一种基于LTCC技术毫米波垂直互连过渡结构设计

摘要：为了实现微波毫米波多芯片组件的多层立体高集成度设计，提出Ka波段JTCC(Low Temperature Co—Fired Ce—ramic)微带到带状线穿透两层接地导体的正反向过渡结构。该结构采用类同轴和“水滴”匹配的方法，结合高频电磁软件仿真及测试实验，结果表明，该14层LTCC结构能实现良好传输的最高频率可达36 GHz，可实现Ka波段毫米波微

带到内层带状线的灵活过渡。

关键词：毫米波;LTCC;类同轴;“水滴”匹配;多层接地面

用LTCC技术实现微波器件具有结构紧凑，损耗小，体积容量大等特点。该技术将多层陶瓷介质薄片和印刷技术结合，还具有低的烧结温度。LTCC多层技术可将传输线和微波

电路在不同层排布，从而实现了各种微波、毫米波传输线和直流信号线等的混合多层设计，大大提高了微波毫米波组件的空间密度。LTCC技术成为微波多芯片组件(microwave multichip module，MMCM)设计中的关键技术。LTCC技术在毫米波波段的应用存在的问题一方面是因为在毫米波频段上电路结构对加工工艺的要求更高，受限于工艺水平;另一方面是由于微波信号在LTCC这种多层的不连续传输结构中带来了更多的寄生效应，甚至激励起了电磁场的寄生模式，对其传输特性的研究变得异常复杂，所以在更高信号频率上提出适当的过渡模型将是设计者面临的一项新的亟待解决的任务。层间互连特性直接影响到整个组件的电磁性能。

国内外已有许多学者对共面波导到带状线、微带线到带状线穿透一层接地面的过渡做了深入的研究，文献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，最高频率达35 GHz;文献中通过在带状线下面增加“小地”实现过渡;文献中采用“水滴”匹配，回波损耗得到改善，但因中心通孔直径过大引起过渡结构体积较大。LTCC 多层结构电路经常会被微带到带状线过渡需要穿透多层接地面的问题所困扰。本文尝试对Ka波段LTCC微带到带状线穿透两层接地导体过渡结构进行探讨，给出微带到上下偏置带状线正反走向过渡研究结果，为Ka波段MMCM的设计提供参考。

1 过渡结构设计

1. 1 设计考虑

介质选用Ferro—A6S/M生磁带，相对介电常数为5.9，损耗角正切0.002，每层生磁带烧结后的厚度为0.096 mm。图1为微带到上偏置带状线穿透两层接地面的过渡结构模型，过渡结构采用类同轴线的方法，在中心通孔周围有一圈屏蔽金属银柱。其中微带线介质三层生磁带，其次中间两层接地面之间为三层生磁带介质，带状线上下地之间八层生磁带，上偏置带状线距上面地三层，距下面地五层。如图2为该结构的左视图，说明了其层间关系，基板共厚14层，下偏置带状线距下面接地面三层，距上面接地面五层。上下偏置带状线在内层采用宽边耦合实现宽带耦合器，该过渡结构用于某Ka波段LTCC混频器表层微带线到内层耦合器的过渡连接。

图1中淡颜色占六层生磁带介质的长金属银柱用于约束微带线传输的微波信号能量，使其在一圈屏蔽孔内良好传输过渡，淡颜色占微带介质的4个短金属银柱引导微波能量向类同轴过渡结构过渡，深颜色长银柱在微带地与底层接地之间，占11层生磁带，防止微波信号向带状线方向能量传输损失，深颜色4个短银柱带状线上下地之间，在带状线两边引导微波信号在带状线的良好传输。其俯视图如图3所示。

1.2 过渡结构仿真

仿真表明，小的中心通孔半径a可以获得小的插损，还可减小过渡结构的体积。首先选择中心通孔半径α=65μm，为维持类同轴线特性阻抗为50 Ω，适当调整外导体半径b，接地面孔洞半径c1，c2，发现b略小于相同内导体半径的同轴线外导体半径，c1，c2比b约为5/8，“水滴”半径c0比a约5.4/1可得到良好的传输性能，采用三维高频电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)得到结果如图4所示，回波损耗大于20 dB的最高频率可达36 GHz，最大插损0.2dB。

采用LTCC多层技术，可将部分微波无源器件在LTCC内层实现，表层为微带线及适合表面贴装的射频微波元器件，这样可以有效减小系统组件的体积，针对此类器件的互连问题，笔者设计了如图5所示的反向折回过渡结构，其介质层和横向俯视尺寸与正向微带到上带状线过渡结构相同，即a，c0，c1，c2与微带到上偏置带线正向过渡相同。在无微带

带状线半圈，图中淡颜色屏蔽金属银柱占整个14层生磁带基板，使微波信号向带状线良好传输，另一方面组成类同轴结构实现与带线阻抗匹配。在带线一侧半圈，在微带接地与第二层接地之间设计屏蔽金属银柱用来防止过渡结构中微波信号在两接地面之间激励起寄生模式，如图5中深色银柱。仿真分析结果散射参数如图6所示，回波损耗大于20 dB的最大频率亦可达36 GHz。

微带到下偏置带状线的过渡如图7所示，为了得到良好的匹配，类同轴的外径2b也较上偏置带状线减小，中心通孔半径a，“水滴”半径c0，接地面孔洞半径c1，c2无变化。因为中心通孔长度增加，细通孔主要表现出电感特性，寄生电感增大，仿真分析如图8，回波损耗大于20 dB的最高工作频率降为30 GHz。

下偏置带状线反向折回过渡如图9，其介质层和横向俯视尺寸与正向微带到下带状线过渡结构相同，即中心通孔半径a，类同轴外径2b，“水滴”半径c0，接地面孔洞半径c1，c2无变化。从仿真结果图10得出，有良好的传输性能最高工作频率大于30 GHz。

2 分析与比较

为了和参考文献报道的过渡结构进行比较和说明，将其主要参数列于表1。从列表中看出，本设计在最高频率和性能上与国内外水平相当，在层数和结构上有所增加改变。

3 结论

该过渡结构采用类同轴和“水滴”匹配的方法，电磁仿真设计表明可实现毫米波穿过两层接地面正反向均良好传输，可在LTCC中实现内层微波无源器件到表层微带的灵活互连过渡。该过渡结构已用于某Ka波段LTCC混频器的实验，实际应用表明该过渡结构具有插损小、结构简单、过渡连接灵活的特点，达到了高集成度的设计要求。