CN117458112A - 一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种Ka波段超宽带微带线‑金丝过渡结构，包括微带线、芯片、金丝和阻抗变换枝节；微带线包括基板、接地表层、接地底层和传输线；接地表层设置在基板的正面；接地底层设置在基板的反面；传输线设置基板上；基板上开设有安装槽；芯片设置在安装槽中；金丝的一端与芯片连接；阻抗变换枝节包括依次设置的高阻抗枝节、中阻抗枝节和低阻抗枝节，高阻抗枝节与传输线连接，低阻抗枝节与金丝的另一端连接。本申请中，通过设置由高阻抗枝节、中阻抗枝节和低阻抗枝节组成的阻抗变换枝节，来连接微带线和金丝，其高低阻抗特性可等效于在金丝的等效电路中加入了L型阻抗匹配网络，较好地实现了微带线和金丝的超宽带阻抗匹配。
Description
技术领域
本申请属于微波无线电技术领域，更具体地说，是涉及一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构。
背景技术
多芯片组件(MCM)将多个集成电路芯片和其它片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，是微波/毫米波组件主流的实现方案。其中，传输线与芯片的连接是组件组装流程的关键环节。在X波段以下，传输线与芯片可通过金丝键合直接相连。然而，金丝与传输线的阻抗差异明显，随着工作频率的升高，阻抗不连续给微波/毫米波链路可靠性和传输性能带来的负面影响越来越严重，合理设计传输线与金丝间的过渡结构显得尤为必要。
常见的传输线结构有微带线、共面波导(CPW)、带状线等。其中，微带线是由单一导体带在介质基片上构成的微波传输线，是适合制作微波集成电路的平面结构传输线，与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等，与MCM其它部件能更好的进行集成。
然而，传输线与金丝连接处的阻抗不连续，在微波/毫米波链路中引入了较大的回波损耗，对信号传输的性能影响极大。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，以解决现有技术中存在的传输线与金丝连接处的阻抗不连续、影响信号传输的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，包括微带线、芯片、金丝和阻抗变换枝节；所述微带线包括基板、接地表层、接地底层和传输线；所述接地表层设置在所述基板的正面；所述接地底层设置在所述基板的反面；所述传输线设置所述基板上；所述基板上开设有安装槽；所述芯片设置在所述安装槽中；所述金丝的一端与所述芯片连接；所述阻抗变换枝节包括依次设置的高阻抗枝节、中阻抗枝节和低阻抗枝节，所述高阻抗枝节与所述传输线连接，所述低阻抗枝节与所述金丝的另一端连接。
可选地，所述传输线远离所述高阻抗枝节的一端为宽度逐渐减小的渐变结构。
可选地，所述阻抗变换枝节为印制在所述基板表面的电路图案；沿着所述传输线的长度方向，所述高阻抗枝节的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.12mm-0.16mm；所述中阻抗枝节的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.2mm-0.6mm；所述低阻抗枝节的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.6mm-1.0mm。
可选地，所述微带线的特征阻抗为50Ω；所述基板的材料为陶瓷，所述陶瓷的介电常数为5.0-10.0，介质损耗因子tanα≤0.004。
可选地，所述金丝沿所述传输线的长度方向呈八字形排布；所述金丝的直径为25μm、拱高为80μm-120μm、跨距为240μm-280μm；所述金丝的数量为两根，两根所述金丝在连接所述芯片一端的间距为20μm-30μm、在连接所述低阻抗枝节一端的间距为170μm-180μm。
可选地，所述接地表层、所述传输线、所述阻抗变换枝节均为金层，所述金层的厚度为14um-16μm。
可选地，所述芯片采用以GaAs为基底材料的50Ω特征阻抗GCPW。
可选地，所述芯片的外侧壁与所述安装槽的内侧壁间距为70μm-90μm，所述芯片的上表面与所述基板的上表面平齐，所述芯片的下表面通过金属垫片与所述接地底层相连。
可选地，所述传输线的两侧分别至少设有两排接地通孔，所述接地表层和所述接地底层通过所述接地通孔连通；所述接地通孔的直径为0.08mm-0.12mm，在所述传输线同一侧的多个接地通孔中，沿着所述传输线的长度方向或宽度方向，相邻两个接地通孔的间距范围为0.4mm-0.6mm；沿着所述传输线的长度方向，最外侧的接地通孔到所述基板的边缘的距离为0.20mm-0.3mm。
可选地，所述阻抗变换枝节关于所述传输线长度方向的中线对称设置，所述微带线关于所述传输线长度方向的中线对称设置，两根所述金丝关于所述传输线长度方向的中线对称设置。
本申请提供的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构的有益效果在于：与现有技术相比，本申请的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，适用于Ka波段(26.5-40GHz)微波/毫米波组件的信号传输链路，通过设置由高阻抗枝节、中阻抗枝节和低阻抗枝节组成的阻抗变换枝节，来连接微带线和金丝，其高低阻抗特性可等效于在金丝的等效电路中加入了L型阻抗匹配网络，较好地实现了微带线和金丝的超宽带阻抗匹配。同时，本申请结构设计简单，通过调整阻抗变换枝节的参数，可扩展至其它波段和材料体系，符合常用平面电路制作工艺要求，易于加工，与现有结构相比更具可移植性和工艺实现可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构的立体结构示意图；
图2为图1中A局部放大示意图；
图3为图1中B局部放大示意图；
图4为本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构的局部剖面示意图；
图5为微带线的传输线通过金丝直接与芯片相连时的等效电路图；
图6为本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构中一个阻抗变换枝节与相应金丝形成的等效电路图；
图7为本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构的电磁仿真结果图。
其中，图中各附图标记：
100-基板；200-传输线；201-渐变结构；300-芯片；400-金丝；500-阻抗变换枝节；501-高阻抗枝节；502-中阻抗枝节；503-低阻抗枝节。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1和图2，现对本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构进行说明。该Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，包括微带线、芯片300、金丝400和阻抗变换枝节500；微带线包括基板100、接地表层、接地底层和传输线200；接地表层设置在基板100的正面；接地底层设置在基板100的反面；传输线200设置基板100上；基板100上开设有安装槽；芯片300设置在安装槽中；金丝400的一端与芯片300连接；阻抗变换枝节500包括依次设置的高阻抗枝节501、中阻抗枝节502和低阻抗枝节503，高阻抗枝节501与传输线200连接，低阻抗枝节503与金丝400的另一端连接。
本申请提供的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，与现有技术相比，本申请的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，适用于Ka波段(26.5-40GHz)微波/毫米波组件的信号传输链路，通过设置由高阻抗枝节501、中阻抗枝节502和低阻抗枝节503组成的阻抗变换枝节500，来连接微带线和金丝400，其高低阻抗特性可等效于在金丝400的等效电路中加入了L型阻抗匹配网络，较好地实现了微带线和金丝400的超宽带阻抗匹配。同时，本申请结构设计简单，通过调整阻抗变换枝节500的参数，可扩展至其它波段和材料体系，符合常用平面电路制作工艺要求，易于加工，与现有结构相比更具可移植性和工艺实现可行性。
在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1和图3，传输线200远离高阻抗枝节501的一端为宽度逐渐减小的渐变结构201。
可以理解的是，传输线200远离高阻抗枝节501的一端为输入端或输出端，传输线200在该位置采用宽度逐渐减小的渐变结构201，能够增大输入端或输出端的电感，以抵消传号线与同轴接头引入的寄生电容效应，最终整个Ka波段内回波损耗可达到-17.6dB以下。
具体而言，渐变结构201呈等腰梯形，等腰梯形下底边的宽度与传输线200的宽度相同，等腰梯形上底边的宽度根据与同轴接头的匹配效果进行调节，渐变结构201在实际应用中与同轴接头内导体焊接(压接)。
在本申请的一个实施例中，阻抗变换枝节500为印制在基板100表面的电路图案；沿着传输线200的长度方向，高阻抗枝节501的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.12mm-0.16mm；中阻抗枝节502的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.2mm-0.6mm；低阻抗枝节503的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.6mm-1.0mm。
本实施例中，请一并参阅图1至图4，为了便于方向描述，以传输线200为参照，建立了一个三维的空间坐标系，其中，传输线200的长度方向为X轴，传输线200的宽度方向为Y轴，传输线200的厚度方向为Z轴。具体而言，高阻抗枝节501、中阻抗枝节502和低阻抗枝节503的长度(沿着X轴方向)均为0.2mm，高阻抗枝节501、中阻抗枝节502和低阻抗枝节503的宽度(沿着Y轴方向)分别为0.14mm、0.4mm和0.8mm；由此可见，阻抗变换枝节500中的最小宽度为0.14mm，能够满足大多数平面电路加工工艺的要求。
在本申请的一个实施例中，微带线的特征阻抗为50Ω；基板100的材料为陶瓷，陶瓷的介电常数为5.0-10.0，介质损耗因子tanα≤0.004。
本实施例中，传输线200的宽度为0.415mm，基板100的接地底层为整面接地。以使该微带线具有良好的传输性能，并且使该微带线具有50Ω特征阻抗，提升了微带线的适用范围。
本实施例中，基板100尺寸为25mm×12.7mm×0.277mm(长×宽×厚)。基板100的各项参数满足低温共烧陶瓷(LTCC)工艺要求。具体而言，传输线200和阻抗变换枝节500可采用LTCC工艺(或其它平面印刷工艺)进行制作，在陶瓷片对应位置掏出空腔，形成安装槽，从下往上进行堆叠并印制各层金属图案；烧结成型，对基板100进行电镀/清洗(如有需要)后依次采用贴片工艺安装芯片300、金丝400键合工艺制作金丝400。
请参阅图5，图5所示的电路为使用金丝400直接将芯片300与传输线200连接时，金丝400的等效电路。该等效电路包括两个电感L1、两个电阻R1、两个电容C1和一个电容C2，其中电感L1、电阻R1、电阻R1和电感L1依次串联，且一个电感L1远离两个电阻R1的一端为用于连接芯片300，另一个电感L1远离两个电阻R1的一端为用于连接传输线200，即从芯片300到传输线200的方向，电感L1、电阻R1、电阻R1和电感L1依次串联；并且芯片300通过一个电容C1接地，传输线200通过另一个电容C1接地，两个电阻R1之间通过电容C2接地。该等效电路考虑了金丝400自身的欧姆损耗R1和电感效应L1，以及对地的寄生电容效应C1、C2，能合理预测电磁信号在金丝400结构中的传输。
理论上而言，微带线与金丝400的阻抗差异巨大，直接相连会因阻抗失配引起较大的电磁波反射，使整个结构的回波损耗/驻波比性能恶化，频率越高，恶化越严重，因此，本申请实施例引入了阻抗变换枝节500，阻抗变换枝节500处于微带线和金丝400之间，通过阻抗变换，降低两端的阻抗失配程度，从而保证较好的回波损耗/驻波比性能；其中，高阻抗枝节501、中阻抗枝节502和低阻抗枝节503引入的寄生效应分别由Cp1、Cp2与Lp表示。
请参阅图6，使用上述阻抗变换枝节500连接金丝400与传输线200时，阻抗变换枝节500与金丝400的等效电路，该等效电路包括两个电感L1、两个电阻R1、一个电感Lp、一个电容Cp1、一个电容Cp2、两个电容C1和一个电容C2，其中电感L1、电阻R1、电阻R1、电感L1和电感Lp依次串联，且远离电感Lp的一个电感L1的一端为用于连接芯片300，电感Lp远离两个电阻R1的一端为用于连接传输线200，即从芯片300到传输线200的方向，电感L1、电阻R1、电阻R1、电感L1和电感Lp依次串联；并且芯片300通过一个电容C1接地，两个电阻R1之间通过电容C2接地，另一个电容C1与电容Cp1、Cp2并联，并且电感Lp远离传输线200的一端通过电容Cp1和Cp2接地。则电感Lp与电容Cp1、Cp2可以形成L型阻抗匹配网络，即该使用阻抗变换枝节500的等效电路相当于在直接使用金丝400连接传输线200的等效电路的传输线200一端加入L型阻抗匹配网络，使从传输线200向芯片300方向观察到的输入阻抗Zin与传输线200的阻抗尽可能地接近，从而降低阻抗失配程度，从而可以较好地实现微带线和金丝400的超宽带阻抗匹配。
可以理解的是，在一些实施例中，也可以使用其他形状的阻抗变换枝节500，以实现金丝400与传输线200的阻抗匹配。Cp1、Cp2与Lp的大小在一定范围内可以通过改变阻抗枝节的尺寸进行调节，使得该过渡结构具有可移植性，适用于其它尺寸/形状的金丝400结构，以及不同材料基底的微带线结构。
在本申请的一个实施例中，请一并参阅图3至图5，金丝400沿传输线200的长度方向呈八字形排布；金丝400的直径为25μm、拱高为80μm-120μm、跨距为240μm-280μm；金丝400的数量为两根，两根金丝400在连接芯片300一端的间距为20μm-30μm、在连接低阻抗枝节503一端的间距为170μm-180μm。
可以理解的是，两根金丝400的结构完全相同，优选金丝400的拱高为100μm、跨距为260μm；两根金丝400在连接芯片300一端的间距为25μm、在连接低阻抗枝节503一端的间距为175μm；以使金丝400具有更小的电阻与电感特性，即减小金丝400的阻抗，提升金丝400的传输性能，能够更好的与阻抗变换枝节500匹配，同时也可以方便加工制作。
在本申请的一个实施例中，请一并参阅图3至图5，接地表层、传输线200、阻抗变换枝节500均为金层，金层的厚度为14um-16μm。
具体而言，金层的厚度为15um，以保证接地表层、传输线200、阻抗变换枝节500良好的传输性能和阻抗匹配特性。
在本申请的一个实施例中，接地表层、传输线200和阻抗变换枝节500的厚度均相等，以方便加工制作，例如，可以采用印刷的方式制作于基板100上。
在本申请的一个实施例中，芯片300采用以GaAs为基底材料的50Ω特征阻抗GCPW。
本实施例中，芯片300采用以GaAs为基底材料的50Ω特征阻抗GCPW，能够有利于整个链路传输性能的，芯片300的尺寸为2.4mm×1.2mm×0.2mm(长×宽×厚)，芯片300的输入焊盘和输出焊盘即为GCPW传输线200的两端。
在本申请的一个实施例中，请一并参阅图3至图5，芯片300的外侧壁与安装槽的内侧壁间距为70μm-90μm，芯片300的上表面与基板100的上表面平齐，芯片300的下表面通过金属垫片与接地底层相连。
本实施例中，优选芯片300的外侧壁与安装槽的内侧壁间距为80μm，芯片300中金层厚度为5μm。芯片300中信号传输线的宽度为0.1mm，与大面积接地的间隙为0.12mm；芯片300底层为整面接地。
在本申请的一个实施例中，请一并参阅图3至图5，传输线200的两侧分别至少设有两排接地通孔，接地表层和接地底层通过接地通孔连通；接地通孔的直径为0.08mm-0.12mm，在传输线200同一侧的多个接地通孔中，沿着传输线200的长度方向或宽度方向，相邻两个接地通孔的间距范围为0.4mm-0.6mm；沿着传输线200的长度方向，最外侧的接地通孔到基板100的边缘的距离为0.20mm-0.3mm。
本实施例中，优选接地通孔的直径为0.1mm，在传输线200同一侧的多个接地通孔中，沿着传输线200的长度方向或宽度方向，相邻两个接地通孔的间距范围为0.5mm；沿着传输线200的长度方向，最外侧的接地通孔到基板100的边缘的距离为0.25mm。
在本申请的一个实施例中，请一并参阅图3至图5，阻抗变换枝节500关于传输线200长度方向的中线对称设置，微带线关于传输线200长度方向的中线对称设置，两根金丝400关于传输线200长度方向的中线对称设置。采用对称结构，可以降低阻抗，提高传输性能，减少回波损耗。
可以理解的是，如果基板100或芯片300本身为非对称结构，只需要将传输线200、阻抗变换枝节500和金丝400的位置做相应调整即可。
本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构的电磁仿真结果如图7所示，分析该仿真结构可以看出，本申请在Ka波段内的传输性能优异，插入损耗小于1.7dB，回波损耗在-17.6dB以下，驻波比小于1.3。
本申请实施例提供的一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，实现了50Ω特征阻抗微带线与两根25μm金丝400在Ka波段的阻抗匹配，回波损耗可达到-17.6dB以下，保证了整个微波/毫米波链路的优异传输性能。不仅能够满足Ka波段的使用，Ka波段以下的频率也可以直接使用，Ka波段以上的频率则可以优化阻抗变换枝节500尺寸参数达到理想的传输性能。同样的，当基板100的材料、芯片300的尺寸发生变化时，通过调整阻抗变换枝节500尺寸参数仍能实现较好的阻抗匹配。本申请可以应用于Ka波段收发组件、微波通信、雷达系统、电子对抗等领域，具有广泛的应用前景。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，包括：
微带线，所述微带线包括基板、接地表层、接地底层和传输线；所述接地表层设置在所述基板的正面；所述接地底层设置在所述基板的反面；所述传输线设置所述基板上；所述基板上开设有安装槽；
芯片，所述芯片设置在所述安装槽中；
金丝，所述金丝的一端与所述芯片连接；以及
阻抗变换枝节，所述阻抗变换枝节包括依次设置的高阻抗枝节、中阻抗枝节和低阻抗枝节，所述高阻抗枝节与所述传输线连接，所述低阻抗枝节与所述金丝的另一端连接。
2.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述传输线远离所述高阻抗枝节的一端为宽度逐渐减小的渐变结构。
3.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述阻抗变换枝节为印制在所述基板表面的电路图案；沿着所述传输线的长度方向，所述高阻抗枝节的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.12mm-0.16mm；所述中阻抗枝节的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.2mm-0.6mm；所述低阻抗枝节的长度为0.18mm-0.22mm、宽度为0.6mm-1.0mm。
4.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述微带线的特征阻抗为50Ω；所述基板的材料为陶瓷，所述陶瓷的介电常数为5.0-10.0，介质损耗因子tanα≤0.004。
5.如权利要求4所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述金丝沿所述传输线的长度方向呈八字形排布；所述金丝的直径为25μm、拱高为80μm-120μm、跨距为240μm-280μm；所述金丝的数量为两根，两根所述金丝在连接所述芯片一端的间距为20μm-30μm、在连接所述低阻抗枝节一端的间距为170μm-180μm。
6.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述接地表层、所述传输线、所述阻抗变换枝节均为金层，所述金层的厚度为14um-16μm。
7.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述芯片采用以GaAs为基底材料的50Ω特征阻抗GCPW。
8.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述芯片的外侧壁与所述安装槽的内侧壁间距为70μm-90μm，所述芯片的上表面与所述基板的上表面平齐，所述芯片的下表面通过金属垫片与所述接地底层相连。
9.如权利要求1所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述传输线的两侧分别至少设有两排接地通孔，所述接地表层和所述接地底层通过所述接地通孔连通；
所述接地通孔的直径为0.08mm-0.12mm，在所述传输线同一侧的多个接地通孔中，沿着所述传输线的长度方向或宽度方向，相邻两个接地通孔的间距范围为0.4mm-0.6mm；
沿着所述传输线的长度方向，最外侧的接地通孔到所述基板的边缘的距离为0.20mm-0.3mm。
10.如权利要求1-9任意一项所述的Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构，其特征在于，所述阻抗变换枝节关于所述传输线长度方向的中线对称设置，所述微带线关于所述传输线长度方向的中线对称设置，两根所述金丝关于所述传输线长度方向的中线对称设置。
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| CN202311599688.5A CN117458112A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种Ka波段超宽带微带线-金丝过渡结构 |
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