微波信號LTCC多層互連設計*

蘭云鵬 吳景峰 王抗旱

(河北半導體研究所 石家莊 050051)

微波信號LTCC多層互連設計*

蘭云鵬 吳景峰 王抗旱

(河北半導體研究所 石家莊 050051)

不同平面的微波信號低插損互連過渡已成為決定三維T/R組件性能優劣的關鍵問題之一,論文針對此問題介紹了一種窄帶微波信號多層互連設計。該設計使用通孔垂直互連和帶狀線-微帶線過渡,將電磁波從頂層微帶線傳輸到底層微帶線,從而完成異面微波信號互連。該設計運用三維高頻電磁仿真軟件HFSS建立并對比分析了三種模型,最后綜合工藝難度和仿真結果挑選出最優方案加工成實物。經測試得到:在12GHz～18GHz范圍內,插損小于0.9dB,回波損耗大于12dB,與仿真結果基本一致。實驗結果表明,該結構具有尺寸小、插損低、應用范圍廣等特點。

窄帶; 微波信號; 多層; 垂直互連; LTCC

Class Number TN911.3

1 引言

T/R組件作為有源相控陣雷達的核心部分[1],長期以來都是相關研究所和高校的研究熱門。低溫共燒陶瓷(LTCC)所提供的高頻特性使得信號可以在基板內部進行傳遞,而不拘泥于基板表面,因此出現了三維多層高密度布線[2]、元器件內埋[3]等技術,大大減小了T/R組件的重量、體積、增強了系統的可靠性,降低了成本。在三維T/R組件中,部分微波元器件埋置于內層基板,不同平面的元器件的微波信號在不同平面傳輸,如何低插損互連這些信號是我們需要解決的問題[4～6]。國外已有報道在X段T/R組件中采用了一種類似同軸線的“毛紐扣”[7]將不同平面微波信號互連。本文提出另一種基于LTCC窄帶微波信號多層互連,該結構解決了不同平面的微帶線-微帶線互連、微帶線-帶狀線互連以及信號穿墻等問題。

2 多層互連設計

本設計結構如圖1所示,可以分為五個部分:上層微帶線、信號通孔、帶狀線、下層微帶線、地。上層微帶線與帶狀線通過信號通孔垂直互連,帶狀線從LTCC基板中伸出與下層微帶線相接。為了保持微帶線與帶狀線寬度一致,將微帶線介質設計為兩層LTCC,帶狀線介質設為10層LTCC,整個結構共12層LTCC。具體設置為:微帶線設在頂層和第8層,帶狀線設在第8層,微波信號通孔連接頂層微帶線與第8層的帶狀線,第3層和第10層設為地。

圖1 互連結構示意圖

微波信號通孔直徑0.17mm,微帶線、帶狀線寬度0.31mm,微帶線、帶狀線采用漸變方式與微波通孔相接。為了減小信號泄露,在微波通孔四周設置接地孔作為屏蔽層,接地孔直徑0.12mm,孔間距大于一倍孔徑,為了接地良好,每層LTCC上再使用圓環將接地孔連接,該結構總長3mm,寬1.6mm。

本設計中,電磁波在微帶線中以準TEM波傳播,在帶狀線中以TEM波傳播[8～10]。信號通孔四周雖然有屏蔽地,但是與實際意義上的同軸線還是有很大區別,在微波通孔中傳播的并不是TEM波,所以微帶線、帶狀線與微波通孔存在嚴重的失配,為了減小這種失配,必須在信號通孔與微帶線、帶狀線之間設置過渡匹配。另外,在第8層中,電磁波由帶狀線傳播到微帶線的過程中,雖然兩種傳輸線阻抗都是50Ω,但由介質的不連續性引起的傳輸模式的轉變也會引起失配,并且帶狀線的地與微帶線的地也不在同一層,所以在帶狀線與微帶線之間也需要設置過渡匹配。

3 仿真分析

本設計采用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS建模。針對該設計,共建立了三種對比模型,如下圖2所示。三種結構均采用12層LTCC,不同點在于帶線與信號通孔的過渡方式。

在模型一中帶線與信號通孔采用高阻抗線匹配,模型二中帶線與信號通孔采用由寬到窄漸變匹配,模型三中帶線與信號通孔采用由窄到寬漸變匹配。

圖2 三種對比模型

對以上三種模型在10GHz～20GHz內優化仿真,仿真結果如圖3～圖5所示,從圖可以看出:模型一在頻段內回波損耗大于20dB,插損小于0.1dB;模型二在頻段內回波損耗大于11dB,插損小于0.4dB;模型三,在頻段內回波損耗大于18dB,插損小于0.2dB。

圖3 模型一仿真結果

圖4 模型二仿真結果

圖5 模型三仿真結果

對比以上三種仿真結果,模型一的微波性能最好,模型三次之,模型二最差。但結果顯示,在模型一中,帶線與信號通孔之間的高阻抗帶線寬度僅為0.09mm,這種寬度在當前工藝條件下雖然能夠加工,但精度很難保證。對高阻抗帶線寬度進行靈敏度分析發現回波損耗隨高阻抗帶線寬度變化而急劇變差,因此綜合所有因素,選擇模型三進行實物加工驗證。

本設計結構由于整體尺寸較小,而頂層微帶線所在平面比底層微帶線高7層,如果僅加工單個轉換結構,那么頂層微帶線便形成一個非常小的孤島,不方便熱壓。為了方便工藝實現,需要先加工成背靠背結構,然后從帶線中間切斷。本設計在進行實物測試時,為了方便測試和減少工藝步驟,并未將背靠背結構切分為兩個獨立模塊,而是直接測試背靠背結構,圖6給出了背靠背結構仿真結果。

圖6 背靠背結構仿真結果

4 實物測試與結果分析

實物加工LTCC采用FerroA6M,介電常數5.9,單層厚度0.096mm。整個制作過程大致分為打孔、填孔、印刷圖形、疊片和熱壓、排膠共燒,劃片6個工序。其中排膠共燒過程會使LTCC產生一定收縮,因此在印刷圖形前需要按照比例將圖形放大。

本次測試采用Agilent公司的矢量網絡分析儀E8363B進行測試。為了方便測試和減小測試所帶來的誤差,需要先將互連結構固定在測試夾具上,如圖7所示,轉換結構兩端使用25μm金絲鍵合至Rogers板[11],再使用SMA接頭連接至矢量網絡分析儀。

測試結果如圖8所示,從圖中可以看出該背靠背結構在13.8GHz附近出現了微弱諧振(圖8中mark 4),插損為0.87dB,這是疊層熱壓時通孔對位偏差以及共燒時陶瓷收縮率不穩定引起的圖形尺寸偏差所導致的。除開13.8GHz附近的諧振,同時扣除測試架插損0.2dB,頻段內其余點插損小于0.6dB,回波損耗大于12dB,與圖8的仿真結果基本吻合。比較圖8和圖6,插損和回波損耗實測值均比仿真值差,除了陶瓷收縮率不穩定和孔對位偏差等原因外,還有需要考慮金絲鍵合、測試架裝配誤差等。

圖7 實物圖

圖8 測試結果

在理論上此互連方式可以高頻應用或寬帶應用,但是由于目前國內LTCC加工過程中陶瓷的收縮率無法精確控制和孔對位精度還不夠高,垂直互連的高頻應用及寬帶應用效果不佳。

5 結語

基于LTCC的良好微波性能、較低收縮率和高導熱性,本文設計并制作了一種用于收發組件的窄帶微波信號多層互連結構,加工的實物經測試得:在12GHz～18GHz范圍內插損小于0.9dB,回波損耗大于12dB,與仿真結果吻合較好。實驗證明其具有尺寸小,插損低、應用范圍廣等優點,此種設計可以應用于實際工程中。

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Microwave Signal LTCC Multilayer Interconnection Design

LAN Yunpeng WU Jingfeng WANG Kanghan

(Hebei Semiconductor Research Institution, Shijiazhuang 050051)

The paper introduces a narrow band multi-layer interconnection design of microwave signal since low insertion loss of the microwave interconnection transition structure on different surface one of the significant point deciding the capability of the 3D T/R model. The structure has accomplished the interconnection of microwave signals on different plane transmitting electromagnetic wave from top microstrip to the bottom microstrip by the via hole of vertical interconnect and stripline-to-microstrip transition. The three kind model are analyzed and optimized by HFSS software. The optinal scheme is chosen and manufactred into product by considening the manufacturing difficulty and simulation result. The measured results show that the insertion loss is less than 0.9dB, the return loss is better than 12dB in 12GHz to 18GHz, which are ultimately accountable to the optimistic results. The experiment results indicate that the structure has the advantages such as small size, low insertion loss, broad application.

narrow band, microwave signal, multiple layer, vertical connection, LTCC

2013年7月10日,

2013年8月20日

蘭云鵬,男,碩士研究生,研究方向:微波毫米波電路與系統。吳景峰,男,研究員,研究方向:微波毫米波電路、電磁場理論、無線電通信技術等。王抗旱,男,研究員,研究方向:微波毫米波電路與系統。

TN911.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.025