楊 濤，宋慶輝，杜江坤

45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔TDR仿真技術(shù)

楊 濤，宋慶輝，杜江坤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

準(zhǔn)同軸微波多層過孔是微波多層印制技術(shù)中常用的跨層互連形式，當(dāng)互連結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，其微波性能會(huì)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)構(gòu)成較大影響，目前研究微波過孔的手段還主要局限于理論推導(dǎo)和頻域仿真。首次使用TDR仿真技術(shù)，對(duì)45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔進(jìn)行了建模、仿真和分析，并對(duì)過孔尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，所得到的微波多層過孔結(jié)構(gòu)具有較理想的50 Ω阻抗特性，同時(shí)在很寬的頻帶內(nèi)展現(xiàn)出良好的微波特性，進(jìn)而驗(yàn)證了TDR仿真方法在分析準(zhǔn)同軸微波多層過孔結(jié)構(gòu)上的有效性。

微波多層電路；時(shí)域反射測(cè)量計(jì)；準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)；超寬帶

引用格式：楊 濤，宋慶輝，杜江坤.45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔TDR仿真技術(shù)［J］.無線電工程，2016，46（5）：56-59.

0 引言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)小型化要求日益提高，在各種小型化技術(shù)中，基于PCB的微波多層印制技術(shù)［1］具有成熟的工藝體系、良好的設(shè)計(jì)兼容性、優(yōu)異的系統(tǒng)集成能力和相對(duì)低廉的成本，其在相控陣波束形成網(wǎng)絡(luò)［2］、綜合饋電系統(tǒng)［3］及微波電路小型化［4］的成功應(yīng)用展示出其獨(dú)特的價(jià)值和前景，相應(yīng)的工藝技術(shù)也得到較為深入的研究［5］。但另一方面，微波多層印制電路尺寸相對(duì)較大，會(huì)引入明顯的寄生參數(shù)，使電路性能惡化。微波多層過孔是常見的不連續(xù)性單元，在較高頻率下對(duì)電路性能影響顯著。此外，這種過孔屬半開放結(jié)構(gòu)，會(huì)通過接地柱間隙輻射能量，成為內(nèi)部干擾源，因而其微波特性得到了廣泛研究。以往對(duì)微波過孔的研究方法包括準(zhǔn)靜態(tài)法［6］、模式匹配法［7］、鉅量法［8］以及其他全波仿真方法［9］等。這些方法在分析具體微波過孔時(shí)簡(jiǎn)單有效，但對(duì)形狀、尺寸優(yōu)化缺乏指導(dǎo)性。

源自測(cè)量領(lǐng)域的時(shí)域反射測(cè)量計(jì)（Time-Domain Reflectometry，TDR）是一個(gè)時(shí)域概念，其工作原理與雷達(dá)類似。將TDR概念引入電磁仿真，可直觀得到延信號(hào)傳輸方向的阻抗信息和不連續(xù)信息［10］，從而有針對(duì)性地進(jìn)行就近補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。本文擬采用TDR方法對(duì)具有代表性的45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔進(jìn)行分析和優(yōu)化，并得到具有良好超寬帶微波性能的多層過孔結(jié)構(gòu)。

1 過孔結(jié)構(gòu)分析

為保證電路性能，微波多層過孔通常選用圖1（a）所示的準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由位于中心的金屬化過孔（Plated Trough Hole，PTH）代替同軸線的內(nèi)導(dǎo)體，由周圍一圈圓周對(duì)稱排布的PTH代替同軸線的外導(dǎo)體。影響微波性能的主要參數(shù)如圖1（b）所示。其中，R_post_in為中心通孔的半徑，R_pad_ in為中心通孔焊盤的半徑，R_post_out為外圍通孔的半徑，R_G為板內(nèi)地平面開窗的反焊盤半徑，R_p為接地通孔與中心通孔的中心距離，而分布角則表示兩相鄰地孔與結(jié)構(gòu)中心連線的夾角。

圖1　準(zhǔn)同軸微波過孔示意

當(dāng)分布角為45°時(shí)，可去掉過孔中的2個(gè)接地柱并引入微帶抽頭，從而形成90°或180°的傳輸線排布，這在微波電路布局中是經(jīng)常用到的。

1.1 板層分布

與傳統(tǒng)多層印制技術(shù)相同，微波多層印制技術(shù)同樣需要用粘結(jié)片將多塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的微波覆銅板粘結(jié)以形成多層類周期結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　微波多層板分布示意

覆銅板與粘結(jié)片往往具有不同的介電常數(shù)和相速，因此在考慮通孔的射頻性能時(shí)，為方便起見引入從式（1）可看出，多層板的有效介電常數(shù)介于介質(zhì)板和粘結(jié)片的介電常數(shù)之間。常用微波板材的厚度通常較小，因此在較低頻段，整個(gè)多層板可近似看作均勻介質(zhì)（延z向），在此范圍內(nèi)式（1）是有效而便捷的。

1.2 準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)

同軸線是微波系統(tǒng)中常用的TEM傳輸線，其特性阻抗計(jì)算公式如式（2）所示，可見，在均勻介質(zhì)填充的情況下，同軸線的特性阻抗只與內(nèi)外徑的比值有關(guān)。有效介電常數(shù)，其表達(dá)式為：

在微波多層過孔中，準(zhǔn)同軸過孔是一種典型實(shí)現(xiàn)形式，兼具同軸線的優(yōu)良特性和簡(jiǎn)單工藝，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖3（a）進(jìn)一步說明準(zhǔn)同軸過孔的縱向結(jié)構(gòu)，圖3（b）給出垂直于z軸的平面結(jié)構(gòu)?？梢姡⒉ǘ鄬訙?zhǔn)同軸過孔與真正同軸線尚有2點(diǎn)主要差別：非屏蔽性和金屬層工藝焊盤。非屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)造成電磁能量的泄露，但這種泄露可通過增大地孔密度和限制使用頻率加以控制；工藝焊盤則會(huì)導(dǎo)致額外的寄生電容，使式（2）在計(jì)算該結(jié)構(gòu)時(shí)失效。因此，實(shí)際使用的微波過孔往往通過三維全波仿真的方式評(píng)估性能。

圖3　準(zhǔn)同軸微波過孔電場(chǎng)分布示意

2 45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔TDR仿真

在微波多層準(zhǔn)同軸過孔的設(shè)計(jì)中，圖1（b）所示的分布角的選取，需結(jié)合實(shí)際需求，而45°是一種常見的分布角，對(duì)其微波性能分析，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。與其他電磁仿真手段相比，TDR可給出延傳輸線方向的阻抗分布曲線，從而為結(jié)構(gòu)的阻抗設(shè)計(jì)及匹配提供便利。

2.1 TDR仿真模型及設(shè)置

采用ANSYS公司HFSS軟件的時(shí)域求解器對(duì)45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔進(jìn)行建模仿真，模型如圖4所示。其中，選用的微波介質(zhì)為Arlon 0.254 mm厚CLTE-XT，粘結(jié)片為Arlon 0.1 mm厚25N；不失一般性，介質(zhì)的層數(shù)取11。為方便起見，輸入輸出接口選擇CLTE-XT填充的50 Ω同軸線。在仿真中，設(shè)置Solution Type為Transient，輸入信號(hào)選擇TDR，材質(zhì)設(shè)置為無耗，脈沖上升時(shí)間為22.7 ps，如圖5所示。

圖4　TDR微波多層過孔仿真模型

圖5　TDR設(shè)置裝口

2.2 仿真結(jié)果

在上述設(shè)置下對(duì)準(zhǔn)同軸微波過孔模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。TDR阻抗曲線可直觀給出沿傳輸通路方向不同位置的阻抗值，并為阻抗匹配提供參考信息。圖6所示的曲線為優(yōu)化后結(jié)果，易看出延傳輸線方向的阻抗波動(dòng)很小，且在50 Ω上下半?yún)^(qū)基本達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖6　過孔TDR阻抗曲線

作為比較，對(duì)同一模型進(jìn)行頻域仿真，結(jié)果如圖7所示?？梢娫撃Ｐ驮诟哌_(dá)20 GHz范圍內(nèi)具有優(yōu)良的插入損耗、回波損耗和較低的信號(hào)泄露水平（該模型未考慮金屬和介質(zhì)的損耗，故插入損耗為回波損耗和輻射損耗之和），具有潛在的超寬帶應(yīng)用價(jià)值。

圖7　過孔頻域仿真曲線

3 結(jié)束語

采用TDR仿真技術(shù)對(duì)45°準(zhǔn)同軸微波多層過孔的性能進(jìn)行了分析，并利用仿真所得阻抗曲線對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。所得到的微波多層過孔具有延微波信號(hào)傳輸方向波動(dòng)較小的阻抗曲線，同時(shí)也具有20 GHz頻段內(nèi)的優(yōu)良傳輸特性，在寬帶微波多層系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。所完成的工作也較容易推廣至其他層數(shù)、厚度的微波多層板，為微波多層印制電路的設(shè)計(jì)提供便利和參考。

［1］ DAIGLE R C.Multilayer Microwave Boards：Manufacturing and Design［J］.Microwave Journal，1993，36（4）：87-97.

［2］ METZEN P L.Globalstar Satellite Phased Array Antennas ［C］∥IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology，Loral，USA：IEEE Press，2000：207-210.

［3］ 熊興偉.相控陣?yán)走_(dá)多層綜合饋電電路技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013：1-54.

［4］ 王 婕.基于微波多層電路的小型化功率分配網(wǎng)絡(luò)的研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014：1-61.

［5］ 崔 潔，楊維生.多層微波印制板制造工藝及裝聯(lián)技術(shù)研究［J］.電子機(jī)械工程，2014，30（4）：54-57.

［6］ WANG Tao-yun，HARRINGTON Roger F，MAUTZ Joseph R.Quasi-static Analysis of a Microstrip via a Through Hole in a Ground Plane［J］.IEEE Trans.on MTT，1988，36（6）：1 008-1 013.

［7］ SORRENTINORoberto，ALESSANDRIFerdinando，MONGIARDO M，et al.Full-wave Modeling of via Hole Grounds in Microstrip By Three-dimensional Mode Matching Technique［J］.MTT，1992，40（12）：2 228-2 234.

［8］ HSU Show-gwo，WU Ruey-beei.Full Wave Characterization of a Through Hole via Using the Matrix-penciled Moment Method［J］.MTT，1994，42（8）：1 540-1 547.

［9］ 彭文均.HFSS和CST應(yīng)用于過孔模型的協(xié)同仿真研究［J］.艦船電子工程，2012，32（4）：90-92.

［10］李曉明，姜海玲，郭文剛.時(shí)域反射測(cè)量計(jì)在微波電路仿真中應(yīng)用［J］.無線電工程，2014，44（8）：78-81，84.

［11］DAIGLE B.PCB Materials and Design Approaches for Commercial MicrowaveApplications［J］.MicrowaveJournal，1996，39（2）：94-98.

Simulation of 45°Quasi-coaxial Microwave Multilayer via Using TDR Technique

YANG Tao，SONG Qing-hui，DU Jiang-kun
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Quasi-coaxial structure is one of the frequently used connecting methods in microwave multilayer printed circuits，but its character may bring significant effects on system specifications when complex connections are employed.Study methods of quasi-coaxial structure are limited to theoretical derivation and frequency-domain simulations at present.In the paper，modeling，simulation and analysis of 45°quasi-coaxial microwave multilayer via are made employing TDR simulation method，while dimensions of the via are also optimized.The structure obtains 50 Ω impedance characteristic and good microwave performance in wide frequency band，which verify the effectiveness of TDR simulation method when used for analysis of quasi-coaxial microwave multilayer via.

microwave multilayer circuit；time-domain reflectometery；quasi-coaxial structure；ultra-wideband

TN811

A

1003-3106（2016）05-0056-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.15

2016-01-14

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2014BAK02B04）；國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

楊 濤 男，（1979—），助理工程師。主要研究方向：微波技術(shù)。

宋慶輝 男，（1979—），高級(jí)工程師。主要研究方向：微波技術(shù)。