寸受芯片数量及面积影响，无法再进一步缩小。在此基础上发展而来的3D-MCM、多功能芯片等技术，可以使组件的集成度更高，能够适应片式相控阵雷达天线阵面高密度布阵的要求。

新型的T/R组件要求结构紧凑、体积小，同时其内部还集成了大量的微波电路，逻辑控制控制电路及电源电路等。在组件设计过程中为了得到高性能的微波基板，我们还需要对LTCC基板的内部互联特别是微波互连进行精心设计优化，使得其不仅具有良好的微波性能，并且避免设计不当引起的互耦、串扰、辐射等等影响电路性能及稳定的现象发生[2]。

本文以两种典型的垂直互连结构作为实例，详细介绍了的垂直互连电路设计方法及其具体过程。

1 垂直互连电路分析

LTCC技术由于良好的微波性能、低损耗、高集成度以及较为低廉的价格，使得其在微波组件中广泛应用。LTCC在片式组件中的微波垂直互连应用有多种电路形式，这里主要介绍两种结合典型的垂直互连电路及其仿真设计。

微带到带线的垂直过渡中，采用金属化通孔进行互连。而在微带到同轴垂直转换结构中，微带和同轴的中心导体采用金丝互连。但不管是金属化通孔还是金丝在微波频段内都可以等效成为电感[3]。因此互连部分的等效电路如下图：

图1 互连部分等效电路

因此，微带和互连部分进行连接时，相当于串联一个电感，从而导致微带的总电感量增加为：

此时，微带的特征阻抗则变为：

而过渡外的微带线特征阻抗为：

为了减少反射降低驻波，使得信号优良传输，保证阻抗匹配，需要在微带的过渡端引入补偿电容。此时阻抗为：

从而得到补偿电容的为：

上述公式为一个近似的计算公式，并且电感的感值和电容的容值在不同的频率下也会发生变化，因此无法得到准确的补偿部分的准确解析值。但我们可以通过理论分析的结果，构建合理的补偿电路形式，并建立电磁场仿真模型，采用三维全波电磁仿真软件（HFSS）加以优化仿真得到满足工程需要的结果。

2 建模与仿真

2.1 微带到带线结构

微带和带线间采用垂直通孔互连，其中垂直通孔与微带和带线直接常用的连接方式有以下3种：

方式1 方式2 方式3

图2 垂直通孔与微带的连接方式

根据文献[4]，上述三种连接中，方式1的连接的微波传输特性最好，方式3的连接传输特性最差。连接1中的环状扩展可以等效成一种容性补偿，因此这一结果与前面的理论分析是一致的。

考虑到LTCC中导体加工精度和组件内部基板厚度及走线的要求。模型中微带介质为3层Ferro A6的LTCC（单层LTCC烧结后约为96um），带线为上下各4层共8层LTCC，其线宽可以由ADS中LineCal计算软件等计算所得。其三维互连结构如图3所示。

图3 微带到带线仿真模型

微带线和带状线在垂直互连处经过矩形微带过渡通过环型扩展和射频金属孔进行互连。矩形过渡的长度设为，宽带设为。环形扩展的焊盘的半径设为。微带的地层和带线的上层地共用一层地，带线的下层地为背面地。连接微带线和带状线的垂直金属化孔穿过共用地时，在共用地层需要开一个半径为的孔。为了抑制寄生平行板模式带来的辐射损耗，在射频互连孔的周围设置环形接地孔。接地孔距射频孔的中心距离设为。

针对矩形过渡的长度，宽带、补偿的环形焊盘的尺寸、共用地层的开孔半径以及接地孔到射频孔中心距，就可以对该模型进行仿真和优化。

2.2 微带到同轴结构

同轴连接器和微带互连时，通常采用水平搭焊的方式。在这里我们介绍一种同轴连接器和LTCC微带垂直互连结构的并对其仿真优化。

由于LTCC的金属导带不能直接进行锡焊，需要进行可焊性处理，由此带来制作复杂和 互连结构中采用金丝压接对微带和同轴连接器中心导体进行互连。其具体的三维结构如图4所示。

图4 微带到同轴仿真模型

模型中同轴连接器中心导体长度为1 mm，LTCC介质总共含有10层Ferro A6的单层介质。最上面两层为微带的介质层。微带线导带经过矩形的阻抗变换后通过金丝与同轴的中心导体互连，其中矩形过渡的长度设为，宽带设为。通过焊接的方式我们将LTCC底面的大面积地和同轴连接器的地保持良好接触，然后在微带地和LTCC大面积地间通过金属化的接地孔的方式进行互连，从而达到微带地和同轴连接器的地的良好互连。同轴连接器中心导体周围的接地屏蔽孔可以采用圆形环绕在其四周，从而形成拟同轴结构。其阻抗可以按照同轴线特性阻抗公式进行计算[5]：endprint