基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器及其制备方法技术

基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器及其制备方法，本发明专利技术属于微波器件领域，它为了解决现有平面级联结构的威尔金森功率分配器的尺寸较大，器件可靠性较低的问题。本发明专利技术威尔金森功分器的电路是在输入端口与一号输出端口之间通过依次串联的RC滤波器、一号传输线等效组件、二号传输线等效组件相连接；输入端口与二号输出端口之间通过依次串联的RC滤波器、三号传输线等效组件、四号传输线等效组件相连接。本发明专利技术采用微纳加工技术在砷化镓晶元上进行六层薄膜型无源集成器件的制造，使得尺寸大幅度减小，该威尔金森功分器的尺寸仅为1.5mm×3mm×0.65mm。而且本发明专利技术的制造工艺精度高，器件性能稳定。

Wilkinson power splitter based on thin film integrated passive device technology and its preparation method

The invention belongs to the field of microwave devices. It solves the problems of large size and low reliability of Wilkinson power divider with existing planar cascade structure. The Wilkinson power divider circuit of the invention is connected between the input port and the output port through sequential series RC filters, transmission line equivalent components of No. 1 and transmission line equivalent components of No. 2, and between the input port and the output port of No. 2, through sequential series RC filters, transmission line equivalent components of No. 3 and transmission line equivalent components of No. 4. The invention adopts micro-nano processing technology to fabricate six-layer thin film passive integrated device on GaAs crystal element, which greatly reduces the size of the Wilkinson power divider, and the size of the Wilkinson power divider is only 1.5 mm *3 mm *0.65 mm. Moreover, the manufacturing process of the invention has high precision and stable device performance.

【技术实现步骤摘要】
基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器及其制备方法
本专利技术属于微波器件领域，具体涉及一种小型化宽带威尔金森功率分配器及其制备方法。
技术介绍
威尔金森功率分配器是一种可以将输入信号分成是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的无源器件，其主要技术参数有功率损耗包括中心频率、插入损耗、反射损耗、功率分配端口间的隔离度、和频带宽度等。功分器广泛应用于射频/微波前端通信系统，如混频器，乘法器，功率放大器和天线阵列之中。为了满足人们对通信系统越来越高的要求，宽带小型化功分器是目前的一个研究的热点。利用分段传输线、使用右/左手传输线、以及附加隔离网络等方法可以增加威尔金森功分器的频带宽度。其中应用最广泛的方法是采用多节拓扑网络。每一节由四分之一波长线组成。然而这种基于微带线的多节威尔金森功分器会占有较大的电路面积，增加了制造成本并增加额外的插入损耗，而且不易与其他电路模块集成。常用的减小面积的方法是采用分立元件电路代替四分之一波长传输线，这种制作方法因其制作难度低，制作时间短，成本低廉，但是由于需要大量器件线焊可能会增加额外的时间成本和寄生参数。除了采用PCB加工工艺外，低温共烧陶瓷(LTCC)技术以及互补金属氧化物半导体(CMOS)技术也被广泛应用于制造功率分配器。LTCC技术有利于提高电路系统的品质因子；可以制作线宽小于50μm的细线结构电路；可适应大电流及耐高温特性要求，可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度。然而采用LTCC工艺将会大大增加生产成本，且如果烧结致密化速度不易匹配则容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层，金属布线的附着力下降。CMOS工艺可以将各个模块制作在芯片中，有利于降低成本实现芯片小型化，工艺比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有平面级联结构的威尔金森功率分配器的尺寸较大，器件可靠性较低的问题，而提供基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器及其制备方法。本专利技术基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器包括输入端口port1、一号输出端口port2、二号输出端口port3、两个RC滤波器和四个传输线等效组件，该宽带小型化威尔金森功分器的电路是在输入端口port1与一号输出端口port2之间通过依次串联的第一RC滤波器、一号传输线等效组件、二号传输线等效组件相连接，其中一号传输线等效组件是由一号电感L1、一号电容C1和二号电容C2组成π型电路，一号电容C1的一端与一号电感L1相连，一号电容C1的另一端接地，二号电容C2的一端与一号电感L1相连，二号电容C2的另一端接地；二号传输线等效组件由三号电感L3、五号电容C5和六号电容C6组成π型电路，五号电容C5的一端与三号电感L3相连，五号电容C5的另一端接地，六号电容C6的一端与三号电感L3相连，六号电容C6的另一端接地；所述的输入端口port1与二号输出端口port3之间通过依次串联的第二RC滤波器、三号传输线等效组件、四号传输线等效组件相连接，其中三号传输线等效组件是由二号电感L2、三号电容C3和四号电容C4组成π型电路，三号电容C3的一端与二号电感L2相连，三号电容C3的另一端接地，四号电容C4的一端与二号电感L2相连，四号电容C4的另一端接地；四号传输线等效组件是由四号电感L4、七号电容C7和八号电容C8组成π型电路，七号电容C7的一端与四号电感L4相连，七号电容C7的另一端接地，八号电容C8的一端与四号电感L4相连，八号电容C8的另一端接地；一号传输线等效组件和二号传输线等效组件之间有第一节点a，二号传输线等效组件与一号输出端口port2之间有第三节点c，三号传输线等效组件和四号传输线等效组件之间有第二节点b，四号传输线等效组件与二号输出端口port3之间有第四节点d，第一节点a与第二节点b之间设置有第一隔直电阻R1，第三节点c与第四节点d之间设置有第二隔直电阻R2；该宽带小型化威尔金森功分器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。本专利技术所述的第一RC滤波器由电阻R3和电容C9并联组成，第二RC滤波器由电阻R4和电容C10并联组成。所述的传输线等效组件是由夹着串联连接的电感部件而与接地相连接的电容部件组成的π型电路。本专利技术基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器的制备方法按下列步骤实现：一、对基板表面进行清洗和抛光处理，得到洁净的基板；二、采用化学气相沉积在洁净的基板表面沉积第一SiNx层；三、按照宽带小型化威尔金森功分器的电路结构在第一SiNx层表面沉积NiCr层，通过光刻工艺获得薄膜电阻器，通过溅射形成第一种子金属层后，用光致抗蚀剂刻蚀晶元以获得底部金属层的结构，再通过电子束蒸发形成底部金属层，底部金属层作为电阻器的焊盘，MIM电容器的底部金属和螺旋电感器；四、在底部金属层上再沉积第二SiNx层，第二SiNx层作为电容的介质层，采用反应离子蚀刻(RIE)去除电阻、电容、电感端口及需要连接空气桥部分的第二SiNx层，形成第二种子金属层后沉积用于空气桥的光刻胶；五、在第二种子金属层上沉积顶部金属层，顶部金属层作为螺旋电感器的空气桥和MIM电容器的顶部金属，再通过反应离子蚀刻制成空气桥，钝化处理后得到基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器。本专利技术利用多节拓扑结构拓宽威尔金森功分器的带宽，两节拓扑结构可以提供两个不同的谐振频点，以在保证隔离度的条件下达到拓宽工作频带的效果。通过对功分器奇模电路和偶模电路的分析，确定各节特征阻抗及隔离电阻。四分之一波长传输线通过两个电容和一个电感构成的π型电路代替以减小功分器尺寸。本专利技术在输入端增加RC滤波器，以减小低频率时的反射系数，使得本专利技术威尔金森功分器可以实现工作频带从DC开始，使得相对带宽可以高达200％，进一步拓宽了频率。所增加的隔直电阻还能增加两个输出端口间的隔离度。本专利技术基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器的中心频率为0.7GHz。本专利技术采用微纳加工技术在砷化镓晶元上进行六层薄膜型无源集成器件的制造，使得尺寸可以大幅度减小，该威尔金森功分器的尺寸仅为1.5mm×3mm×0.65mm。而且本专利技术的制造工艺精度高，器件性能稳定，成品率高，成本低廉，便于和其他电路模块集成。相比其他加工工艺，本专利技术采用的GaAs晶元，可以减小寄生电容和电感效应，提高螺旋电感和MIM电容的高质量因数。本专利技术采用的薄膜无源集成器件加工工艺，将螺旋电感、薄膜型电阻、MIM电容集成在1.5×3mm2的电路之中，实现了宽带威尔金森功率分配器的小型化，易于封装及与其他电路模块集成，并且有效地避免焊接带来的时间成本及额外损耗和不确定的寄生参数。本专利技术设计出的威尔金森功率分配器在10dB工作频带上有较好的隔离度，可以实现工作频带由0GHz开始，10dB工作频带为0-1.4GHz，相对带宽高达200％。中心频率处反射损耗小于15dB，端口隔离度小于15dB，两输出端口的传输系数约为4.1dB。相比于基于微带结构、LTCC工艺、CMOS结构及基于其他衬底的IPD工艺，本专利技术采用GaAs作为衬底同时，更大程度实现结构的小型化，尺寸可以减小90％以上。附图说明图1为本专利技术基于薄膜集成无源器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器，其特征在于该基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器包括输入端口port1、一号输出端口port2、二号输出端口port3、两个RC滤波器和四个传输线等效组件，该宽带小型化威尔金森功分器的电路是在输入端口port1与一号输出端口port2之间通过依次串联的第一RC滤波器、一号传输线等效组件、二号传输线等效组件相连接，其中一号传输线等效组件是由一号电感L1、一号电容C1和二号电容C2组成π型电路，一号电容C1的一端与一号电感L1相连，一号电容C1的另一端接地，二号电容C2的一端与一号电感L1相连，二号电容C2的另一端接地；二号传输线等效组件由三号电感L3、五号电容C5和六号电容C6组成π型电路，五号电容C5的一端与三号电感L3相连，五号电容C5的另一端接地，六号电容C6的一端与三号电感L3相连，六号电容C6的另一端接地；所述的输入端口port1与二号输出端口port3之间通过依次串联的第二RC滤波器、三号传输线等效组件、四号传输线等效组件相连接，其中三号传输线等效组件是由二号电感L2、三号电容C3和四号电容C4组成π型电路，三号电容C3的一端与二号电感L2相连，三号电容C3的另一端接地，四号电容C4的一端与二号电感L2相连，四号电容C4的另一端接地；四号传输线等效组件是由四号电感L4、七号电容C7和八号电容C8组成π型电路，七号电容C7的一端与四号电感L4相连，七号电容C7的另一端接地，八号电容C8的一端与四号电感L4相连，八号电容C8的另一端接地；一号传输线等效组件和二号传输线等效组件之间有第一节点a，二号传输线等效组件与一号输出端口port2之间有第三节点c，三号传输线等效组件和四号传输线等效组件之间有第二节点b，四号传输线等效组件与二号输出端口port3之间有第四节点d，第一节点a与第二节点b之间设置有第一隔直电阻R1，第三节点c与第四节点d之间设置有第二隔直电阻R2；该宽带小型化威尔金森功分器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。...

【技术特征摘要】
1.基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器，其特征在于该基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器包括输入端口port1、一号输出端口port2、二号输出端口port3、两个RC滤波器和四个传输线等效组件，该宽带小型化威尔金森功分器的电路是在输入端口port1与一号输出端口port2之间通过依次串联的第一RC滤波器、一号传输线等效组件、二号传输线等效组件相连接，其中一号传输线等效组件是由一号电感L1、一号电容C1和二号电容C2组成π型电路，一号电容C1的一端与一号电感L1相连，一号电容C1的另一端接地，二号电容C2的一端与一号电感L1相连，二号电容C2的另一端接地；二号传输线等效组件由三号电感L3、五号电容C5和六号电容C6组成π型电路，五号电容C5的一端与三号电感L3相连，五号电容C5的另一端接地，六号电容C6的一端与三号电感L3相连，六号电容C6的另一端接地；所述的输入端口port1与二号输出端口port3之间通过依次串联的第二RC滤波器、三号传输线等效组件、四号传输线等效组件相连接，其中三号传输线等效组件是由二号电感L2、三号电容C3和四号电容C4组成π型电路，三号电容C3的一端与二号电感L2相连，三号电容C3的另一端接地，四号电容C4的一端与二号电感L2相连，四号电容C4的另一端接地；四号传输线等效组件是由四号电感L4、七号电容C7和八号电容C8组成π型电路，七号电容C7的一端与四号电感L4相连，七号电容C7的另一端接地，八号电容C8的一端与四号电感L4相连，八号电容C8的另一端接地；一号传输线等效组件和二号传输线等效组件之间有第一节点a，二号传输线等效组件与一号输出端口port2之间有第三节点c，三号传输线等效组件和四号传输线等效组件之间有第二节点b，四号传输线等效组件与二号输出端口port3之间有第四节点d，第一节点a与第二节点b之间设置有第一隔直电阻R1，第三节点c与第四节点d之间设置有第二隔直电阻R2；该宽带小型化威尔金森功分器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。2.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的宽带小型化威尔金森功分器，其特征在于传输线等效组件中的电感元件为螺旋电感，传输线等效组件中的电容元件为MIM式电容。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琮，谢冰芳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23