李明磊，喬志壯，劉林杰，高嶺

（中國電子科技集團(tuán)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(dǎo)傳輸線(GCPW)具有性能優(yōu)越、加工方便的特點(diǎn)，在MMIC電路中發(fā)揮了重要作用。尤其是在毫米波頻段，GCPW相比于常規(guī)微帶傳輸線，更容易加工，且輻射損耗小，易于實(shí)現(xiàn)無源、有源器件的集成，因此被廣泛應(yīng)用[1]。

1 GCPW介紹

GCPW相較于常規(guī)共面波導(dǎo)在基片背面增加了接地金屬，在上層射頻傳輸線的兩側(cè)均有接地平面，兩側(cè)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(shù)包括：介質(zhì)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(shù)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(shè)計是非常有必要的，不但可以給流經(jīng)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?dāng)_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?dāng)_噪聲的抑制效果越好。如何設(shè)計接地過孔是提高射頻性能的重要一步。常規(guī)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(jīng)有相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]對影響接地過孔性能的因素進(jìn)行了研究分析。

但上述分析的接地過孔均位于GCPW內(nèi)部，本文則對GCPW端頭接地過孔進(jìn)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(shí)現(xiàn)方式為在GCPW邊緣加入側(cè)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(jié)構(gòu)：a結(jié)構(gòu)無端頭接地過孔，b結(jié)構(gòu)在傳輸線的兩端增加接地過孔，c結(jié)構(gòu)在b結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

三種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 三種結(jié)構(gòu)的S11 參數(shù)仿真對比

圖4 三種結(jié)構(gòu)的S21 參數(shù)仿真對比

從仿真結(jié)果可以看出，在DC～40GHz范圍內(nèi)a結(jié)構(gòu)傳輸性能最差，b結(jié)構(gòu)次之，c結(jié)構(gòu)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(shí)物測試與機(jī)理分析

針對上述仿真結(jié)果，實(shí)際加工了a、b、c三種結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)際測試對比，其S參數(shù)對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種結(jié)構(gòu)實(shí)際測試圖

從圖6～7可以看出，實(shí)物測試結(jié)果顯示c結(jié)構(gòu)微波性能最好，與仿真結(jié)果趨勢一致。

圖6 三種結(jié)構(gòu)S11 參數(shù)實(shí)測對比

圖7 三種結(jié)構(gòu)S21 參數(shù)實(shí)測對比

進(jìn)一步分析了三種結(jié)構(gòu)在傳輸路徑上的特征阻抗，如下圖8-圖10所示。

圖8 a 結(jié)構(gòu)傳輸路徑的特征阻抗

圖9 b 結(jié)構(gòu)傳輸路徑的特征阻抗

圖10 c 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特征阻抗其最大最小值如表1所示。

表1 三種結(jié)構(gòu)阻抗對比

從表1可以看出，b結(jié)構(gòu)相較于a結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相較于b結(jié)構(gòu)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(wěn)定[5]。

因此在GCPW結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的微波性能。

4 結(jié)語

本文研究分析了有無端頭接地過孔對GCPW傳輸結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合仿真與實(shí)物驗證，得出端頭接地過孔可有效改善傳輸結(jié)構(gòu)的微波性能，并對其影響機(jī)理進(jìn)行了分析。事實(shí)證明，在實(shí)際應(yīng)用中，端頭接地過孔確實(shí)可以有效改善傳輸結(jié)構(gòu)的微波性能。