45°准同轴微波多层过孔TDR仿真技术

杨 涛，宋庆辉，杜江坤

45°准同轴微波多层过孔TDR仿真技术

杨 涛，宋庆辉，杜江坤

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

准同轴微波多层过孔是微波多层印制技术中常用的跨层互连形式，当互连结构较为复杂时，其微波性能会对系统指标构成较大影响，目前研究微波过孔的手段还主要局限于理论推导和频域仿真。首次使用TDR仿真技术，对45°准同轴微波多层过孔进行了建模、仿真和分析，并对过孔尺寸进行了优化，所得到的微波多层过孔结构具有较理想的50 Ω阻抗特性，同时在很宽的频带内展现出良好的微波特性，进而验证了TDR仿真方法在分析准同轴微波多层过孔结构上的有效性。

微波多层电路；时域反射测量计；准同轴结构；超宽带

引用格式：杨 涛，宋庆辉，杜江坤.45°准同轴微波多层过孔TDR仿真技术［J］.无线电工程，2016，46（5）：56-59.

0 引言

现代通信系统对小型化要求日益提高，在各种小型化技术中，基于PCB的微波多层印制技术［1］具有成熟的工艺体系、良好的设计兼容性、优异的系统集成能力和相对低廉的成本，其在相控阵波束形成网络［2］、综合馈电系统［3］及微波电路小型化［4］的成功应用展示出其独特的价值和前景，相应的工艺技术也得到较为深入的研究［5］。但另一方面，微波多层印制电路尺寸相对较大，会引入明显的寄生参数，使电路性能恶化。微波多层过孔是常见的不连续性单元，在较高频率下对电路性能影响显著。此外，这种过孔属半开放结构，会通过接地柱间隙辐射能量，成为内部干扰源，因而其微波特性得到了广泛研究。以往对微波过孔的研究方法包括准静态法［6］、模式匹配法［7］、钜量法［8］以及其他全波仿真方法［9］等。这些方法在分析具体微波过孔时简单有效，但对形状、尺寸优化缺乏指导性。

源自测量领域的时域反射测量计（Time-Domain Reflectometry，TDR）是一个时域概念，其工作原理与雷达类似。将TDR概念引入电磁仿真，可直观得到延信号传输方向的阻抗信息和不连续信息［10］，从而有针对性地进行就近补偿，实现宽带匹配。本文拟采用TDR方法对具有代表性的45°准同轴微波多层过孔进行分析和优化，并得到具有良好超宽带微波性能的多层过孔结构。

1 过孔结构分析

为保证电路性能，微波多层过孔通常选用图1（a）所示的准同轴结构，该结构由位于中心的金属化过孔（Plated Trough Hole，PTH）代替同轴线的内导体，由周围一圈圆周对称排布的PTH代替同轴线的外导体。影响微波性能的主要参数如图1（b）所示。其中，R_post_in为中心通孔的半径，R_pad_ in为中心通孔焊盘的半径，R_post_out为外围通孔的半径，R_G为板内地平面开窗的反焊盘半径，R_p为接地通孔与中心通孔的中心距离，而分布角则表示两相邻地孔与结构中心连线的夹角。

图1　准同轴微波过孔示意

当分布角为45°时，可去掉过孔中的2个接地柱并引入微带抽头，从而形成90°或180°的传输线排布，这在微波电路布局中是经常用到的。

1.1 板层分布

与传统多层印制技术相同，微波多层印制技术同样需要用粘结片将多块标准尺寸的微波覆铜板粘结以形成多层类周期结构，如图2所示。

图2　微波多层板分布示意

覆铜板与粘结片往往具有不同的介电常数和相速，因此在考虑通孔的射频性能时，为方便起见引入从式（1）可看出，多层板的有效介电常数介于介质板和粘结片的介电常数之间。常用微波板材的厚度通常较小，因此在较低频段，整个多层板可近似看作均匀介质（延z向），在此范围内式（1）是有效而便捷的。

1.2 准同轴结构

同轴线是微波系统中常用的TEM传输线，其特性阻抗计算公式如式（2）所示，可见，在均匀介质填充的情况下，同轴线的特性阻抗只与内外径的比值有关。有效介电常数，其表达式为：

在微波多层过孔中，准同轴过孔是一种典型实现形式，兼具同轴线的优良特性和简单工艺，结构如图1所示。图3（a）进一步说明准同轴过孔的纵向结构，图3（b）给出垂直于z轴的平面结构。可见，微波多层准同轴过孔与真正同轴线尚有2点主要差别：非屏蔽性和金属层工艺焊盘。非屏蔽结构会造成电磁能量的泄露，但这种泄露可通过增大地孔密度和限制使用频率加以控制；工艺焊盘则会导致额外的寄生电容，使式（2）在计算该结构时失效。因此，实际使用的微波过孔往往通过三维全波仿真的方式评估性能。

图3　准同轴微波过孔电场分布示意

2 45°准同轴微波多层过孔TDR仿真

在微波多层准同轴过孔的设计中，图1（b）所示的分布角的选取，需结合实际需求，而45°是一种常见的分布角，对其微波性能分析，具有较强的实用价值。与其他电磁仿真手段相比，TDR可给出延传输线方向的阻抗分布曲线，从而为结构的阻抗设计及匹配提供便利。

2.1 TDR仿真模型及设置

采用ANSYS公司HFSS软件的时域求解器对45°准同轴微波多层过孔进行建模仿真，模型如图4所示。其中，选用的微波介质为Arlon 0.254 mm厚CLTE-XT，粘结片为Arlon 0.1 mm厚25N；不失一般性，介质的层数取11。为方便起见，输入输出接口选择CLTE-XT填充的50 Ω同轴线。在仿真中，设置Solution Type为Transient，输入信号选择TDR，材质设置为无耗，脉冲上升时间为22.7 ps，如图5所示。

图4　TDR微波多层过孔仿真模型

图5　TDR设置装口

2.2 仿真结果

在上述设置下对准同轴微波过孔模型进行仿真，结果如图6所示。TDR阻抗曲线可直观给出沿传输通路方向不同位置的阻抗值，并为阻抗匹配提供参考信息。图6所示的曲线为优化后结果，易看出延传输线方向的阻抗波动很小，且在50 Ω上下半区基本达到平衡状态。

图6　过孔TDR阻抗曲线

作为比较，对同一模型进行频域仿真，结果如图7所示。可见该模型在高达20 GHz范围内具有优良的插入损耗、回波损耗和较低的信号泄露水平（该模型未考虑金属和介质的损耗，故插入损耗为回波损耗和辐射损耗之和），具有潜在的超宽带应用价值。

图7　过孔频域仿真曲线

3 结束语

采用TDR仿真技术对45°准同轴微波多层过孔的性能进行了分析，并利用仿真所得阻抗曲线对结构尺寸进行了优化。所得到的微波多层过孔具有延微波信号传输方向波动较小的阻抗曲线，同时也具有20 GHz频段内的优良传输特性，在宽带微波多层系统的实现中有较强的实用价值。所完成的工作也较容易推广至其他层数、厚度的微波多层板，为微波多层印制电路的设计提供便利和参考。

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Simulation of 45°Quasi-coaxial Microwave Multilayer via Using TDR Technique

YANG Tao，SONG Qing-hui，DU Jiang-kun
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Quasi-coaxial structure is one of the frequently used connecting methods in microwave multilayer printed circuits，but its character may bring significant effects on system specifications when complex connections are employed.Study methods of quasi-coaxial structure are limited to theoretical derivation and frequency-domain simulations at present.In the paper，modeling，simulation and analysis of 45°quasi-coaxial microwave multilayer via are made employing TDR simulation method，while dimensions of the via are also optimized.The structure obtains 50 Ω impedance characteristic and good microwave performance in wide frequency band，which verify the effectiveness of TDR simulation method when used for analysis of quasi-coaxial microwave multilayer via.

microwave multilayer circuit；time-domain reflectometery；quasi-coaxial structure；ultra-wideband

TN811

A

1003-3106（2016）05-0056-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.15

2016-01-14

国家科技支撑项目（2014BAK02B04）；国家部委基金资助项目。

杨 涛 男，（1979—），助理工程师。主要研究方向：微波技术。

宋庆辉 男，（1979—），高级工程师。主要研究方向：微波技术。