【《芯片级联微带线-波导转换结构概述》2200字】

芯片级联微带线-波导转换结构概述由于低损耗和高功率处理能力，波导被广泛用于毫米波和亚毫米波系统中。矩形波导的宽度和高度由频段定义，并用作级联不同组件和系统的标准接口。对于高频应用，矩形波导的尺寸变小并且需要精确的制造。目前除了铣削加工以外，其他技术（例如低温共烧陶瓷（LTCC），3D打印和PolyStrata工艺）也可用于制造标准波导。尽管矩形波导用于封装毫米波和亚毫米波电路，但是由于其制造工艺，在这种高频下的组件和芯片主要依赖于平面结构。共面波导（CPW）和微带线（MSL）通常用于设计高频芯片中应用较为广泛的两种平面传输线。由于系统级封装的需求，目前在矩形波导和平面传输线之间的过渡已经受到了广泛关注，并且涌现了一大批相关文献。这种过渡的要求是大带宽，低插入损耗，同时希望对于封装现有组件和芯片而言是通用且紧凑的。平面传输线-波导的过渡方式，通常为在矩形波导的末端沿最大辐射方向插入贴片探针，将电磁波从矩形波导引向探针所在的平面传输线。在这种过渡中，E平面探针在基于微带线或者CPW等平面传输线上表现出卓越的性能，尤其是在毫米波与亚毫米波频率上。如下图1.7所示，载有E平面探针的电路基板通过在波导宽壁中心平行于纵轴的中心切开的孔插入矩形波导中，其位置距离矩形波导的末端约四分之一波长，使该矩形波导形成一个阻抗变换器，将端接从短路转换为开路，降低了回波损耗。根据不同的传输线组合，可以将E平面探针设计成不同的形状，并且发现具有矩形贴片的探针非常有效，通过精心设计，可以在整个波导频带内实现平稳的传输。并且由于插入的E平面探针与矩形波导内部的电场平行，使其成为目前带宽性能最好过渡方案之一。图1.7E平面探针过渡示意图针对上述转换结构的思路可知，在该结构中有两个重要的参数，分别为微带探针的尺寸与短路面距离探针中心的距离。其中微带探针的输入阻抗为：Zin=RR=2ηX10=ηkab其η=μ代表自由空间的波阻抗。对于本文中D波段收发模块，输出部分采的为WR7标准波导。针对上述分析进行计算：WR7标准波导尺寸为：a=1.651mm，λ0=ck=2πλ0β10=k若想令X10=0，且R≠0，则只能使2β10L=π2β若令阻值为R，将微带探针阻抗代入公式(1.19)，可计算得到探针与微带短路面距离D，其值通常约为四分之波长。如图1.8所示，为D波段的50Ω微带线模型。介质基板选用石英介质板，其介电常数为3.8，损耗为0.002。考虑到封装体积及为了不影响微带线上电磁波的传播，应当合理选择石英介质板的宽度。模型中微带线宽100um，石英介质板宽400um，厚度为50um。该模型在整个D波段内回波损耗优于30dB，插入损耗优于0.15dB。aD波段微带模型bS参数仿真结果 c微带线阻抗仿真结果图1.8D波段50欧姆微带线模型如图1.9所示，为采用了E面探针耦合的平面微带线-WR7标准矩形波导转换结构。利用上述石英介质微带模型结合E平面探针，通过在波导宽壁中心一侧开口，将载有E平面探针的石英电路基板通过开孔插入矩形波导中，其位置距离矩形波导的末端约四分之一波长，使该矩形波导形成一个阻抗变换器，将端接从短路转换为开路，降低了回波损耗。同时，E面探针与微带线之间的过渡采用渐变式的过渡结构。a俯视图bc波导E平面垂直转换结构图1.9E面探针耦合的MSL-WR7矩形波导转换结构表1.1优化的转换结构参数参数W1W2W3L1L2L3r1r2单位(um)5351454005101602360674.51500图1.10背对背结构仿真模型由仿真结果可得，该转换结构覆盖了116-170GHz频段，具备良好的宽带性能。且在140GHz时的回波损耗优于17dB，插入损耗优于0.3dB。考虑到目前太赫兹芯片通常采用标准波导进行输出的应用需求，在仿真模型中加入芯片仿真模型。需要注意的是，在对芯片模型中的GSG输出端口进行建模时，其Gnd_Port需要使用金属圆柱接地。芯片端口的尺寸使用D波段商用芯片端口尺寸进行设计。如图1.11所示，在进行芯片仿真建模时，通常在RF_Port设置集总端口，另外也可以设计成波端口形式，如图1.12所示。图1.11芯片级联MSL-矩形波导模型图1.12设置为波端口形式的芯片模型由于在装配过程中，导电胶会出现溢出现象，石英介质板的腔体需留有一定的空间，避免由于加工误差对介质板装配产生影响。如图1.13所示，为对腔体的容差仿真结果。图1.13腔体容差在0-30um区间内仿真结果如图1.14所示，是所设计的芯片级联MSL-波导转换结构的三维示意图及实物加工图。采用的芯片介质为GaAs，厚度为50um，采用的石英介质板介电常数为3.8，厚度为50um。芯片采用金丝键合工艺与石英介质板进行连接，为了减少金丝键合所引入的寄生影响，加宽了石英上的焊盘尺寸，同时使用直径为25um的键合金丝。图1.14芯片级联MSL-波导结构同时，为了探讨平面传输线-矩形波导在更高频段的可行性，本节设计了覆盖140-220GHz的转换结构，如图1.15所示。该转换结构利用WR5波导进行输入输出，波导尺寸为1.2954mm*0.6477mm。由图1.16仿真结果可知，该结构在140-220GHz的频带内，插入损耗优于0.36dB，具备良好的带宽性能。图1.15140-220GHz微带线-矩形波导背对背结构表1.2优化后的结构参数参数W1W2W3L1L2L3单位(um)351404151003502000图1.16S参数仿真结果综上所述，采用E面探针耦合的微带线-矩形波导转换结构，通过调节E面探针尺寸以及E面探针到短路面的距离，可