基於矽工藝封裝的毫米波TE₁₀₁-λ/4功率合成器的製作方法

2023-05-26 20:42:21

專利名稱：基於矽工藝封裝的毫米波TE101-λ/4功率合成器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種功率合成器，尤其是涉及一種基於矽工藝封裝的毫米波 TEltll-λ/4功率合成器。
背景技術：
隨著無線通信與無線網絡的發展，微波波段頻譜資源已經不堪重負，進一步開發擁有更高帶寬、更大通信容量的毫米波波段頻譜資源甚為迫切。正因為如此，2001年美國 FCC決定開放57-64GHZ頻段用於工業、科學、醫療(ISM)應用，並允許最高達40dBm的發射功率，日本和歐洲也將至少開放59-62GHZ頻段。60GHz頻段位於大氣吸收窗口，非常適合短距離大容量無線通信，汽車防撞雷達等，研究60毫米波集成電路的實現則成為能否有效利用該段頻譜資源的重要因素。隨著RFCM0S，SiGe BiCMOS技術的進步，60GHz毫米波集成電路已可利用矽技術實現，近年甚至出現了完全基於標準CMOS工藝的電路設計。這將使其與諸如數位訊號處理等後端電路的集成大為便利，從而有效改善系統性能和可靠性，並極大程度地降低總體成本。 但如何在矽基片上實現有效的功率放大、獲得較大的功率輸出始終是眾多學者面臨的一大挑戰，也是目前該領域研究中存在的主要薄弱環節之一。為了獲得一定的功率增益或達到特定的功率輸出，一般必須或者採取多級放大電路級聯的形式，或者使用各種功率合成技術。由於使用功率合成技術時，事實上將使功率的發生平均分配到多個相同的輸出功率較小的源上，一方面使電路工作更加可靠，另一方面將更有利於散熱，因此具有更大的優勢，也更具有研究價值。

發明內容
為了克服目前矽工藝上毫米波功率源功率低的問題，本發明的目的在於提供一種基於矽工藝封裝的毫米波TE皿-λ /4功率合成器，可以將基於矽工藝的毫米波功率源輸出功率提高一到兩個數量級。本發明採用的技術方案是
該功率合成器由封裝層上的多個λ /4諧振器，工作在TEltll模的多個SIW諧振器和工作在TEltl模的輸出矩形波導組成；每個SIW諧振器耦合4個λ /4諧振器，構成功率合成器的單元結構；每個SIW諧振器和輸出矩形波導均由上導電金屬面、下導電金屬面、和上、下導電面間的金屬側壁所圍的空間組成；矩形波導開口處即能量輸出端；每個λ/4諧振器的開路端即功率合成器輸入端與晶片上有源電路在晶片層與封裝層交界處進行連接，每個 λ/4諧振器的短路端接到SIW諧振器的下導電面，通過下導電面上的耦合縫隙將能量耦合到SIW諧振器中；SIW諧振器通過額外放置的兩個金屬通孔相當於矩形波導中的感性膜片， 將能量從一個SIW諧振器耦合到相鄰的另一個SIW諧振器；上述兩個相鄰的SIW諧振器在耦合處共用一個λ/4諧振器；相鄰的另一個SIW諧振器通過額外放置的另外兩個金屬通孔相當於感性膜片，將能量從另一個SIW諧振器耦合到矩形波導，並由輸出端輸出。
所述的每個SIW諧振器和4個λ /4諧振器構成功率合成器的單元結構在平面上按矩陣形式排列擴展，相鄰的SIW諧振器通過額外放置的兩個金屬通孔相當於感性膜片進行耦合，所述的功率合成器的結構由輸出功率決定，輸出功率越大則需要的單元結構個數越多。所述的功率合成器位於封裝層中，整個結構的其餘空間為封裝層的填充介質填充。本發明與背景技術相比，具有的有益效果是
該毫米波TEltll- λ /4功率合成器，適合於在矽工藝晶圓級封裝技術上實現，整個三維結構在封裝層中；構成λ/4諧振器的通孔傳輸線與基片表面垂直，與晶片表面平行分布的電源線、信號線相互耦合小；基片損耗小，品質因素高；工作於TE皿模的SIW諧振器品質因素 (Q值)遠高於λ/4諧振器，故該三維結構TEltll-λ/4功率合成器的Q值主要由SIW諧振器決定，較傳統λ /4諧振器大很多；該三維結構TEltll-λ /4功率合成器可以將多個矩陣形式分布的λ/4諧振器的功率高效地合成，將基於矽工藝的毫米波功率源輸出功率提高一到兩個數量級。因此，在基於矽工藝的毫米波集成電路領域具有重要的應用價值。


圖1是本發明TE皿-λ/4功率合成器結構俯視圖。 圖2是本發明TE皿-λ/4功率合成器結構圖。圖3是本發明TEltll-λ /4功率合成器結構透視圖。圖4是本發明TE皿-λ/4功率合成器結構四周金屬側壁5處橫剖視圖, 圖5是本發明TEltll-λ'4功率合成器結構側視圖。圖中，1、λ /4諧振器，2、SIW諧振器，3、矩形波導，la、λ /4諧振器開路端，lb、λ /4 諧振器短路端，4、上導電金屬面，5、四周金屬側壁，6、下導電金屬面，7、耦合縫隙，8、感性膜片，9、輸出端。
具體實施例方式以下結合具體實例和附圖對本發明作進一步的描述。本發明的總體結構如圖1、圖2、圖3、圖3、圖5所示。該功率合成器由封裝層上的多個λ /4諧振器1，工作在TEltll模的多個SIW諧振器2和工作在TEltl模的輸出矩形波導 3組成；每個SIW諧振器2耦合4個λ /4諧振器1，構成功率合成器的單元結構；每個SIW 諧振器2和輸出矩形波導3均由上導電金屬面4、下導電金屬面6、和上、下導電面4、6間的金屬側壁5所圍的空間組成；矩形波導3開口處即能量輸出端9 ；每個λ /4諧振器1的開路端Ia即功率合成器輸入端與晶片上有源電路在晶片層與封裝層交界處進行連接，每個 λ /4諧振器1的短路端Ib接到SIW諧振器2的下導電面6，通過下導電面6上的耦合縫隙 7將能量耦合到SIW諧振器2中；SIW諧振器2通過額外放置的兩個金屬通孔相當於矩形波導中的感性膜片8，將能量從一個SIW諧振器2耦合到相鄰的另一個SIW諧振器2 ；上述兩個相鄰的SIW諧振器2在耦合處共用一個λ /4諧振器1 ；相鄰的另一個SIW諧振器2通過額外放置的另外兩個金屬通孔相當於感性膜片8，將能量從另一個SIW諧振器2耦合到矩形波導3，並由輸出端9輸出。
所述的每個SIW諧振器2和4個λ /4諧振器1構成功率合成器的單元結構在平面上按矩陣形式排列擴展，相鄰的SIW諧振器2通過額外放置的兩個金屬通孔相當於感性膜片8進行耦合，所述的功率合成器的結構由輸出功率決定，輸出功率越大則需要的單元結構個數越多。所述的功率合成器位於封裝層中，整個結構的其餘空間為封裝層的填充介質填充。整個功率合成器的實施原理如下
a)本發明提出的功率合成器由多個SIW諧振器2與多個λ/4諧振器1相互耦合實現。 SIff諧振器2被限制在由上、下導電平面4、6和四周金屬側壁5圍住的空間範圍內，其中側壁5由金屬通孔陣列形成。λ/4諧振器1為一端短路、另一端開路、長度為λ/4的一段差分傳輸線，其中差分傳輸線由兩個金屬通孔構成，一端的短路Ib連接由下導電平面6替代， 另一端開路端Ia即功率合成器的輸入埠。SIW諧振器2與λ /4諧振器1的耦合通過下導電平面6上的耦合縫隙7實現，整個空間其餘部分均為介質填充。圖1中為了能夠清晰地表現耦合縫隙7這一細節，有意將電路進行了上下翻轉，同時沒有畫出填充介質。b)電路工作時，外部輸入的能量激勵λ/4諧振器1振蕩，其場分布特點為開路端Ia電場最強，磁場最弱；短路端Ib則反之，磁場最強，電場最弱。由於耦合縫隙7的存在，磁場將洩露到SIW諧振器2內部，進而激勵SIW諧振器2振蕩，且能量大部分集中於SIW 諧振器2。每個SIW諧振器2和4個λ /4諧振器1構成功率合成器的單元結構。隨著耦合的功率合成器單元結構數量的增加，整個功率合成器耦合的電磁能量相應增大，從而實現功率的合成。由於SIW諧振器2的品質因數比λ/4諧振器1的品質因數要大得多，整個功率合成器結構的品質因數主要由SIW諧振器2決定。c)如圖1所示，位於C處額外放置的兩個金屬通孔相當於矩形波導中的感性膜片 8，從而使兩個工作於TEltll模的半波長(λ g/2) SIff諧振器2通過金屬通孔相互耦合8，因此將每個半波長SIW諧振器2耦合4個λ /4諧振器1的結構稱為TElOl- λ /4功率合成結構，為構成功率合成器的單元結構。兩個相鄰的SIW諧振器2在耦合處共用一個λ/4諧振器1。將這一方法推而廣之，可以在平面上以矩陣形式排列更多的半波長SIW諧振器2，從而該結構具有非常好的可擴展性，能夠將基於矽工藝的毫米波功率源輸出功率提高一到兩個數量級。d)如圖1所示，位於D處額外放置的兩個金屬通孔同樣相當於感性膜片8，用於 SIff諧振器2與外部矩形波導3耦合，實現功率輸出。
權利要求
1.一種基於矽工藝封裝的毫米波TEltll-λ/4功率合成器，其特徵在於該功率合成器由封裝層上的多個λ /4諧振器，工作在TE皿模的多個SIW諧振器和工作在TEltl模的輸出矩形波導(3)組成；每個SIW諧振器耦合4個λ/4諧振器，構成功率合成器的單元結構；每個SIW諧振器和輸出矩形波導(3)均由上導電金屬面G)、下導電金屬面(6)、和上、下導電面(4，6)間的金屬側壁(5)所圍的空間組成；矩形波導(3)開口處即能量輸出端(9)；每個 λ /4諧振器的開路端即功率合成器輸入端與晶片上有源電路在晶片層與封裝層交界處進行連接，每個λ/4諧振器的短路端接到SIW諧振器的下導電面(6)，通過下導電面(6)上的耦合縫隙將能量耦合到SIW諧振器中；SIW諧振器通過額外放置的兩個金屬通孔相當於矩形波導中的感性膜片，將能量從一個SIW諧振器耦合到相鄰的另一個SIW諧振器；上述兩個相鄰的SIW諧振器在耦合處共用一個λ/4諧振器；相鄰的另一個SIW諧振器通過額外放置的另外兩個金屬通孔相當於感性膜片，將能量從另一個SIW諧振器耦合到矩形波導(3)，並由輸出端(9)輸出。
2.根據權利要求1所述的一種基於矽工藝封裝的毫米波TEltll-λ/4功率合成器，其特徵在於所述的每個SIW諧振器和4個λ/4諧振器構成功率合成器的單元結構在平面上按矩陣形式排列擴展，相鄰的SIW諧振器通過額外放置的兩個金屬通孔相當於感性膜片進行耦合，所述的功率合成器的結構由輸出功率決定，輸出功率越大則需要的單元結構個數越多。
3.根據權利要求1所述的一種基於矽工藝封裝的毫米波TEltll-λ/4功率合成器，其特徵在於所述的功率合成器位於封裝層中，整個結構的其餘空間為封裝層的填充介質填充。
全文摘要
本發明公開了一種基於矽工藝封裝的毫米波TE101-λ/4功率合成器。該功率合成器由封裝層上的多個λ/4諧振器，工作在TE101模的多個SIW諧振器和工作在TE10模的輸出矩形波導組成；矩形波導開口處即能量輸出端；每個λ/4諧振器的開路端即功率合成器輸入端與晶片上有源電路在晶片層與封裝層交界處進行連接，短路端接到下導電面，通過下導電面上的耦合縫隙將能量耦合到SIW諧振器中；相鄰的SIW諧振器通過側邊的感性膜片耦合，最終通過感性膜片將SIW諧振器能量耦合到矩形波導輸出端輸出，實現功率合成。本發明將多個矩陣形式分布的λ/4諧振器的功率高效地合成，將基於矽工藝的毫米波功率源輸出功率提高一到兩個數量級。
文檔編號H01P5/12GK102214851SQ20111002429
公開日2011年10月12日 申請日期2011年1月22日 優先權日2011年1月22日
發明者史治國, 周金芳, 胡新毅, 陳抗生, 黃映乾 申請人:浙江大學