共面波导表面状态对微波性能影响分析

贾世旺

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄050081)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.19

贾世旺.共面波导表面状态对微波性能影响分析[J].无线电通信技术,2018,44(1)：90-94.

[JIA Shiwang.Analysis on Influence of Coplanar Waveguide Surface State on Microwave Performance [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):90-94.]

共面波导表面状态对微波性能影响分析

贾世旺

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄050081)

针对共面波导表面状态对微波性能影响进行了分析，应用保角变换法定量给出了共面波导金属厚度与有效介电常数、特征阻抗、损耗修正表达式。测量了工程中常用的不同工艺制作的共面波导传输线导体厚度、表面粗糙度等参数。采用仿真软件模拟不同导体厚度、不同导体表面粗糙度对微波传输性能的影响。在追求低传输损耗的工程应用中，要考虑共面波导导体厚度、表面粗糙度等表面状态的影响，选择合适的工艺手段和合理的工艺精度来保证传输线的微波性能。

接地共面波导；有效介电常数；表面粗糙度；损耗

TN811

A

1003-3114(2018)01-90-5

2017-11-08

国家部委基金资助项目

AnalysisonInfluenceofCoplanarWaveguideSurfaceStateonMicrowavePerformance

JIA Shiwang

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China)

In this paper,the influence of coplanar waveguide (CPW) surface state on microwave performance is analyzed,and the conformal mapping method is utilized to present the expression of CPW metal thickness,dielectric constant,characteristic impedance and insertion loss.The conductor thickness and surface roughness of the CPW transmission line are investigated under various fabrication procedures.The EM simulation software is used to study the influence of conductor thickness and surface roughness on microwave performances.In pursuit of lower transmission loss and improving microwave performance,the metal thickness and surface roughness of CPW should be considered,and the microwave performance of transmission line should be ensured by choosing appropriate fabrication techniques.

CBCPW；effective permittivity；surface roughness；loss

0 引言

微波电路中传输线的主要作用是把信息或能量传输至指定位置，同时传输线也是滤波器、阻抗变换器、耦合器及延迟线等无源元件的重要组成部分。通常传输线的定义是指能够支持TEM或非TEM传播模式的各种多导体结构，在微波工程应用中，常用的传输线包括微带线、带状线、共面波导及波导等[1]。

传输线理论有效地指导了各种微波有源、无源电路设计，但工程应用中经常为了减少分析、计算的工作量，将实际电路进行近似等效，简化计算模型，例如在计算各种传输线时常常将导带厚度等效为零厚度的理想导体，将金属层设为理想导体等。忽略带线的导体厚度、导体粗糙度等表面状态信息，带来的影响是传输线实测插入损耗要大于理论分析值或者滤波器、谐振器等选频元件出现频带偏移等问题。在某些敏感应用中，需要考虑传输线表面状态的影响，保证良好的微波性能。

本文选取微波工程中常用的传输线结构，通过设置不同的表面状态参数，对传输线进行理论计算和仿真，归纳总结传输线表面状态对电路微波性能的影响。

1 传输线表面状态

工程中理想传输线对表面状态的要求是金属层厚度恒定，表面光滑无缺陷[2]。但制作过程中由于基板材料表面不平整、金属膜层生长制造工艺等原因，传输线导体层往往厚度不均匀，金属表面也非理想表面[3]。在微波频率低端，这些影响往往可忽略，但频率较高这些缺陷会对微波性能产生一定影响，特别是在毫米波以上频段[4-6]。

图1是使用美国Bruker台阶仪测试设备实测了3种制造工艺加工的共面波导传输线表面状态，图1(a)为某低温共烧陶瓷(LTCC)产品表面金属线条截面积的形貌特征，图1(b)为某薄膜产品表面金属线条截面积的形貌特征，图1(c)为某LTCC产品表面薄膜化后表面金属线条截面积的形貌特征。

图1不同制造工艺制造的带线表面形态

图1中横轴为带线横截面横向尺寸变化，纵轴为纵向尺寸变化。可以看出不同工艺方式制作出的带线表面状态相差较大。图1(b)薄膜工艺由于采用磁控溅射、光刻、电镀等工艺使得带线精度、表面粗糙度等都优于图1(a)采用印刷工艺实现的LTCC带线。图1(c)在LTCC基板表面进行薄膜工艺处理，与原LTCC印刷工艺相比，不但提高了线条的精度，且对粗糙度的改善也十分明显。

表1总结了不同工艺加工的传输线实测表面形态。

表1 不同的工艺加工的传输线表面形态(单位：μm)

工艺类型导体厚度(要求)导体厚度(实测)粗糙度(测量RMS)LTCC10．08．3～13．31．01薄膜(氧化铝)4．03．2～4．70．05薄膜(硅)4．03．6～4．40．002LTCC+薄膜5．03．62～6．460．22

传输线金属的表面粗糙度及金属层的厚度是通过改变传输线电场、电流来影响导体损耗和传播常数的，可等效为有效介电常数发生了变化。

2 共面波导

共面波导(Coplanar Waveguide)是一种低色散、低损耗传输线，便于与有源器件集成，非常适合于毫米波以上频段，甚至太赫兹频段应用的平面传输线。同时共面波导传输线也是RF MEMS开关、移相器等器件常采用的传输结构形式[7-8]。

图2 接地共面波导典型结构

常见共面波导结构有标准共面波导、慢波共面波导和接地共面波导。最常用的是接地共面波导(Conductor-Backed CPW)，它通过在标准共面波导的底面增加接地金属层，不但容易与基板实现共晶封装，增强了散热能力，且相同阻抗接地共面波导带线面积要小于标准共面波导面积。在毫米波频段由于接地共面波导良好的接地结构，与微带线、带状线等传输线相比较其传输损耗更低[9]。

接地共面波导是一种准TEM波的平面传输结构，加工容易，而且易与其他无源和有源微波元器件集成，其典型结构如图2所示。由介质基片上宽为s的信号线和两边接地金属面构成，接地金属面宽度为g，信号线与两侧接地面缝隙宽度为w，导体印制在厚度为h、相对介电常数为εr的接地电介质基片上，导体的厚度为t。

带线电场分布于介质和空气中，不同的介质对其相速都有影响，其影响相对大小，由电场在这两部分占据范围的相对大小，以及介质和导体边界的形状与尺寸决定。

2.1 传输线微波性能参数

在工程设计中，最为关心的是传输线的有效介电常数εe、特征阻抗ZO及传输损耗等。可以利用传输线理论，应用准静态分析法-保角变换法对传输线的传输特性进行分析。

相比于微带线，共面波导的有效介电常数更易受加工工艺影响而改变。所谓有效介电常数是指电磁场沿着介质基板材料与空气组成的混合空间传播时的介电常数。采用有效介电常数εe这一参数将非均匀媒介简化为均匀媒介来表示。

接地共面波导损耗主要由三部分组成：介质损耗αd、导体损耗αc和辐射损耗。介质损耗是电场通过基板介质时由于介质分子交替极化和晶格碰撞产生的热损耗；导体损耗是由于导体的有限电导率在电流经过时的热损耗，这是传输线损耗的主要部分；辐射损耗是由于带线场结构为半开放所引起的。

文献[10-11]中利用保角变换法对有限金属厚度接地共面波导进行了准静态分析，给出了有效介电常数、特征阻抗、介质损耗和导体损耗求解的详细推导，计算公式如式(1)～式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，

式中，Z0φ为真空时特征阻抗，εr为介质的介电常数，tanδ为介质损耗角正切，s为带线信号线的宽度，w为带线接地线与信号线之间间距,h为介质厚度，K(k)为第一类完全椭圆积分函数。

需要注意的是毫米波频段导体趋肤效应影响，导体损耗与导体表面状态非常相关[12]。

(5)

式中,σ为金属电导率，对金来说σ为4.098×107s/m，f(频率)单位为GHz，μ0为真空磁导率4π×10-7H/m。

由式(5)趋肤深度公式可知，在30 GHz时趋肤深度约为0.46 μm，50 GHz时趋肤深度约为0.35 μm。趋肤深度的数值已经与部分工艺实现线条表面粗糙度相近。

2.2 表层导体厚度对性能的影响

传输线表面导体厚度差异可以导致带线的有效介电常数、特征阻抗减小和金属损耗增加,传输波长增加。特别是对于接地共面波导传输线来说，由于接地共面波导具有耦合特性，导体厚度差异也会导致耦合能量产生较大差异[13]。

表2是导体金属为金时，接地共面波导传输线不同导体厚度、不同信号线和间隔尺寸与特征阻抗之间的关系。

表2 接地共面波导尺寸与特征阻抗

S/μmW/μmZ/Ω(t=0)Z/Ω(t=4．0μm)Z/Ω(测量)15092．55048．848．010052．55045．146．25025．25042．144．1

从表中可以得出以下结论：

① 共面波导金属层厚度较薄的接地和信号导体之间的电场能量较低。相反，共面波导厚的接地和信号导体之间的电场强度较大。原因是厚导体层电路耦合侧壁高度比薄导体层电路更大，导致特征阻抗实测时要小一些；

② 接地和信号导体的间隔w也影响电场的耦合，间隔w越小，耦合区域的电场强度将越大。邻近导体的间隔大，耦合区域的能量将更低。间隔越小，导致特征阻抗越小。

图3为厚度为0.254 mm、导体金属为金、长度10 mm的50 Ω Al2O3传输线，在不同导体厚度、不同信号线与两侧接地面缝隙宽度时，传输损耗的仿真结果。

1#0.1 μm、1#0.5 μm、1#1.0 μm、1#4.0 μm、1#10.0 μm曲线接地共面波导的信号导体宽度s为150 μm，信号与接地间隔w为92.5 μm，导体厚度分别为0.1 μm、0.5 μm、1.0 μm、4.0 μm、10.0 μm。

2#4.0 μm曲线接地共面波导的信号导体宽度s为100 μm，信号与接地间隔w为52.5 μm，导体厚度4.0 μm。

图3 不同导体尺寸的传输损耗

从图中可以得出以下规律：

① 导体厚度0.1 μm时损耗最大，主要是因为导体厚度小于趋肤深度；

② 导体厚度在0.1 ～4.0 μm之间变化时，损耗快速降低。主要是厚度逐渐大于趋肤深度，使得带线导体损耗迅速减小；

③ 导体厚度在4.0 ～10.0 μm间变化时，损耗减缓降低。损耗减小原因是在厚导体的电场中可以利用更多的空气介质作为传输路径传输电磁能量，降低了损耗；

④ 2#4.0 μm与 1#4.0 μm结构上都是50 Ω的接地共面波导传输线，2#4.0 μm更适合在毫米波频段传输，主要是由于信号导体与接地面间隔更小，不同频率在传输中的耦合程度不同造成的。

⑤ 1#4.0 μm与1#10.0 μm损耗基本一致，从制造成本考虑，导体厚度在满足传输性能的情况下，也不宜过厚。

2.3 表层导体粗糙度对性能的影响

同样导体表面的粗糙度也会也会影响传输损耗，金属表面越光滑，所产生的导体损耗就越低，接地共面波导的插损也越低[14]。

图4为利用软件对导体粗糙度与传输损耗之间的关系的仿真结果(0.254 mm厚的Al2O3,介电常数9.8，长度10 mm的50 Ω接地共面波导，信号导体宽度s为150 μm，信号与接地间隔w为92.5 μm，导体金层厚度4.0 μm)。

从图中可以看出，导体的粗糙度对传输线的影响是不可忽视的。当粗糙度达到1.0 μm(RMS)时,已经远大于30 GHz时导体趋肤深度，导致等效传输路径增长，损耗增加。结合表1不同的工艺加工的传输线表面形态中数据可知，薄膜工艺制作出的传输线(粗糙度0.1 μm)损耗约为0.05 dB/mm@30 GHz，LTCC工艺制作出的传输线(粗糙度为1.0 μm)损耗约为0.07 dB/mm@30 GHz。在50 GHz时，传输线粗糙度为0 μm(理想状态)与粗糙度为2.2 μm相比较，传输损耗已相差一倍。

可理解为同种介质基板的有效介电常数会随着金属层表面粗糙度的增大而发生变化。

图4 不同粗糙度的导体传输损耗

3 接地共面波导与微带线比较

利用以上共面波导传输线分析结论，对接地共面波导与微带线进行传输损耗分析。采用0.127 mm Al2O3陶瓷基板、介电常数9.8、长度10 mm的50 Ω传输线，导体金层厚度4.0 μm，表面粗糙度均方根值为 0.05 μm。微带线带宽为134 μm，接地共面波导s为102 μm，w为90 μm。

在10～110 GHz频率范围内，对微带线、共面波导分别进行仿真分析。结果表明：在41 GHz处，微带线与接地共面波导损耗相当，达到了0.07 dB/mm；在低于41 GHz频率时，微带线损耗要小于接地共面波导；在高于41 GHz频率时，微带线损耗逐渐大于接地共面波导，在100 GHz时微带传输损耗为0.17 dB/mm,共面波导传输损耗为0.12 dB/mm。微带线电路在毫米波波段产生的辐射更多，而设计良好的接地共面波导电路辐射损耗要小一些[15-16]。

4 结束语

对不同工艺制作的接地共面波导传输线厚度、表面粗糙度进行了测量，依据测量结果结合传输线的有效介电常数、特征阻抗及传输损耗等参数，进行理论分析和计算，得出了导体厚度在一定范围内能够影响传输线的损耗，导体表面粗糙度对传输损耗也有一定的贡献。

在追求低传输损耗的应用中，一定要选择合适的工艺手段和合理的工艺精度来保证传输线的微波性能。例如， LTCC毫米波相控阵T/R组件对射频前端损耗十分敏感，因此在表面状态不佳的基板上进行关键部分薄膜化处理是提高系统性能的有效方法。

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贾世旺(1977—)，男，高级工程师，主要研究方向：微波射频微系统。

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