背敷金屬共面波導傳輸線（GCPW）端頭接地過孔研究

李明磊，喬志壯，劉林杰，高嶺

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

背敷金屬共面波導傳輸線(GCPW)具有性能優越、加工方便的特點，在MMIC電路中發揮了重要作用。尤其是在毫米波頻段，GCPW相比于常規微帶傳輸線，更容易加工，且輻射損耗小，易于實現無源、有源器件的集成，因此被廣泛應用[1]。

1 GCPW介紹

GCPW相較于常規共面波導在基片背面增加了接地金屬，在上層射頻傳輸線的兩側均有接地平面，兩側接地平面通過金屬過孔將上層和底層的平面相連，其橫截面如圖1所示。

圖1 GCPW 橫截面示意圖

影響GCPW性能的參數包括：介質材料厚度H，中間帶線寬度W，帶線對地間距S，金屬化厚度t，材料的介電常數rε。

2 GCPW端頭接地過孔

對于GCPW來說，過孔用于將同電位的兩平面短接，稱為接地過孔。接地過孔的設計是非常有必要的，不但可以給流經過孔的回路信號提供良好的返回路徑，而且可以降低過孔間的串擾等噪聲。接地過孔最好在兩平面間均勻地添加，同時接地過孔越多，串擾噪聲的抑制效果越好。如何設計接地過孔是提高射頻性能的重要一步。常規的接地過孔在射頻傳輸線兩端均勻分布，為信號提供返回路徑，已經有相關文獻[1-2]對影響接地過孔性能的因素進行了研究分析。

但上述分析的接地過孔均位于GCPW內部，本文則對GCPW端頭接地過孔進行了研究，分析了有無端頭接地過孔對微波性能的影響[3-4]。端頭接地過孔的實現方式為在GCPW邊緣加入側面空心金屬化，使得上下接地面直接連接。如圖2所示，對比了如下三種結構：a結構無端頭接地過孔，b結構在傳輸線的兩端增加接地過孔，c結構在b結構基礎上增加轉接部位的接地過孔。圖中圓圈處為端頭接地過孔。

圖2 a、b、c 三種結構

三種結構的仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 三種結構的S11 參數仿真對比

圖4 三種結構的S21 參數仿真對比

從仿真結果可以看出，在DC～40GHz范圍內a結構傳輸性能最差，b結構次之，c結構最好。因此可以得出，增加端頭接地過孔后傳輸線的微波性能得到明顯改善。

3 實物測試與機理分析

針對上述仿真結果，實際加工了a、b、c三種結構，并進行實際測試對比，其S參數對比結果如圖5所示。

圖5 三種結構實際測試圖

從圖6～7可以看出，實物測試結果顯示c結構微波性能最好，與仿真結果趨勢一致。

圖6 三種結構S11 參數實測對比

圖7 三種結構S21 參數實測對比

進一步分析了三種結構在傳輸路徑上的特征阻抗，如下圖8-圖10所示。

圖8 a 結構傳輸路徑的特征阻抗

圖9 b 結構傳輸路徑的特征阻抗

圖10 c 結構傳輸路徑的特征阻抗

從時間上將特征阻抗分為兩段，第一段從0.00ns～0.05ns，第二段從0.05ns～0.08ns。這兩個時間段三種結構的特征阻抗其最大最小值如表1所示。

表1 三種結構阻抗對比

從表1可以看出，b結構相較于a結構在第一段的特征阻抗值偏差小了2.41Ω，第二段特征阻抗值偏差小了0.15Ω。c結構相較于b結構在第一段的特征阻抗值偏差小了0.48Ω，第二段特征阻抗值偏差小了1.19Ω。可以看出增加端頭接地過孔后，傳輸路徑上的阻抗震蕩明顯減小，并趨于穩定[5]。

因此在GCPW結構中增加端頭接地過孔后，可有效減小傳輸路徑上的阻抗振蕩，從而提高產品的微波性能。

4 結語

本文研究分析了有無端頭接地過孔對GCPW傳輸結構的影響，結合仿真與實物驗證，得出端頭接地過孔可有效改善傳輸結構的微波性能，并對其影響機理進行了分析。事實證明，在實際應用中，端頭接地過孔確實可以有效改善傳輸結構的微波性能。