CN114024116B - 一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法，包括上层基板、过渡层、下层基板、共面波导、微带线、带状线、信号孔、接地孔；上层基板为材质LTCC的多层结构，过渡层结构为BGA类同轴结构，下层基板为TSM‑DS3的PCB板，微带线的末端通过过渡层和信号孔与带状线的前端连接，带状线两侧均设置接地孔，GND所在位置的上层基板和下层基板中设置接地孔，信号孔和接地孔为通孔。本发明采用LTCC以及TSM‑DS3两种高频介质材料，同时也满足多层印制电路板的加工需求。不同种材料介质基板间采用BGA表贴器件焊接，射频信号通过类同轴的方式进行互连，可有效改善信号的传输，同时也增强其可靠性。设计高密度互连电路以及阻抗匹配电路实现高集成电路和低损耗射频传输。

Description

一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及印刷电路技术领域，具体涉及一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法。

背景技术

随着电子系统应用场景与领域的多样化，复杂的应用环境对其传输性能要求愈发严苛。超宽带高集成的低损耗过渡设计方法是微系统领域解决体积、重量、可靠性问题的重要途径，是突破当前电子系统发展的关键方案。

传输线作为微系统重要组成部分，传输线过渡设计对微系统的性能起着极为重要的作用。目前越来越多微系统凭借不同材料介质间的组合，实现高性能、高集成的传输性能，因此对于不同材料介质间的匹配以及过渡设计尤为重要。

发明内容

本发明是为了解决目前带宽宽、集成难度大以及传输损耗大的问题，提供一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法，采用LTCC以及TSM-DS3两种高频介质材料，同时也满足多层印制电路板的加工需求。不同种材料介质基板间采用BGA表贴器件焊接，射频信号通过类同轴的方式进行互连，可有效改善信号的传输，同时也增强其可靠性。设计高密度互连电路以及阻抗匹配电路实现高集成电路和低损耗射频传输。

本发明提供一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，包括从上到下依次设置的上层基板、过渡层、下层基板，设置在上层基板上表面水平过渡的共面波导、微带线，设置在下层基板内部的带状线，设置在共面波导两侧的GND和设置在上层基板、过渡层中的信号孔、接地孔；

上层基板为材质LTCC的多层结构，过渡层结构为BGA，BGA为类同轴结构，下层基板为PCB板，PCB板的介质材料为TSM-DS3，微带线的末端通过过渡层和信号孔与带状线的前端连接，带状线两侧均设置接地孔，GND所在位置的上层基板和下层基板中设置接地孔，信号孔和接地孔为通孔；

射频信号从共面波导水平过渡至微带线再通过过渡层以及信号孔垂直传输至带状线。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，作为优选方式，微带线后端设置阻抗匹配。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，作为优选方式，BGA上部和下部均设置焊盘。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，作为优选方式，GND内侧设置倒角，GND为4层接地结构。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，作为优选方式，上层基板为3层LTCC介质。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，作为优选方式，下层基板为3层TSM-DS3介质。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，作为优选方式，还包括焊接在下层基板背面的电阻电容器件；

上层基板包括LTCC壳体、设置在LTCC壳体内部的LTCC基板和微系统结构，微系统结构包括若干个芯片。

本发明提供一种超宽带高集成低损耗的过渡结构设计方法，利用LTCC陶瓷材料的高频、高速传输以及宽带的特性，以高电导金属作为布线导体，BGA表贴器件焊接，通过类同轴的方式进行互连，设计一种超宽带高集成低损耗的过渡结构射频信号。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构设计方法，作为优选方式，上层基板使用LTCC陶瓷材料，下层基板使用TSM-DS3，使用BGA作为上层基板、下层基板之间的过渡层，将共面波导和微带线设置在上层基板上层，带状线设置在下层基板中部，微带线和带状线之间通过信号孔垂直互联。

本发明所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构设计方法，作为优选方式，共面波导两侧设置GND并且GND内侧设置倒角，微带线前端进行阻抗匹配，微带线两侧和GND下侧设置接地孔。

本发明采用高密度电路设计，包含上下两种基板，上层基板介质为LTCC(LowTemperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)，下层基板介质为TSM-DS3(泰康利公司的覆铜箔层压板)，上层基板中实现了共面波导-微带线的水平过渡，上下两种基板间通过BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)传输射频信号，通过BGA传输，实现了微带线与下层基板中带状线的垂直过渡，通过仿真优化设计，解决了带宽宽的难题，实现了不同材料介质间的低损耗过渡。

LTCC技术是一种成熟的多层玻璃陶瓷基板技术，介电常数为5.9，具有出色的高频特性，LTCC的烧结温度低，因此可以使用熔点低、电导率高的金属导体材料等；其次集成度高，烧结后单层厚度为0.1mm，可以在LTCC基板内集成无源器件，纵向传输微波射频信号，提高集成度。TSM-DS3是泰康利公司的一种低玻璃纤维填充的聚四氯乙烯覆铜箔层压板材料，介电常数为3，具有高热导率。传输线在不同材料中的超宽带高集成低损耗的过渡设计是微系统领域的一个关键技术。

为了实现超宽带高频设计，采用LTCC与TSM-DS3两种高频材料。LTCC是电子元器件小型化、高频化、集成化以及低成本化的发展方向，根据LTCC陶瓷材料的高频、高速传输以及宽带的特性，高电导金属作为布线导体，有利于提高电路系统的品质因数。LTCC易于实现多层互连，有利于小型化，同时可以内埋多种无源器件，提高集成度。TSM-DS3是一种覆铜箔层压板，具有良好的介质损耗，高热导率，有约5％左右的玻璃纤维含量，高频特性好。采用LTCC与TSM-DS3两种介质可以实现高频超宽带射频传输。

为了实现高集成度设计，不仅采用LTCC，还具有高密度电路设计，通过垂直过渡互连能够实现三维空间上的射频传输，充分利用纵向结构，在保证可靠性的前提下，提高集成度。

为了实现低损耗的设计，采用阻抗匹配设计以及BGA类同轴传输。阻抗匹配作用于传输线，目的是达到所有高频的微波信号均能传递至负载，为了降低传输信号损耗，对微带线的后端以及带状线的前端阻抗匹配同时在不同材料之间采用BGA类同轴传输模式，能够高效传输射频信号。

本发明具有以下优点：

微波毫米波电路设计中，超宽带、集成度以及传输性能等相互制约，采用本设计中的低损耗过渡设计方法，是获得微系统性能优良的有效途径。

1)本发明工作频率为DC～40GHz，通过阻抗匹配及优化电路设计，最终得到回波损耗优于9dB，插入损耗优于0.85dB，信号在DC～40GHz射频传输性能良好。

2)本发明使用高密度电路设计，包含共面波导-微带线-带状线的水平过渡以及垂直互连，高效利用的三维空间，通过不同材料间的射频传输，满足了高集成的需求。

附图说明

图1为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法不同种材料间的过渡模型主视图示意图；

图2为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法不同种材料间的过渡模型俯图示意图；

图3为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法微带线与带状线垂直过渡示意图；

图4为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法实施例5不同种材料间的过渡模型示意图；

图5为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法实施例5优化匹配仿真结果-5示意图；

图6为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法实施例优化匹配仿真结果6-10示意图；

图7为一种超宽带高集成低损耗的过渡结构及其设计方法实施例5过渡结构仿真结果示意图。

附图标记：

1、上层基板；1A、LTCC壳体；1B、LTCC基板；1C、微系统结构；2、过渡层；3、下层基板；4、共面波导；5、微带线；6、带状线；7、GND；8、信号孔；9、接地孔；10、阻抗匹配；11、焊盘；12、倒角；13、电阻电容器件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1、图2所示，一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，包括从上到下依次设置的上层基板1、过渡层2、下层基板3，设置在上层基板1上表面水平过渡的共面波导4、微带线5，设置在下层基板3内部的带状线6，设置在共面波导4两侧的GND7和设置在上层基板1、过渡层2中的信号孔8、接地孔9；

上层基板1为材质LTCC的多层结构，过渡层2结构为BGA，BGA为类同轴结构，下层基板3为PCB板，PCB板的介质材料为TSM-DS3，微带线5的末端通过过渡层2和信号孔8与带状线6的前端连接，带状线6两侧均设置接地孔9，GND7所在位置的上层基板1和下层基板3中设置接地孔9，信号孔8和接地孔9为通孔；

射频信号从共面波导4水平过渡至微带线5再通过过渡层2以及信号孔8垂直传输至带状线6。

实施例2

如图1、图2所示，一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，包括从上到下依次设置的上层基板1、过渡层2、下层基板3，设置在上层基板1上表面水平过渡的共面波导4、微带线5，设置在下层基板3内部的带状线6，设置在共面波导4两侧的GND7和设置在上层基板1、过渡层2中的信号孔8、接地孔9；

上层基板1为材质LTCC的多层结构，过渡层2结构为BGA，BGA为类同轴结构，下层基板3为PCB板，PCB板的介质材料为TSM-DS3，微带线5的末端通过过渡层2和信号孔8与带状线6的前端连接，带状线6两侧均设置接地孔9，GND7所在位置的上层基板1和下层基板3中设置接地孔9，信号孔8和接地孔9为通孔；

射频信号从共面波导4水平过渡至微带线5再通过过渡层2以及信号孔8垂直传输至带状线6；

微带线5后端设置阻抗匹配10；

BGA上部和下部均设置焊盘11；

GND7内侧设置倒角12，GND7为4层接地结构；

上层基板1为3层LTCC介质；

下层基板3为3层TSM-DS3介质；

还包括焊接在下层基板3背面的电阻电容器件13；

上层基板1包括LTCC壳体1A、设置在LTCC壳体内部的LTCC基板1B和微系统结构1C，微系统结构1C包括若干个芯片。

实施例3

如图1-3所示，一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，两个模块1通过过渡层2的BGA传输至下层基板3的PCB板，模块1是通过LTCC壳体1A、LTCC基板1B以及一些芯片集成的微系统结构1C，内部LTCC基板1B上通过传输线传输射频信号，此射频信号通过BGA传输至PCB板，PCB板的介质材料为TSM-DS3，BGA的结构保证了两种不同介质基板之间互连的可靠性。电阻电容器件13焊接在PCB板B的背面，实现供电控制功能，基板间有通孔8传输信号或者使其接地效果良好。这样的过渡设计可以满足微系统小型化、超宽带、高集成的需求，因此实现超宽带高集成低损耗的过渡设计尤为重要。

实施例4

如图1所示，一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，上层基板1为3层LTCC介质，总厚度为0.3mm；下层基板2为3层TSM-DS3介质，总厚度为0.762mm，7为4层GND。共面波导4水平过渡至微带线5，射频信号从微带线5通过BGA以及信号孔8垂直传输至带状线6，为了使得传输过程中接地效果良好，增加了接地通孔9。

图2为本发明不同种材料间的过渡模型俯视图示意图。上层LTCC基板中共面波导4水平过渡至微带线5，为了使传输性能更佳，在微带线5后端设计阻抗匹配10，射频信号通过BGA传输至下层TSM-DS3基板中的带状线5。BGA为类同轴结构，球的半径为0.2mm，BGA上下存在焊盘11，焊盘11的半径为0.15mm，带状线两侧有接地通孔9，使其传输性能良好。共面波导4的两侧为GND7，GND7通过接地孔9与下层地互连，使其接地效果良好。GND7内侧设计倒角12，倒角12的倒角半径为0.2mm，共面波导4凭借地与信号的共面特性在频率很高的微波集成电路中具有很大优势，同时共面波导带线传输可以使用探针进行测试。

实施例5

如图1、图2所示，一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，图4为本发明微带线与带状线垂直过渡示意图，保证共面波导传输阻抗50欧姆，影响因素包括中间带线宽度、带线与地的间隙宽度、基板的厚度以及基板的介质材料。通过HFSS仿真软件，凭借其高仿真精度和高可靠性，快捷的仿真速度，稳定成熟的自适应网络剖分技术，高效的优化各类参数，达到最优性能。本设计中共面波导4的基板为LTCC介质，介质厚度为0.2mm，因此通过仿真带线宽度w1以及间隙宽度s1，得到最优性能。仿真得到共面波导4的带线宽度w1为0.24mm，带线与GND7的距离s1为0.1mm。微带线5的宽度w2为0.3mm，由于共面波导4与微带线5的宽度不等，设计共面波导至微带线的水平过渡距离L3，仿真优化得到L3＝0.5mm，微带线5匹配部分w5为0.5mm，L1为0.4mm，所有通孔直径为0.127mm，带状线6宽度w3为0.3mm，w4为0.2mm，过渡匹配距离L2为0.8mm。

图5为优化匹配仿真结果示意图，通过优化图4中带状线的过渡匹配距离l3，通过优化L2＝0.5mm～0.8mm，得到优化结果如图5所示，其中1～5分别是L2＝0.5mm～0.8mm(步进0.1mm)回波损耗的仿真结果，随着过渡匹配距离L2的增加，回波损耗越大，性能越好；如图6所示，6～10分别是L2＝0.5mm～0.8mm(步进0.1mm)插入损耗的仿真结果，随着过渡匹配距离L2的增加，插入损耗越小，性能越好，因此当过渡匹配距离L2＝0.8mm时，射频传输性能最佳。

如图7本发明过渡结构仿真结果示意图，通过匹配优化，最终得到图7所示的仿真结果，曲线1为回波损耗的仿真结果，在DC～40GHz内，回波损耗优于9dB；曲线2为插入损耗的仿真结果，在DC～40GHz内，插入损耗优于0.85dB。

本设计为不同材料间的过渡设计，通过阻抗匹配以及BGA类同轴的传输模式，高密度电路设计实现了射频传输超宽带、高集成、低损耗的目标。

超宽带、高集成、低损耗的特点是传输线过渡设计的优良特性，该方法可作为通用化的方式应用在微系统的需求中。

实施例6

一种超宽带高集成低损耗的过渡结构设计方法，利用LTCC陶瓷材料的高频、高速传输以及宽带的特性，以高电导金属作为布线导体，BGA表贴器件焊接，通过类同轴的方式进行互连，设计一种超宽带高集成低损耗的过渡结构射频信号

如图1-2所示，上层基板1使用LTCC陶瓷材料，下层基板3使用TSM-DS3，使用BGA作为上层基板1、下层基板3之间的过渡层2，将共面波导4和微带线5设置在上层基板1上层，带状线6设置在下层基板3中部，微带线5和带状线6之间通过信号孔8垂直互联。

共面波导4两侧设置GND7并且GND7内侧设置倒角12，微带线5前端进行阻抗匹配，微带线5两侧和GND7下侧设置接地孔9。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：包括从上到下依次设置的上层基板(1)、过渡层(2)、下层基板(3)，设置在所述上层基板(1)上表面水平过渡的共面波导(4)、微带线(5)，设置在所述下层基板(3)内部的带状线(6)，设置在所述共面波导(4)两侧的GND(7)和设置在所述上层基板(1)、所述过渡层(2)和所述下层基板(3)中的信号孔(8)、接地孔(9)；

所述上层基板(1)为材质LTCC的多层结构，所述过渡层(2)结构为BGA，所述BGA为类同轴结构，所述下层基板(3)为PCB板，所述PCB板的介质材料为TSM-DS3，所述微带线(5)的末端通过所述过渡层(2)和所述信号孔(8)与所述带状线(6)的前端连接，所述带状线(6)两侧均设置所述接地孔(9)，所述GND(7)所在位置的上层基板(1)中设置所述接地孔(9)，所述信号孔(8)和所述接地孔(9)为通孔；

射频信号从所述共面波导(4)水平过渡至所述微带线(5)再通过所述过渡层(2)以及所述信号孔(8)垂直传输至所述带状线(6)。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：所述微带线(5)后端设置阻抗匹配(10)。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：所述BGA上部和下部均设置焊盘(11)。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：所述共面波导(4)两侧的GND(7)内侧设置倒角(12)，GND(7)为4层接地结构。

5.根据权利要求1所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：所述上层基板(1)为3层LTCC介质。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：所述下层基板(3)为3层TSM-DS3介质。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构，其特征在于：还包括焊接在所述下层基板(3)背面的电阻电容器件(13)；

所述上层基板(1)包括LTCC壳体(1A)、设置在所述LTCC壳体内部的LTCC基板(1B)和微系统结构(1C)，所述微系统结构(1C) 包括若干个芯片。

8.一种超宽带高集成低损耗的过渡结构设计方法，其特征在于：利用LTCC陶瓷材料的高频、高速传输以及宽带的特性，以高电导金属作为布线导体，BGA表贴器件焊接，通过类同轴的方式进行互连，设计一种超宽带高集成低损耗的射频信号过渡结构；

上层基板(1)使用LTCC陶瓷材料，下层基板(3)使用TSM-DS3，使用BGA作为所述上层基板(1)、所述下层基板(3)之间的过渡层(2)，将共面波导(4)和微带线(5)设置在所述上层基板(1)上层，带状线(6)设置在所述下层基板(3)中部，微带线(5)和带状线(6)之间通过信号孔(8)垂直互联。

9.根据权利要求8所述的一种超宽带高集成低损耗的过渡结构设计方法，其特征在于：所述共面波导(4)两侧设置GND(7)并且所述GND(7)内侧设置倒角(12)，所述微带线(5)前端进行阻抗匹配，所述带状线(6)两侧和所述GND(7)下侧设置接地孔(9)。

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