一种MS-SL过渡的LTCC圆弧形分支线耦合器设计

吴 欢，陈建荣，贾文强，姚 欣

（空间电子信息技术研究院 陕西 西安 710100）

一种MS-SL过渡的LTCC圆弧形分支线耦合器设计

吴 欢，陈建荣，贾文强，姚 欣

（空间电子信息技术研究院 陕西 西安 710100）

基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术，设计了一个Ka波段带状线形式分支线耦合器，其4个端口相互垂直，避免了传统结构中平行端口距离较近产生耦合的问题，充分利用了基板空间。为了方便测试以及与基板表面贴装元件集成，分析设计了一个微带线到带状线（MS-SL）的垂直互联过渡结构，在传统模型基础上，引入了圆盘匹配结构和弧形金属连接带，使得最高频率和插入损耗都有了较大改善。整体仿真结果显示带宽可以达到4.3 GHz，在设计要求的28.5～30 GHz频带内，输入端口1的反射系数均大于24 dB，输出端口2和3的幅平小于0.5 dB，相位差为90o0.6o，隔离端口4的隔离度大于24 dB。耦合器的外形尺寸为3.9×3.9×0.576 mm3。

低温共烧陶瓷；分支线耦合器；微带线-带状线过渡；匹配圆盘；弧形金属带

3 dB分支线定向耦合器是微波毫米波电路中的重要部件，可以在一定频带内提供幅度相等，相位正交的输出信号，广泛应用在平衡混频器、镜像抑制混频器、平衡放大器、功率合成/分配器等电路中[1-2]。分支线电桥由四分之一波长传输线构成，因此在微波集成电路（MIC）和单片集成电路（MMIC）应用中，所占电路面积较大以及有效带宽较窄是它面临的主要问题[3-6]。目前，一些传统的分支线耦合器小型化的方法已经应用到了Ka波段[7-10]。不过近些年各种新型多层电路技术的相继问世也给我们解决小型化问题提供了一个全新的思路。特别是比较流行的低温共烧陶瓷（LTCC）技术，利用它多层基板布线的特性可以使电路从二维平面走向三维立体，从而大大减小电路体积。在LTCC中，带状线形式的无源器件可埋置在其介质中，MMIC等有源器件可安装在基板表面，两者通过微带线-带状线（MS-SL）垂直过渡结构连接，这样将很大程度上提高电路的集成度。

文中基于此思路，提出了一个利用带状线实现的Ka波段圆弧形分支线耦合器，此外，为了方便耦合器与其他电路元件相连以及测试，分析设计了一个微带线到带状线的垂直过渡结构。

1 圆弧形分支线定向耦合器设计

文章所提出的定向耦合器设计指标为：中心频率29.25 GHz，带宽大于1.5 GHz，插入损耗IL小于0.5 dB，隔离度大20 dB，回波损耗RL大于20 dB。

1.1 结构实现

根据3 dB分支线定向耦合器设计理论可知，当输入输出传输线特性阻抗为50时，其主线特征阻抗为35.3，支线特征阻抗为50。LTCC介质选用Ferro-A6S/M生瓷带，相对介电常数为5.9，损耗角正切0.002，每层生瓷带烧结后的厚度为0.096 mm。带状线结构选用6层生瓷带，总厚度为0.576 mm。中心频率为29.25 GHz时，四分之一波长支线宽度为0.177 mm，长度为1.05 mm，主线宽度为0.35 mm。由此可知，耦合器同侧两个端口的间距为1.05mm左右，在硬件加工测试时，K接头的长为16 mm，宽为5.65 mm，此时若采用传统的分支线耦合器形式，为了测试，通常需要将4个端口传输线适当延长，为了减少微带直角拐弯引起的谐振，还可以在拐弯处使用圆弧过渡，如图1所示。

不过这种布局方式将带来了两个问题：其一是基板浪费面积很大，上下两边没有利用；其二是拐角过多，还是会引起谐振[7]。为了解决上述问题，本文设计了一个如图2所示的圆弧形分支线定向耦合器。耦合器主线和支线的弧度θ均为π/2，根据弧长公式l=θr，由四分之一波长分支线的长度l=1.05 mm，可以得到圆弧半径的初始值，此值为弧形带中心弧线的半径，再根据主线和支线的不同宽度可以建立此模型，大小为3.9×3.9×0.576 mm3。此时耦合器的4个端口相互垂直，充分利用了基板空间，并且避免了传统形式中同侧两个平行端口由于距离太近引起耦合的问题。

图1 传统的有K接头的分支线定向耦合器布局

图2 圆弧形分支线定向耦合器

1.2 仿真结果

利用三维电磁计算软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真结果如图 3（a）（b）所示，带宽可以达到3.3 GHz，在设计要求的28.5～30 GHz频带内，输入端口1的反射系数均大于26 dB，两个输出端口2、3幅平小于0.25 dB，相位差为90o0.4o，隔离端口4的隔离度大于25 dB，均满足设计要求。

图3 圆弧形分支线耦合器仿真结果

2 微带线到带状线垂直互联过渡结构设计

微带线到带状线（MS-SL）垂直过渡一般是上层微带线过渡到中间层的带状线结构，主要应用于内部集成带状线电路形式的电路互联。为了方便上文提出的带状线耦合器与其它电路元件相连以及测试，文中分析并设计了一个基于LTCC技术的微带线到带状线的垂直过渡结构。

2.1 结构实现

文中提出的微带线到带状线垂直互联过渡结构如图4所示，俯视图和侧视图分别如图5（a）（b）所示。LTCC中垂直金属通孔是实现微带线到带状线过渡的主要途径，文中采用“类同轴”结构，介质表面的微带线经通孔穿过中间接地层开出的地孔连接到带状线。从俯视图可以看到互联通孔等效为同轴线内导体，围绕在金属通孔周围的多个接地通孔等效为同轴线外导体，LTCC生瓷带等效为同轴线的填充介质。

图4 微带线到带状线垂直互联过渡模型

图5 微带线到带状线垂直互联过渡结构

不过类似同轴线的垂直传输通孔不是理想的同轴线，在毫米波波段的分布电容和分布电感等寄生效应不可忽略[11]。影响这些寄生参数的主要因素有互联金属通孔长度，半径r，地孔半径Dc，外围接地通孔圆栅半径R，传输线与通孔连接处面积，介质基片材料以及通孔导电材料等。因此模型首先引入了外围接地通孔圆栅，根据同轴线的特性阻抗公式：

以及垂直互联通孔半径r可以确定等效同轴外导体的半径初始值。在传输线与通孔连接处引入圆形匹配焊盘，它所形成的接地电容可以改变等效模型的输入输出匹配阻抗，从而在毫米波频段实现良好的传输性能，同时还可以增加工作带宽。另外，利用与微带线同层的弧形金属带将接地通孔连接起来，使得外围通孔栅具有更好的隔离和屏蔽效果，金属带宽度与通孔直径相同。

图5的侧视图说明了其层间关系，其中微带线介质3层生瓷带，带状线上下地之间6层生瓷带，基板共9层。中心互联通孔半径r=0.065 mm，外围接地通孔圆栅半径R=0.6 mm，略大于相同大小内导体的同轴线外导体半径，地孔半径Dc=0.41 mm，微带线匹配圆盘半径D1=0.245 mm，带状线匹配圆盘半径D2=0.09 mm。

2.2 仿真结果

该模型HFSS仿真结果如图6所示，回波损耗大于20 dB的最高频率可达53 GHz，最大插损0.18 dB。

图6 微带线到带状线垂直互联过渡仿真S参数

目前，国内外已有一些学者对微带线到带状线垂直过渡进行了深入研究[12-15]。其中文献[12]利用增加过渡处接地面孔洞上方的微带线宽度和抑制寄生模的带状线屏蔽孔来改善过渡性能；文献[13]在带状线周围增加接地通孔实现隔离，并且在带状线下面增加“小地”实现过渡；文献[14]在带状线下方用一个圆柱形空气腔替换原有的LTCC介质材料，以降低垂直通孔所引起的电容效应，实现较好的过渡；文献[15]采用类同轴和“水滴”匹配方法，实现微带到带状穿透两层接地导体的正反向过渡。这几类设计的主要性能列于表1中，可以看出，与上述文献相比较，本设计由于在传统模型上引入了圆盘匹配结构和弧形金属连接带，使得该过渡结构的最高频率和插入损耗都有了较大改善。

表1 过渡结构比较

3 MS_SL过渡的耦合器模型及仿真

文中所提出的通过MS-SL过渡的圆弧形分支线定向耦合器模型如图7所示。分支线耦合器具有高度的对称性，4个端口中的任意端口都可作为输入端口，若选择图中的端口1为输入端，则端口2为直通端，端口3为耦合端，端口4为隔离端。

图7 MS-SL过渡的圆弧形分支线耦合器模型

仿真结果如图8所示，带宽可以达到4.3 GHz，在设计要求的28.5～30 GHz频带内，输入端口1的反射系数均大于24 dB，两个输出端口2、3的幅平小于0.5 dB，相位差为90o±0.6o，隔离端口4的隔离度大于24 dB，满足设计要求。

图8 MS-SL过渡的圆弧形分支线耦合器

4 结束语

基于LTCC技术[16-17]，提出了一个利用带状线实现的Ka波段圆弧形分支线耦合器，为了方便测试以及与基板表面贴装元件集成，分析设计了一个微带线到带状线的垂直互联过渡结构。仿真结果显示其具有优良的耦合和隔离性能。利用LTCC技术的多层基板布线特性，带状线形式的耦合器内埋在介质中，使得基板表面有更多的空间表贴或者内嵌其他元件，很大程度上提高了电路的可集成度。

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Design of a circular arc branch-line coupler with MS-SL transition in LTCC

WU Huan，CHEN Jian-rong，JIA Wen-qiang，YAO Xin
（Institute of Space Radio Technology（CAST Xi'an），Xi'an 710100，China）

Based on Low Temperature Co-fired Ceramic （LTCC）technology，a Ka band stripline branch-line coupler is designd.Four ports of the coupler is orthogonal，so it can avoid the coupling problem that the parallel port in the traditional structure is relatively close to cause，and take full advantage of the substrate space.In order to enable easy measurement and the integration of surface mount components，a microstrip to stripline vertical transition is designed.On the basis of the traditional model，the introduction of disk-matching structure and curved metal connecting strip greatly improve the highest frequency and insertion loss of the transition structure.Simulation results show that the bandwidth can reach 4.3GHz.From 28.5 to 30GHz，the reflection coefficient of the port 1 is greater than 24dB，the amplitude balance of ports 2 and 3 is less than 0.5dB，the phase balance is 90o0.6o，and the isolation of port 4 is more than 24dB.The dimensions of the coupler is 3.9×3.9×0.576mm3.

LowTemperatureCo-firedCeramic（LTCC）；branch-linecoupler；microstriptostriplinetransition；disk-matching structure；curved metal connecting strip

TN622

A

1674-6236（2017）09-0184-05

2016-04-11稿件编号：201604094

吴 欢（1990—），女，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：空间微波技术。