一种用于毫米波高速互连的RSICL到GCPW的垂直转接

加脊基片集成同轴线 (RSICL) 是一种新型传输线结构，为其设计性能良好的转接结构使得 RSICL 可以与传统平面电路兼容十分重要。本文提出了一种应用于毫米波高速互连的 RSICL 转接结构,实现了 RSICL-过孔-接地共面波导的垂直转接。基于 PCB 工艺，对所设计的 RSICL 转接结构进行了加工和测试。测试结果与仿真结果吻合良好，在 DC-40 GHz范围内，插入损耗小于 2 dB，回波损耗大于 10 dB。

1. 引言

传输线是集成电路和电子系统中最基本的单元。随着信号频率的日益增长，发展具备良好信号完整性，特别是在传输高速信号时仍能保持良好性能的传输线结构变得十分有意义。传统的传输线结构，如微带线和共面波导由于它们都是开放结构，在高密度的高速集成电路中，面临较为严重的串扰和色散问题。

基片集成同轴线（SICL）把同轴线集成到基片集成电路中，SICL 的主模是 TEM 模，支持基带信号，带宽较宽、且屏蔽性能良好。2021 年，加脊基片集成同轴线（RSICL）被提出，其在SICL 外部导体的两侧设置两个脊，引入了额外的电容。相比于SICL，RSICL 实现了横向尺寸的小型化，扩展了单模带宽，增强了电磁屏蔽，同时增加了设计自由度（增加了两个脊作为设计参数）。报道中所提出的 RSICL 比具有相同金属通孔的SICL的电磁屏蔽提高了100倍。RSICL在尺寸、带宽、屏蔽、设计自由度等方面都优于 SICL，因此非常适合用于高密度集成的高速电路互连。作为一种新型的传输线结构，目前对于RSICL 转接研究设计十分缺乏，现有报道的 RSICL 转接均是 RSICL 到接地共面波导（GCPW）平面阶梯转接，缺乏垂直转接，无法发挥 RSICL 可以多层堆叠的优势。

本文提出了一种RSICL 的垂直转接结构，通过金属通孔实现了RSICL和 GCPW 的垂直转接。基于印刷电路板（PCB）工艺，对所设计的 RSICL转接结构进行了加工和测试。测试结果与仿真结果吻合良好，在 DC 到 40GHz 范围内，插入损耗小于 2 dB，回波损耗大于 10 dB。

2. RSICL-Via-GCPW 转接结构

在设计中，选择了厚度为 0.5 mm的 Rogers RT/Duroid 5880 介质基板，其介电常数 εr=2.2，损耗 tanδ=0.0009。导体为金属铜，电导率为 σ=5.8×107S/m。

图 1 RSICL-Via-GCPW 转接结构，(a)三维视图，(b) 金属层俯视图。

图 1(a)展示了所设计的 GCPW 到RSICL 的转接结构，二者通过两个金属盲孔连接。RSICL 和 GCPW 的尺寸参数都标记于图中，结构一共包含 5层，1/3/5 层是金属层，2/4 层是介质层，其中 RSICL 的第 1 层，第 2 层，第 3层的延长部分被用来构建 GCPW 的信号线层、介质层及地。两层介质层的厚度均为 h。RSICL 的外导体、内导体、脊和与内导体之间缝隙的宽度分别为 w、a、b、s。图 1(b)分别展示了该转接结构的 3 个金属层，ws和 wg 分别是 GCPW 的线宽和缝隙宽度，wc是GCPW 两列金属通孔的孔心距离。l1和 l2 分别是 GCPW 和 RSICL 的长度，GCPW 的信号线和 RSICL 的内导体通过设置于第 2 层的金属盲孔（红色）连接，盲孔的直径为 rb。其余过孔（蓝色）皆穿过第 2 层和第 4 层介质层并与第 1 层和第 5 层金属层相连，r 是直径，d 是两个相邻通孔中心之间的距离。

表 1 RSICL-Via-GCPW 转接尺寸参数（mm）

表 1 列出了该转接设计的所有尺寸参数，由 50 Ω 特性阻抗要求，RSICL和 GCPW 的尺寸率先被确定，同时GCPW 的尺寸需要和拟用于测试的2.92 mm 连接器匹配。盲孔尺寸经过全波仿真优化得到。

图 2 RSICL-Via-GCPW 背靠背转接结构实物，(a)金属层，(b) 转接结构及连接器。

图 2(a)展示了 PCB 工艺加工的RSICL-Via-GCPW 结构的 3 个金属层,与图 1(b) 所展示的设计图对应。图 2(b)给出了加工好的 RSICL-Via-GCPW 转接结构及 2.92 mm 连接器。接着对所设计的 GCPW-Via-RSICL 及连接器结构进行了全波仿真并采用矢量网络分析仪测量了其 S 参数。图 3 给出了仿真和实测的S参数结果，在DC-40 GHz范围内，实测 S21 大于-2 dB，S11 小于-10 dB。测量结果和仿真结果的误差主要由加工误差引起连接器和 GCPW在实际连接中不能完全对准导致的。

图 3 RSICL-Via-GCPW 结构的仿真和测量 S 参数

3. 结论

本文实现了一种用于毫米波高速互连的 RSICL 到 GCPW 的垂直转接，实现了 DC-40 GHz 的超宽带宽，测试结果显示插入损耗小于 2 dB，回波损耗大于 10 dB。