多层LCP 基板中宽带槽线耦合结构的设计与实现

刘维红,关东阳,黄倩,张璇

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121)

随着微波毫米波电路朝着高集成度、小型化、高性能方向发展以及使用频率的不断提高,槽线耦合结构作为其核心单元,不仅要求低损耗、低成本、宽频带,还需要保证其结构紧凑且易于加工[1]。传统多层电路结构中,不同层传输线之间主要有过孔互连[2-3]和槽线垂直耦合[4-5]两种互连形式。过孔互连结构以其体积小、结构紧凑而被广泛应用于多层电路结构中。但是,随着电路使用频率的不断增加,器件尺寸不断缩小,多层电路结构中过孔互连结构的实现难度与日俱增[6]。槽线垂直耦合只需要在接地平面制作槽线结构,就可以实现异面传输线的高效互连,降低了加工难度,提高了设计效率。

研究人员针对槽线耦合结构进行了系统深入的研究。为了缩小槽线耦合电路结构体积,Zheng 等[7]创新性地提出了一种折叠形微带耦合线结构。为了克服槽线耦合电路结构带宽过窄的问题,Tao 等[8-9]通过在传统过渡结构地平面添加贴片来增强电磁耦合,实现了其宽带传输特性。Yang 等[10]基于槽线阶跃阻抗谐振器,设计了一款微带到微带垂直耦合结构,并通过两个背对背Y 型结,实现了滤波器的小型化设计。Feng 等[11-12]基于共面波导谐振器的多模理论,设计了一款具有滤波性能的槽线结构,研究人员通过适当调节两馈电点的偏离距离,使地平面共面波导谐振器的多个模式得到激发,实现了槽线耦合结构的滤波性能以及宽带特性。

综上所述,槽线耦合结构不仅可以利用折线设计实现体积的大幅度缩小,而且可以通过耦合结构的优化设计实现其宽带特性[13]。鉴于槽线耦合结构的众多优点,本文基于多层LCP 基板,设计了一款微带线-槽线-微带耦合线垂直耦合结构,通过在第四层加载开路枝节线,实现了槽线耦合结构在24.5～42 GHz宽频范围内射频信号的高效传输。

1 微带线-槽线-微带线耦合结构的设计

本文采用传统的三层结构,如图1 所示,在三层LCP 基板中,顶层采用50 Ω 的微带线作为槽线耦合结构的输入输出端口,槽线设计在第二层金属层,第三层为平行耦合微带线。毫米波信号经输入端口1,通过地平面的槽线结构,耦合到第三层的平行耦合微带线,再由槽线耦合到输出端口。在多层LCP 电路结构中,芯板厚度为0.1 mm,相对介电常数为2.9,损耗角正切为0.0025。

图1 未加载开路枝节线槽线耦合电路结构Fig.1 3D view of the slotline coupling transition without open branch line

图2 为槽线耦合结构的俯视图,图中W1、L1、L4分别表示顶层微带线的宽度、输入端口到槽线的距离以及超出槽线结构开路枝节线长度;W2、L2分别表示槽线的宽度和长度;W3、L3、2d分别表示平行耦合微带线的宽度、半边长度以及耦合微带线间距。

图2 槽线耦合电路结构俯视图Fig.2 Top view of slotline coupling transition

2 仿真优化

为了得到宽带的Ka 频段槽线耦合结构,本文详细研究了结构参数对槽线耦合结构传输特性的影响规律。图3、图4 和图5 分别给出了槽线耦合结构传输性能与其结构参数L2、d以及L4的影响规律。

如图3 所示,当槽线长度L2小于1.9 mm,该结构呈现出窄带特性。当槽线长度L2增加到2.1 mm 时,槽线耦合结构的传输通带内增加了一个传输极点,槽线耦合结构呈现出宽带特性,有效地增加了耦合结构的带宽,在23～43.62 GHz 宽频范围内实现了信号的宽带传输。

图3 S11随着L2 的变化曲线图Fig.3 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of L2

图4 表示槽线耦合结构参数d对其传输特性的影响。可以明显看出,随着d长度的不断增加,槽线耦合结构逐渐呈现出宽带特性。分析其主要原因是,在d增加的过程中,顶层微带线激发起槽线结构中的高次模、基模和高次模式的相互耦合,导致槽线耦合结构通带的展宽[14]。

图4 S11随着d 的变化曲线图Fig.4 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of d

图5 表示L4对槽线耦合结构传输特性的影响规律。可以看出,随着L4长度的增加,S11低频传输极点在频率25.5 GHz 左右保持不变,高频传输极点从频率34.45 GHz 上移到了40.36 GHz,槽线耦合结构的带宽变宽,且在25.5～34.45 GHz 频带范围内,反射系数小于-15 dB。

图5 S11随着L4的变化曲线图Fig.5 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of L4

通过对L2、d和L4三个参数分析可以得出,当槽线的长度大约为中心频率的二分之一导波波长、第三层微带线位于槽线长度大约三分之一处、伸出槽线微带线长度大约为中心频率四分之一导波波长时[15],槽线耦合电路结构实现了宽带传输。

通过对槽线耦合结构进行优化设计,得到相关结构参数:W1=0.33 mm,W2=0.14 mm,W3=0.15 mm,L1=2.2 mm,L2=2.28 mm,L3=3.8 mm,L4=0.91 mm,d=0.45 mm。槽线耦合结构仿真结果如图6 所示,该结构在23～43.62 GHz 频段范围内呈现出优异的传输特性,带内插入损耗约为-1 dB,回波损耗在-16 dB 以下。

图6 未加载开路枝节线槽线耦合结构S 参数Fig.6 Simulated S-parameters of the slotline coupling transition without open branch line

3 加载开路枝节线槽线耦合结构的设计

为了进一步改善槽线耦合结构的传输性能,如图7所示,在其底层加载了开路枝节线。通过在底层添加枝节线,可以更加灵活地控制第三层平行耦合线的阻抗特性,实现槽线耦合结构阻抗的高效匹配,从而实现宽带信号的传输。图8、图9 给出了开路枝节线阻抗匹配的仿真结果。从图中可以清晰看到,随着开路枝节线长宽尺寸逐渐增加,槽线耦合结构回波损耗得到了明显改善,槽线耦合结构实现了宽带信号的高效传输。经过优化设计,开路枝节线的长为3 mm,宽为1 mm。

图7 加载开路枝节线槽线耦合电路结构Fig.7 3D view of the slotline coupling transition with open branch line

图8 S11随着W 的变化曲线图Fig.8 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of W

图9 S11随着L 的变化曲线图Fig.9 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of L

图10 给出了加载开路枝节线前后槽线耦合结构的S参数对比图。从图中可以明显看出,在加载了开路枝节线后,插入损耗从-1 dB 提升到-0.95 dB,回波损耗从-16 dB 提升到-21 dB。通过对比得出,槽线耦合结构底层开路枝节线的加载能够明显改善其通带内传输性能。

图10 加载开路枝节线与未加载开路枝节线时槽线耦合结构的仿真结果对比Fig.10 Comparison of simulation results of the slotline coupling transition with and without open branch line

4 实物制作与测试

为了验证槽线耦合结构的宽带传输特性,对设计的多层LCP 槽线耦合结构进行了实物加工,其结构如图11 所示。本文采用Cascade EPS15 探测台和矢量网络分析仪(Rohde &Schwarz VNA40)对实物进行了测试,其测试环境如图12 所示。图13 给出了加载开路枝节线槽线耦合结构的仿真和测试结果,从图中可以清晰看到,本文设计的槽线耦合结构在23.16～40.35 GHz 通带范围内插入损耗约为-2 dB,回波损耗均优于-14 dB。同时,可以明显地观察到,测试结果的回波损耗相对于仿真结果出现了一定程度的恶化。针对这一现象,进行了多层LCP 电路粘合层厚度变化的仿真验证与分析,如图14 所示,随着粘合层厚度变小,槽线耦合结构通带内S11变差。因此,在多层LCP 基板压合过程中,压合力度将会极大影响多层电路结构的毫米波特性。所以,在后续的研究过程中,需要对粘合层的毫米波特性进行系统研究,进而提高多层LCP电路设计的精度。

图11 加载开路枝节线槽线耦合结构实物图Fig.11 Photography of the fabricated circuits

图12 实物测试环境Fig.12 Physical test environment

图13 加载开路枝节线槽线耦合结构的仿真与测试结果Fig.13 Simulation and test results of slotline coupling transition with open branch line

图14 S11随着h 的变化曲线图Fig.14 Simulated S11-parameter versus frequency for various values of h

5 结论

本文基于多层LCP 基板,利用槽线耦合技术,设计了一款Ka 波段宽带槽线耦合过渡电路结构。为了改善其通带性能,通过在电路底层加载开路枝节线,使其通带内插入损耗从-1 dB 提高到-0.95 dB,回波损耗从-16 dB 提升到-21 dB。该槽线耦合结构简单且易于加工,很好地满足了现代无线通信系统对宽带微波毫米波器件高性能的应用需求,具有重要的工程应用价值。