宽带射频垂直过渡结构的设计

伊雅新，杨睿天，辜霄，李庆东，孙科，杨秀强

（成都西科微波通讯有限公司，成都 610091）

1 引言

微波毫米波组件是一些由无源器件和有源器件及大量的传输线构成的具备某种功能的电路组件，作为组件的关键组成部分，微带电路在信号传输方面相较于集总参数电路更实用，微带线的阻抗匹配在设计中起着非常重要的作用[1]。随着对电路小型化的要求越来越高，更多地利用高度上的空间也可以使组件的结构更加紧凑，这使得信号要在多层板之间进行垂直传输。电磁波在多层板之间的传输形式是不连续的，所以会带来很多的寄生效应，这使得对信号在垂直过渡结构中的传输特性的研究变得更加复杂，所以多层板之间的阻抗匹配也成了设计时需要重点考虑的问题。

在组件设计中，合理的匹配网络可以使射频信号以较小的损耗通过射频电路，从而降低不必要的功率损耗[2-3]。通常情况下，工程上对垂直过渡结构的要求主要为能覆盖的频带范围大，插入损耗接近0 dB，回波损耗小于-10 dB，且易于加工，能够满足批量生产的需求。常见的垂直过渡结构主要利用金属通孔[4]、槽耦合[5]和腔体耦合[6]来实现。其中利用槽耦合和腔体耦合会使结构呈现带通特性，而利用金属通孔虽然频带宽、损耗低，但是会产生随频率升高而导致寄生效应的问题，从而使多层板的阻抗匹配性变差。

随着垂直过渡理论的不断完善，垂直过渡结构在微波系统中的应用使组件的结构更加紧凑。2005 年，WU 等人提出了基于垂直“同轴过渡”的CPW 到CPW互连结构的新设计，与传统的过渡结构相比，同轴型转换提供了更多的返回电流路径，因此信号连续性大大提高[7]。2017 年，CHAIRUNNISA 将垂直过渡结构应用于印刷行波天线，该天线由底层的微带线与顶层的辐射元件互连而成，使用通孔充当垂直过渡结构，减小了行波天线的尺寸[8]。2019 年，NASR 等将垂直通孔过渡结构与单脊波导相结合，用于覆盖Ku 和Ka 波段的脊间隙波导。仿真和测量的结果显示，该结构在12.8～40 GHz 范围内实现了大于-15 dB 的回波损耗[9]。

本文设计了一种宽带的射频垂直过渡结构，用于解决多层板之间的信号传输问题，该结构主要通过绝缘子实现不同层的垂直互连，可实现在宽频带范围内的垂直互连，且回波损耗小，性能及结构稳定，能广泛用于组件内的垂直互连。

2 结构及理论分析

当射频信号跨层传输时，连接多层介质基板的绝缘子可近似看作是一种同轴结构，其中绝缘子的铜芯可以看作同轴结构的内导体，而绝缘子的外层玻璃介质可以看作是同轴结构的外导体，这种结构传输的是横电磁波（TEM 波）。微带线虽然由平行双线发展而来，但其导体中增加了介质基板，这时微带线中传输的并非纯粹的横电磁波，而是会出现各种杂波，但因为微带线横截面尺寸较小，所以杂波对微带线的影响也很小。由于微带线与同轴线均匀介质中的TEM 波略有区别，通常称微带线中传输的电磁波模式为准TEM波，所以两种不同的电磁波传输模式需要进行匹配。

随着频率的升高，结构的色散特性会变得更加明显，微带线的寄生参数对信号传输性能的影响也会越来越大，要实现两种传输线的阻抗匹配及模式转换，可以利用绝缘子进行多层板之间的信号传输，并通过优化微带线上的匹配枝节来进行阻抗匹配，使得传输的信号损耗变小。

宽带射频垂直过渡结构如图1（a）所示，主要由微带线及匹配枝节、绝缘子和上下层介质基板等部分构成。该结构的等效电路如图1（b）所示，绝缘子的铜芯连接上层和下层的50 Ω 微带线，两端的铜芯到地之间的距离可以等效为电感串联在微带线之间，设为L1和L2，上层微带线与地之间的距离和铜芯与地之间的空隙可以等效为电容，设为C1和C2，同理下层设为C3和C4。其中过渡段的电感可近似为[10]

其中，Δl 为铜芯到地之间的距离，v 为波速，γ 为欧拉系数，λ 为自由空间中的波长，w 为微带线的宽度，εr为微带线的等效介电常数。将微带线的电感L0与过渡段的电感相加，即可得到该结构的总电感L[10]：

如果没有补偿，这时微带线的特性阻抗Z[10]为

其中，C0为微带线的电容。而过渡结构外的特性阻抗Z0[10]为

由于Z0和Z 不匹配，所以需要加入补偿电容ΔC[10]：

为了减少电路间的电磁干扰，图1 中用空气腔进行隔离，而空气腔部分的下沉也可以更好地起到电磁屏蔽的效果。本设计采用的绝缘子型号为BZ-817，将绝缘子穿过介质基板并和微带线上的焊盘焊接在一起，由于导体有趋肤效应，所以微带线上的电流也会集中在微带线的两侧，且微带线与焊盘连接处会有寄生参数，因此优化焊盘的尺寸也可以改善不同层微带线之间的反射。

3 仿真及实物测试

本文利用三维电磁仿真软件HFSS 进行建模，根据不同的使用频段，设计了两种在组件设计中常用的不同微带线宽度的垂直过渡结构，其中微带线的特性阻抗都取50 Ω。介质基板都采用Rogers 公司的Duriod 5880，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.000 9。第一种基板厚度为0.127 mm，微带线线宽为0.38 mm，第一种垂直过渡结构如图2 所示；第二种基板厚度为0.19 mm，微带线线宽为0.56 mm，第二种垂直过渡结构如图3 所示。经过优化，两种垂直过渡结构在尺寸上有些细小的差别，其主要尺寸见图2 和图3。

图2 第一种垂直过渡结构

图3 第二种垂直过渡结构

两种垂直过渡结构的仿真结果如图4 所示，在DC～40 GHz 的频带范围内回波损耗S11≤-21 dB，插入损耗S21≥-0.3 dB。这表明所设计的垂直过渡结构可以在较宽的频带范围内实现小于-20 dB 的回波损耗和接近0 dB 的插入损耗，且改变微带线的长度及旋转方向不影响结果。为了能更加直观地看出垂直同轴过渡结构的不同参数对结果的影响，以图3 的设计为例，图5 给出了改变微带线背面金属到地的过孔直径D13、金属焊盘半径D11和同轴金属芯的直径D14对S 参数的影响。从图5（a）可以看出，当D13增大时S11向左偏移，这是由于改变D13的值相当于改变C2的值，当增大等效电路中的电容值时，谐振频率也会变小。图5（b）同理，选择合适的D11值也可以得到较好的S11值。当把空气腔变成矩形腔时，从图5（c）可以看出在高频处有尖刺。从图5（d）可以看出，当改变D14时，0.3 mm 是最合适的值。本设计结构与其他文献同类设计的性能对比如表1 所示，常见的垂直过渡类型有绝缘子和玻珠。在频率范围类似的情况下，本文设计的结构的回波损耗和插入损耗要优于其他的结构。

表1 本文设计结构与其他文献同类设计的性能对比

图4 两种垂直过渡结构的仿真结果

图5 S 参数随D13、D11 和D14 的变化

为了验证仿真结果的准确性，加工制作了实物并进行测试，测试夹具及测试过程如图6 所示，仿真模型上空气腔的凹槽在实物加工中是在盖板上加工了一个凸起的部分。为了便于测试，在测试夹具的腔体上增加了两个D360S12F04 连接器用于和矢量网络分析仪进行连接。

图6 垂直过渡结构测试夹具及测试过程

仿真和测试结果对比如图7 所示，可以看到在DC～40 GHz 频带内，S11＜-8 dB，S21＞-2.2 dB，仿真结果与测试结果相比，S21相差不大，但是S11有些区别，其中S11最差的部分出现在35 GHz 附近，这是由电路板所采用的介质带来的介质损耗引起的，频率越高损耗越大。且在实际测试过程中S21计入了两个D360S12F04 连接器和两段微带传输线的插入损耗。此外，加工装配误差和测量误差也是导致实测结果与理论模型仿真结果不一致的原因[13]。

图7 垂直过渡结构仿真与测试结果对比

4 结论

本文介绍了一种宽带射频垂直过渡结构，通过对两种常用的微带线宽度的模型进行仿真和测试，得到的最优结果为在DC～40 GHz 的频带范围内回波损耗低于-8 dB，插入损耗大于-2.2 dB。虽然实测结果在高频处的表现不如仿真结果，但是考虑到接头及加工部分的损耗，该结果也能够满足宽带毫米波组件中对射频信号传输的要求，且相较于其他的过渡方式而言，该设计具有带宽大、成本低、易集成及结构性能稳定等优点。