背敷金属共面波导传输线（GCPW）端头接地过孔研究

李明磊，乔志壮，刘林杰，高岭

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引言

背敷金属共面波导传输线(GCPW)具有性能优越、加工方便的特点，在MMIC电路中发挥了重要作用。尤其是在毫米波频段，GCPW相比于常规微带传输线，更容易加工，且辐射损耗小，易于实现无源、有源器件的集成，因此被广泛应用[1]。

1 GCPW介绍

GCPW相较于常规共面波导在基片背面增加了接地金属，在上层射频传输线的两侧均有接地平面，两侧接地平面通过金属过孔将上层和底层的平面相连，其横截面如图1所示。

图1 GCPW 横截面示意图

影响GCPW性能的参数包括：介质材料厚度H，中间带线宽度W，带线对地间距S，金属化厚度t，材料的介电常数rε。

2 GCPW端头接地过孔

对于GCPW来说，过孔用于将同电位的两平面短接，称为接地过孔。接地过孔的设计是非常有必要的，不但可以给流经过孔的回路信号提供良好的返回路径，而且可以降低过孔间的串扰等噪声。接地过孔最好在两平面间均匀地添加，同时接地过孔越多，串扰噪声的抑制效果越好。如何设计接地过孔是提高射频性能的重要一步。常规的接地过孔在射频传输线两端均匀分布，为信号提供返回路径，已经有相关文献[1-2]对影响接地过孔性能的因素进行了研究分析。

但上述分析的接地过孔均位于GCPW内部，本文则对GCPW端头接地过孔进行了研究，分析了有无端头接地过孔对微波性能的影响[3-4]。端头接地过孔的实现方式为在GCPW边缘加入侧面空心金属化，使得上下接地面直接连接。如图2所示，对比了如下三种结构：a结构无端头接地过孔，b结构在传输线的两端增加接地过孔，c结构在b结构基础上增加转接部位的接地过孔。图中圆圈处为端头接地过孔。

图2 a、b、c 三种结构

三种结构的仿真结果如图3和图4所示。

图3 三种结构的S11 参数仿真对比

图4 三种结构的S21 参数仿真对比

从仿真结果可以看出，在DC～40GHz范围内a结构传输性能最差，b结构次之，c结构最好。因此可以得出，增加端头接地过孔后传输线的微波性能得到明显改善。

3 实物测试与机理分析

针对上述仿真结果，实际加工了a、b、c三种结构，并进行实际测试对比，其S参数对比结果如图5所示。

图5 三种结构实际测试图

从图6～7可以看出，实物测试结果显示c结构微波性能最好，与仿真结果趋势一致。

图6 三种结构S11 参数实测对比

图7 三种结构S21 参数实测对比

进一步分析了三种结构在传输路径上的特征阻抗，如下图8-图10所示。

图8 a 结构传输路径的特征阻抗

图9 b 结构传输路径的特征阻抗

图10 c 结构传输路径的特征阻抗

从时间上将特征阻抗分为两段，第一段从0.00ns～0.05ns，第二段从0.05ns～0.08ns。这两个时间段三种结构的特征阻抗其最大最小值如表1所示。

表1 三种结构阻抗对比

从表1可以看出，b结构相较于a结构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结构相较于b结构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。可以看出增加端头接地过孔后，传输路径上的阻抗震荡明显减小，并趋于稳定[5]。

因此在GCPW结构中增加端头接地过孔后，可有效减小传输路径上的阻抗振荡，从而提高产品的微波性能。

4 结语

本文研究分析了有无端头接地过孔对GCPW传输结构的影响，结合仿真与实物验证，得出端头接地过孔可有效改善传输结构的微波性能，并对其影响机理进行了分析。事实证明，在实际应用中，端头接地过孔确实可以有效改善传输结构的微波性能。