一種MS-SL過渡的LTCC圓弧形分支線耦合器設計

吳 歡，陳建榮，賈文強，姚 欣

（空間電子信息技術研究院 陜西 西安 710100）

一種MS-SL過渡的LTCC圓弧形分支線耦合器設計

吳 歡，陳建榮，賈文強，姚 欣

（空間電子信息技術研究院 陜西 西安 710100）

基于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術，設計了一個Ka波段帶狀線形式分支線耦合器，其4個端口相互垂直，避免了傳統(tǒng)結構中平行端口距離較近產生耦合的問題，充分利用了基板空間。為了方便測試以及與基板表面貼裝元件集成，分析設計了一個微帶線到帶狀線（MS-SL）的垂直互聯(lián)過渡結構，在傳統(tǒng)模型基礎上，引入了圓盤匹配結構和弧形金屬連接帶，使得最高頻率和插入損耗都有了較大改善。整體仿真結果顯示帶寬可以達到4.3 GHz，在設計要求的28.5～30 GHz頻帶內，輸入端口1的反射系數均大于24 dB，輸出端口2和3的幅平小于0.5 dB，相位差為90o0.6o，隔離端口4的隔離度大于24 dB。耦合器的外形尺寸為3.9×3.9×0.576 mm3。

低溫共燒陶瓷；分支線耦合器；微帶線-帶狀線過渡；匹配圓盤；弧形金屬帶

3 dB分支線定向耦合器是微波毫米波電路中的重要部件，可以在一定頻帶內提供幅度相等，相位正交的輸出信號，廣泛應用在平衡混頻器、鏡像抑制混頻器、平衡放大器、功率合成/分配器等電路中[1-2]。分支線電橋由四分之一波長傳輸線構成，因此在微波集成電路（MIC）和單片集成電路（MMIC）應用中，所占電路面積較大以及有效帶寬較窄是它面臨的主要問題[3-6]。目前，一些傳統(tǒng)的分支線耦合器小型化的方法已經應用到了Ka波段[7-10]。不過近些年各種新型多層電路技術的相繼問世也給我們解決小型化問題提供了一個全新的思路。特別是比較流行的低溫共燒陶瓷（LTCC）技術，利用它多層基板布線的特性可以使電路從二維平面走向三維立體，從而大大減小電路體積。在LTCC中，帶狀線形式的無源器件可埋置在其介質中，MMIC等有源器件可安裝在基板表面，兩者通過微帶線-帶狀線（MS-SL）垂直過渡結構連接，這樣將很大程度上提高電路的集成度。

文中基于此思路，提出了一個利用帶狀線實現的Ka波段圓弧形分支線耦合器，此外，為了方便耦合器與其他電路元件相連以及測試，分析設計了一個微帶線到帶狀線的垂直過渡結構。

1 圓弧形分支線定向耦合器設計

文章所提出的定向耦合器設計指標為：中心頻率29.25 GHz，帶寬大于1.5 GHz，插入損耗IL小于0.5 dB，隔離度大20 dB，回波損耗RL大于20 dB。

1.1 結構實現

根據3 dB分支線定向耦合器設計理論可知，當輸入輸出傳輸線特性阻抗為50時，其主線特征阻抗為35.3，支線特征阻抗為50。LTCC介質選用Ferro-A6S/M生瓷帶，相對介電常數為5.9，損耗角正切0.002，每層生瓷帶燒結后的厚度為0.096 mm。帶狀線結構選用6層生瓷帶，總厚度為0.576 mm。中心頻率為29.25 GHz時，四分之一波長支線寬度為0.177 mm，長度為1.05 mm，主線寬度為0.35 mm。由此可知，耦合器同側兩個端口的間距為1.05mm左右，在硬件加工測試時，K接頭的長為16 mm，寬為5.65 mm，此時若采用傳統(tǒng)的分支線耦合器形式，為了測試，通常需要將4個端口傳輸線適當延長，為了減少微帶直角拐彎引起的諧振，還可以在拐彎處使用圓弧過渡，如圖1所示。

不過這種布局方式將帶來了兩個問題：其一是基板浪費面積很大，上下兩邊沒有利用；其二是拐角過多，還是會引起諧振[7]。為了解決上述問題，本文設計了一個如圖2所示的圓弧形分支線定向耦合器。耦合器主線和支線的弧度θ均為π/2，根據弧長公式l=θr，由四分之一波長分支線的長度l=1.05 mm，可以得到圓弧半徑的初始值，此值為弧形帶中心弧線的半徑，再根據主線和支線的不同寬度可以建立此模型，大小為3.9×3.9×0.576 mm3。此時耦合器的4個端口相互垂直，充分利用了基板空間，并且避免了傳統(tǒng)形式中同側兩個平行端口由于距離太近引起耦合的問題。

圖1 傳統(tǒng)的有K接頭的分支線定向耦合器布局

圖2 圓弧形分支線定向耦合器

1.2 仿真結果

利用三維電磁計算軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真結果如圖 3（a）（b）所示，帶寬可以達到3.3 GHz，在設計要求的28.5～30 GHz頻帶內，輸入端口1的反射系數均大于26 dB，兩個輸出端口2、3幅平小于0.25 dB，相位差為90o0.4o，隔離端口4的隔離度大于25 dB，均滿足設計要求。

圖3 圓弧形分支線耦合器仿真結果

2 微帶線到帶狀線垂直互聯(lián)過渡結構設計

微帶線到帶狀線（MS-SL）垂直過渡一般是上層微帶線過渡到中間層的帶狀線結構，主要應用于內部集成帶狀線電路形式的電路互聯(lián)。為了方便上文提出的帶狀線耦合器與其它電路元件相連以及測試，文中分析并設計了一個基于LTCC技術的微帶線到帶狀線的垂直過渡結構。

2.1 結構實現

文中提出的微帶線到帶狀線垂直互聯(lián)過渡結構如圖4所示，俯視圖和側視圖分別如圖5（a）（b）所示。LTCC中垂直金屬通孔是實現微帶線到帶狀線過渡的主要途徑，文中采用“類同軸”結構，介質表面的微帶線經通孔穿過中間接地層開出的地孔連接到帶狀線。從俯視圖可以看到互聯(lián)通孔等效為同軸線內導體，圍繞在金屬通孔周圍的多個接地通孔等效為同軸線外導體，LTCC生瓷帶等效為同軸線的填充介質。

圖4 微帶線到帶狀線垂直互聯(lián)過渡模型

圖5 微帶線到帶狀線垂直互聯(lián)過渡結構

不過類似同軸線的垂直傳輸通孔不是理想的同軸線，在毫米波波段的分布電容和分布電感等寄生效應不可忽略[11]。影響這些寄生參數的主要因素有互聯(lián)金屬通孔長度，半徑r，地孔半徑Dc，外圍接地通孔圓柵半徑R，傳輸線與通孔連接處面積，介質基片材料以及通孔導電材料等。因此模型首先引入了外圍接地通孔圓柵，根據同軸線的特性阻抗公式：

以及垂直互聯(lián)通孔半徑r可以確定等效同軸外導體的半徑初始值。在傳輸線與通孔連接處引入圓形匹配焊盤，它所形成的接地電容可以改變等效模型的輸入輸出匹配阻抗，從而在毫米波頻段實現良好的傳輸性能，同時還可以增加工作帶寬。另外，利用與微帶線同層的弧形金屬帶將接地通孔連接起來，使得外圍通孔柵具有更好的隔離和屏蔽效果，金屬帶寬度與通孔直徑相同。

圖5的側視圖說明了其層間關系，其中微帶線介質3層生瓷帶，帶狀線上下地之間6層生瓷帶，基板共9層。中心互聯(lián)通孔半徑r=0.065 mm，外圍接地通孔圓柵半徑R=0.6 mm，略大于相同大小內導體的同軸線外導體半徑，地孔半徑Dc=0.41 mm，微帶線匹配圓盤半徑D1=0.245 mm，帶狀線匹配圓盤半徑D2=0.09 mm。

2.2 仿真結果

該模型HFSS仿真結果如圖6所示，回波損耗大于20 dB的最高頻率可達53 GHz，最大插損0.18 dB。

圖6 微帶線到帶狀線垂直互聯(lián)過渡仿真S參數

目前，國內外已有一些學者對微帶線到帶狀線垂直過渡進行了深入研究[12-15]。其中文獻[12]利用增加過渡處接地面孔洞上方的微帶線寬度和抑制寄生模的帶狀線屏蔽孔來改善過渡性能；文獻[13]在帶狀線周圍增加接地通孔實現隔離，并且在帶狀線下面增加“小地”實現過渡；文獻[14]在帶狀線下方用一個圓柱形空氣腔替換原有的LTCC介質材料，以降低垂直通孔所引起的電容效應，實現較好的過渡；文獻[15]采用類同軸和“水滴”匹配方法，實現微帶到帶狀穿透兩層接地導體的正反向過渡。這幾類設計的主要性能列于表1中，可以看出，與上述文獻相比較，本設計由于在傳統(tǒng)模型上引入了圓盤匹配結構和弧形金屬連接帶，使得該過渡結構的最高頻率和插入損耗都有了較大改善。

表1 過渡結構比較

3 MS_SL過渡的耦合器模型及仿真

文中所提出的通過MS-SL過渡的圓弧形分支線定向耦合器模型如圖7所示。分支線耦合器具有高度的對稱性，4個端口中的任意端口都可作為輸入端口，若選擇圖中的端口1為輸入端，則端口2為直通端，端口3為耦合端，端口4為隔離端。

圖7 MS-SL過渡的圓弧形分支線耦合器模型

仿真結果如圖8所示，帶寬可以達到4.3 GHz，在設計要求的28.5～30 GHz頻帶內，輸入端口1的反射系數均大于24 dB，兩個輸出端口2、3的幅平小于0.5 dB，相位差為90o±0.6o，隔離端口4的隔離度大于24 dB，滿足設計要求。

圖8 MS-SL過渡的圓弧形分支線耦合器

4 結束語

基于LTCC技術[16-17]，提出了一個利用帶狀線實現的Ka波段圓弧形分支線耦合器，為了方便測試以及與基板表面貼裝元件集成，分析設計了一個微帶線到帶狀線的垂直互聯(lián)過渡結構。仿真結果顯示其具有優(yōu)良的耦合和隔離性能。利用LTCC技術的多層基板布線特性，帶狀線形式的耦合器內埋在介質中，使得基板表面有更多的空間表貼或者內嵌其他元件，很大程度上提高了電路的可集成度。

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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稿件編號：201604094

吳 歡（1990—），女，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：空間微波技術。