D波段单层氧化铝矩形波导与共面波导之间的过渡

Sherif R. Zahran, Emilio Arnieri, Giandomenico Amendola and Luigi Boccia, MAIC-LAB University of Calabria, Rende, Italy, Stefano Moscato and Alessandro Fonte, R&D Microwave Laboratory, SIAE MICROELETTRONICA, Cologno Monzese (MI), Italy, Matteo Oldoni, Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria, Politecnico Di Milano, Milan, Italy, and Philippe Ferrari, TIMA, Université Grenoble Alpes, Grenoble, France

尽管移动通信要求使用传统的 6 GHz 以下频段，并如饥似渴地向毫米波低频区扩展，以追求更高的数据传输速率、更低的延迟和无处不在的通信，但其他应用的频率也随之升高，超过了传统的 40 GHz 频段。¹为了进一步扩大可用带宽，W 波段（90 至 110 GHz）和 D 波段（110 至 175 GHz）是自然演进的结果，这些波段的商业利益主要来自地面通信对 N × 10 Gbit/s 数据传输速率的需求不断突破监管限制和技术极限。²

100 GHz 信号的特性要求对无线电前端进行大量集成。这是决定最终性能的关键因素。用于实现有源射频功能的 MMIC³ 必须与低损耗配电网络和天线互连，通常采用波导技术。⁴

本文提出了共面波导 (CPW) 与矩形波导之间的过渡，如图 1 所示，共面波导 (CPW) 可用于 集成 MMIC。在工业应用中，这种过渡需要符合标准制造和装配程序的特定要求和理想特性。一个关键要求是在保持多功能性的同时降低设计复杂性。拟议的过渡配置符合这两个标准，它采用单层印刷电路板 (PCB)，可容纳四种不同的馈电排列，从而简化了设计并提高了适应性。

图 1 集成 MMIC 和波导无源电路。

过渡设计

要求和技术现状

设计理念基于三个要求：

•        过渡装置必须成本低廉，具有最宽的工作频带，无需外部后背短路器

•        过渡设计必须是密封的，并与标准印刷电路板组装兼容

•        通过利用与薄膜技术兼容的单一介质层，互连应与波导截面和 50 Ω 共面传输线相匹配。

文献中提出的现有解决方案只能满足其中的部分要求。一些引文^5-7要求采用多部分定制波导结构，而其他引文^8-10则涉及不理想的后背短路或辐射损耗。为了满足所有要求，拟议的设计基于 Coorstek 公司生产的标称厚度为 0.005 英寸的单层 AD996 Superstrate 氧化铝。这种薄膜衬底具有出色的电气性能，尤其是在毫米波范围内¹¹，而且物理特性稳定¹²。

集成概念如图 1 所示。MMIC 被放置在氧化铝电路的顶层，并与 50 Ω 接地共面波导 (GCPW) 相连。然后，信号进入空心金属波导，以利用其固有的高品质因数。D 波段的标准波导是 WR-06，其额定工作频率为 110 至 170 GHz，矩形截面为 1.651 mm × 0.8255 mm。

在这种情况下，过渡频率必须从 130 GHz 到 175 GHz，这意味着带宽为 29.5%。回波损耗必须优于 15 dB，而插入损耗最大不得超过 1 dB。此外，无需外部后背短路器和完全密封转换器也是很有吸引力的特性。

由于陶瓷介电常数的标称值为 9.9，因此可以在 0.005 英寸厚的基板上嵌入四分之一波长的后背短路器，而无需开孔。为了完成阻抗匹配，还采用了阶梯式锥形波导变换器。这种结构如图 2 所示，有助于填充空气的波导和高导率基底之间的过渡。

图 2 拟议过渡装置的三维截面图。

布局

过渡过程包括一个氧化铝电介质层和上下两层薄膜金属层。金属堆积层使用了溅射钛和钯，以及 3 微米的电镀生长金包层。过渡层的尺寸为 1.80 毫米 × 1.16 毫米。

其工作原理与标准的微带-波导发射器密切相关。然而，一些设计特点提高了性能，增加了功能，并使设计适应这种基本叠加。如图 2 所示，设计从标准 WR-06 波导过渡开始。标准波导接口允许过渡器与第三方设备和测量仪器接口。波导步进变换器保证了足够的优化能力。图 2 显示的是两级锥形，其圆角半径为 0.2 毫米，是数控加工的副产品。

图 3 显示了详细设计的侧视图和俯视图，优化后的尺寸以微米为单位。独立变换器的 S 参数显示最大插入损耗为 0.2 dB。

图 3 用于过渡的波导匹配适配器。

图 4a 显示了拟议 D 波段过渡装置的详细几何形状俯视图，图 4b 显示了馈电结构特写。两图中的尺寸均以微米为单位。

图 4 (a) 过渡装置俯视图。(b) 馈电结构特写。

本文介绍的工作旨在开发一种多功能过渡装置，使电路可以放置在载板的顶层或底层。这样，这些电路就可以避开 50 Ω GCPW 或可能存在的其他结构。V 形槽¹³的引入，可沿着 SIW 互连的一小段馈入准TE₁₀ 模式。这种配置可以方便地将过渡层的输入/输出从一层翻转到另一层。这一特性只增加了几分之一 dB 的损耗，但需要一个空气腔来实现蚀刻槽的正常功能。

图 5 显示了拟议设计的模拟 S 参数。它显示 128.9 GHz 至 176.9 GHz 的回波损耗值大于 15 dB。在 31.4% 的分数带宽下，中心频率的插入损耗为 0.43 dB，仅在高频区下降到 0.64 dB。仿真验证了该设计符合 D 波段损耗平坦度要求，这对超宽带信号至关重要。

图 5 全波过渡模拟

馈电选择

所提出的过渡技术允许将 MMIC 置于波导馈电的两侧，并与该 MMIC 相连。这是该技术的一个关键优势，V 型槽配置以及准TE₁₀ 模式的激励使其得以实现。这种模式能在底部和顶部金属层之间均匀分布电流。在对称场分布的情况下，输出可以在任何一层上产生 180 度的相移。这提供了更多的实现可能性：

•        基本配置：50 Ω 馈电线和波导过渡在同一侧

•        可翻转配置：50 Ω 馈电线和波导过渡位于相对的两侧

•        SIW 馈电配置：可利用单个 V 形槽进行 SIW 馈电

•        平面配置：如果顶部和底部的连接没有优势，则可以通过取消 V 形槽来提高性能。

参数研究

与标准射频和微波应用相比，D 波段电路的特征参数非常小。标准光蚀刻工艺的分辨率可能成为性能的限制因素。这种转变要求微米级的分辨率，而这在 175 GHz 以下的应用中具有挑战性。本节研究了不同部件的不同制造公差和装配排列对电气性能的影响。设计的稳健性对工业就绪和部件产量非常重要。本节研究了四个设计参数。

基底厚度

氧化铝基板的层压可能导致不可预测的厚度变化。0.005 英寸氧化铝基板的厚度公差变化可能为 ±10% 或 0.0005 英寸。模拟显示，在基板厚度变化最大时，频率偏移可达 10 GHz。尽管回波损耗和插入损耗平坦度变化不大，但频率变化却很大。

介电常数

介电常数 ε_r 也有容差。在本研究中，允许氧化铝的介电常数变化 ± 10%，以评估设计的稳健性。介电常数每变化 0.1，频率响应变化 0.5 GHz。损耗模式似乎不受介电常数变化的影响。

波导对齐

将 WR-06 连接与定制尺寸的过渡装置相匹配的步进变换器必须仔细定位在过渡装置上，因为错位会影响性能。为了研究位置敏感性，波导变换器沿 X 和 Y 方向以 25 微米为单位逐步移动。在移位达 50 微米时，匹配度降低，但在 130 至 175 GHz 频段内，回波损耗仍小于 10 dB。然而，插入损耗在 156 GHz处出现了一个深缺口。

通孔位置

金属化通孔位置对于控制工作带宽和匹配响应至关重要。即使是激光钻孔，通孔的公差也比光蚀刻痕迹要小。通孔位置可偏移 ± 25 µm，内部金属化电镀也无法完全控制。电磁分析表明，在可接受的公差范围内，有些孔的位置会降低过渡的输入匹配度。总体趋势是将最佳 S 参数性能移至更高频率。

实验评估

最终确定的单过渡设计被安装在背靠背配置中以测量性能。由于工作频率较高，背靠背过渡测试夹具使用了 SIW 线路，以避免毫米波频谱中微带线路的典型辐射效应。我们制造了几种不同的组合，以代表前面描述的所有安装配置。图 6 显示了实现两个可翻转过渡的最复杂过渡的照片。

图 6 背对背 D 波段可翻转过渡样品。

测量是通过一台四端口罗德与施瓦茨 ZVA50 矢量网络分析仪（VNA）和两台 ZC170毫米波转换器进行的。每个接口都是标准的 WR-06 波导段。该接口也是 TOSM 校准程序的参考平面。

毫米波转换器不能直接连接到过渡装置上，因此设计并制造了一个专用的机械夹具。图 7 显示了氧化铝测试电路的测量设置。VNA 接口连接到一个机械夹具上，该夹具嵌入了两个 E 平面 90 度弯曲。在顶部，一个载体支撑着氧化铝测试电路和与步进变换器相连的波导接口。信号流经 H 平面 90 度波导弯管，并被传输到图 7 中看不到的过渡段。

图 7 测试电路测量设置。

图 8 显示了位于机械夹具顶部的过渡装置。在波导组件和氧化铝测试电路之间放置了一个支撑载体。载体嵌入了阶梯波导锥，完成了拟议的过渡。定位对于实现最佳性能至关重要，因此采用了数控铣削基准标记，以便进行微调。

图 8 测量装置俯视图。

图 9 显示的是最具挑战性的拟议过渡配置的结果。测量的是背靠背过渡测试电路。波导组件和所有损耗源都已考虑在内。模拟频率为 120 至 180 GHz，但 ZC170 毫米波转换器将测量频率限制在 170 GHz。

图 9 可翻转 D 波段过渡装置的测量结果与模型结果对比。

结果很有希望，因为背靠背转换在 130 至 170 GHz 范围内保持了优于 10 dB 的回波损耗。在整个 D 波段频率范围内，插入损耗平坦性也得到了验证，仅有微小的纹波。我们认为，这种纹波主要是背靠背过渡配置的长度造成的。

主要差异与插入损耗的绝对值有关。在 140 至 150 GHz范围内，测量结果为 4 dB，而模拟预测为 2 dB。在 160 至 170 GHz频谱范围内，这一偏差变得更大，在工作频率的上边缘，测量的插入损耗达到了 6 dB。造成观察到的差异有几个因素。从制造角度来看，误差和公差会导致插入损耗。然而，材料的电气特性也会造成损耗偏差。模拟将这些与材料相关的损耗机制考虑在内，但绝对值取决于材料的电气特性，这些特性尚未在 170 GHz 频谱中得到实验验证。

结 论

拟议的 D 波段共面到波导过渡技术满足了多项技术和工业需求，为实际组装制造提供了高性能和设计稳健性。该布局只需一个 0.005 英寸的标准氧化铝薄膜层，即可实现 CPW 到 SIW 和 SIW 到矩形波导的转换。集成的发射器保证了所有四种配置的密封性，而无需后背短路器。本文所述的过渡配置可满足不同 MMIC 和波导端口的要求，并为大多数实际情况提供了解决方案。模拟和灵敏度分析已通过背靠背测量进行了验证，确认了约 30% 的分数带宽和 10 dB 的回波损耗。从测量夹具中剥离后，拟议的过渡显示出 1.5 dB 的平均损耗，可与其他更复杂或效益更低的解决方案相媲美。这种结构可在 130 至 170 GHz的 D 波段频率范围内工作，因此适合作为下一代无线通信设备中 MMIC 与波导网络或天线之间的互连器件。

致谢

本研究工作由意大利 2014-2022 年国家研究与创新行动计划（CCI 2014IT16M2OP005）欧洲社会基金 I.1 行动资助。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/42453