适用于微波毫米波集成系统的无源电路技术方案

针对现有毫米波电路连通技术的不足，本发明专利技术提出一种适用于微波毫米波集成系统的无源电路，包括微波电路板、微波器件和微波导线，微波器件的工作频率在30‑60GHz之间，微波导线的阻抗在40至60欧姆之间，微波导线的每毫米单位高度损耗小于0.1dB，且信号隔离度大于80dB。微波导线为传输微波毫米波信号的导体。微波导线包括垂直互联结构线和Y型功率分配器。有益技术效果：本发明专利技术基于三维微波毫米波集成电路设计，包括垂直同轴结构和微同轴功率分配器。本发明专利技术有着良好的信号互联效果和信号隔离效果，全频段信号互联插损小于0.1dB/mm，芯片间信号隔离度大于‑65dB，信号传输过程中电磁能量泄露小于‑86dB。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波集成电路与系统领域，尤其涉及一种适用于微波毫米波集成系统的无源电路。
技术介绍
近年来，微波毫米波电路集成芯片的发展极大地促进了微波系统的多功能化和小型化，同时对芯片集成和系统封装(SIP)提出了更高要求，微波毫米波传输线和馈电线要求具有更高频率、更低损耗以及更高的隔离度。但是，由于现有微波集成电路和系统封装中多采用基于平面印刷电路板(PCB)技术的微带、共面波导和金丝键合等开腔形式的半开放结构。在微波信号互联时，电磁耦合严重，辐射损耗较大，信号串扰明显，严重限制了多芯片集成封装的应用频率和小型化发展。因此，现有的平面工艺的信号互联技术难以实现微波毫米波系统的集成化与微型化。为了实现微波毫米波电子系统的小型化、集成化，并提升信号传输频率和隔离度，本专利技术研究了基于三维金属微加工技术的微同轴传输线的传输性能，分析了传输线的结构特点和计算方法，并将微同轴用于多芯片毫米波电路三维集成领域。
技术实现思路
针对现有技术的不足，为了减小毫米波集成电路系统的体积，加强微波子系统的集成功能，更好发挥微同轴传输线结构及其相应无源器件信号隔度高、低插损、易于集成的优势，将毫米波电路不同层之间的信号进行较好的互联，本专利技术提出一种适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其基于微同轴结构形式毫米波垂直互联结构和功率分配结构，应用于毫米波集成电路，其具体结构如下：适用于微波毫米波集成系统的无源电路，包括微波电路板1、微波器件和微波导线。其中，微波电路板1不少于2层。在微波电路板1上设有微波器件。通过微波导线将位于同一微波电路板1上的微波器件、位于不同微波电路板1上的微波器件连接在一起。此外：微波器件的工作频率在30-60GHz之间，微波导线的阻抗在40至60欧姆之间，微波导线的每毫米单位高度损耗小于0.1dB，且信号隔离度大于80dB，即微波器件产生和接受的信号均为微波毫米波信号。微波导线为传输微波毫米波信号的导体。进一步说，微波导线包括垂直互联结构线2和Y型功率分配器3。其中，垂直互联结构线2具有2个端口。垂直互联结构线2用以将位于不同微波电路板1上的微波器件连接在一起，即用于竖直方向微波器件的连接，用以不同信号层之间毫米波信号互联。垂直互联结构线2为同轴的内外双导体结构。Y型功率分配器3具有3个端口。Y型功率分配器3用以将位于同一微波电路板1上的微波器件连接在一起，即用于水平方向微波器件的连接，用以同层毫米波合成与分配。Y型功率分配器3为同轴的内外双导体结构。本专利技术提供两种结构的微同轴：一种是垂直互联结构，另一种是Y型功率分配器3。这两种结构均由内导体和外导体构成，内导体用SU8光刻胶进行支撑。垂直互联结构主要用于毫米波集成电路不同信号层之间的毫米波信号互联，有输入输出两个端口，下端口与下层的微波信号采用镓铟锡合金熔融态焊接互联，上端口采用金丝焊接的方式与微波电路进行互联。上层电路将毫米波信号输入输出grand-signal-grand-pad(GSG-PAD)留出，以方便与微同轴进行集成连接。垂直互联微同轴的高度由三维电路层与层之间的高度决定。为了进行毫米波信号匹配，减少互联与接口的损耗，垂直微同轴的结构设计尺寸需进行特点计算与设计，以达到在频率30-60GHz范围内，微同轴的输入输出阻抗等于或接近50欧姆，每毫米单位高度损耗小于0.1dB，信号隔离度大于80dB。同时，保证内导体的长宽比、横截面积、内外导体间距在合理范围内，以方便与不同信号层之间进行信号互联。功率分配器(也称为功率合成器)微同轴结构采用Y字型，主要由三个端口构成，一个功率输入端口和两个对称的功率输出端口。主要用于同层之间的毫米波信号合成与分配。内导体同样采用SU8光刻胶进行支撑。设计时，主要考虑应用频段范围内，功分器三个端口的阻抗值要与其他毫米波器件进行匹配，毫米波功率分配或合成时，提升信号的合成效率，减小插入损耗，提升两个输出端口的幅度和相位的一致性，同时提升两个输的端口之间的隔离度。因此在设计的时候，需要根据频段进行精确设计和计算。本专利技术所提出的微同轴垂直互联结构和功分器，均采用紫外线光刻技术结合微电铸技术进行加工制造，将制造好的器件应用于毫米波集成电路中，与电路不同层的信号进行互联，最终构成低损耗、高隔离度、高集成度的三维立体毫米波集成电路。有益的技术效果本专利技术基于三维微波毫米波集成电路设计，包括垂直同轴结构和微同轴功率分配器。由硅基板作为微波微电路的载体，微同轴采用溅射金属层技术，紫外线光刻技术和微电铸技术在微波基板上实现。电路中的部分芯片采用镓铟锡合金温度控制技术和凹槽技术实现与垂直微同轴输入输出的信号连接。平面放置芯片采用金丝微焊接技术和微同轴输入输出端口的过渡结构实现信号互联。本专利技术优化了微波信号的立体互连技术，并有着良好的信号互联效果和信号隔离效果。实现了微波信号的高性能、高可靠和超宽带互连，以及微波系统的小型化集成化。已在2～60GHz宽带微波系统测试中表现出了良好的系统功能，全频段信号互联插损小于0.1dB/mm，芯片间信号隔离度大于-65dB，信号传输过程中电磁能量泄露小于-86dB。本专利技术依靠微同轴的易匹配，易集成，低损耗的优点，实现了微波毫米波集成电路的三维集成结构，与现有技术相比，本专利技术提供了一种微波集成电路信号互联构架形式，具有阻抗易匹配、体积较小、性能可靠、带宽较宽、集成度较高的优点，实现了微波子系统的高集成度和高性能。本专利技术包括垂直同轴结构和微同轴功率分配器，与现有垂直互连方式-硅通孔(TSV)等相比，具有以下优势：1)克服现有技术所存在的纵向互连的高度较高，TSV等收到深宽比的限制，不能将纵向传输线作的很高的问题。2)从互连的信号质量来说，本专利技术中的垂直微同轴的工作带宽很宽，可以到100GHz，但现有的诸如TSV等结构只能工作到60GHz。3)本专利技术(垂直微同轴)的结构强度大大优于TSV等结构，具有较好的承压能力。4)本专利技术(垂直微同轴)的插入损耗大大小于现有TSV等结构。5)TSV只能做垂直结构，不能做平面结构，本专利技术(垂直互联结构线2和Y型功率分配器3)可以是垂直结构，也可以是Y字型的平面结构，并且Y字型平面结构具有很好的信号隔离度。附图说明图1为本专利技术的三维立体结构示意图。图2为图1透视效果图。图3为图1中垂直互联结构线2(垂直微同轴结构)的示意图。图4为图3的透视图。图5是图3的俯视图。图6是图1中垂直互联结构线底部与电路板(微波芯片)连接方式的立体透视示意图。图7是图1中垂直互联结构线底部与电路板(微波芯片)连接方式的简示图，即垂直微同轴与芯片的连接方式示意图。图8是图1中垂直互联结构线纵跨多个数字板后将位于顶层的微波板与底层的微波板连接在一起的示意图，即立体集成电路示意图。图9为图1中：Y型功率分配器3的结构示意图。图10是图9的透视效果图。图11是图9的剖视图。图12是图9中功分器内导体31的端部示意图。图13本专利技术与微波板/微波芯片连接方式的示意图。图14是采用本专利技术后，单位毫米高度的垂直互联结构线2(垂直微同轴)插入损耗图。图15是采用本专利技术后，单位毫米高度的垂直互联结构线2(垂直微同轴)输入输出驻波图。图16是采用本专利技术后，Y型功率分配器3(微同轴功分器)的功分性能图。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
适用于微波毫米波集成系统的无源电路，包括微波电路板(1)、微波器件和微波导线；其中，微波电路板(1)不少于2层；在微波电路板(1)上设有微波器件；通过微波导线将位于同一微波电路板(1)上的微波器件、位于不同微波电路板(1)上的微波器件连接在一起；其特征在于：微波器件的工作频率在30‑60GHz之间，微波导线的阻抗在40至60欧姆之间，微波导线的每毫米单位高度损耗小于0.1dB，且信号隔离度大于80dB。

【技术特征摘要】
1.适用于微波毫米波集成系统的无源电路，包括微波电路板(1)、微波器件和微波导线；其中，微波电路板(1)不少于2层；在微波电路板(1)上设有微波器件；通过微波导线将位于同一微波电路板(1)上的微波器件、位于不同微波电路板(1)上的微波器件连接在一起；其特征在于：微波器件的工作频率在30-60GHz之间，微波导线的阻抗在40至60欧姆之间，微波导线的每毫米单位高度损耗小于0.1dB，且信号隔离度大于80dB。2.根据权利要求1所述的适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其特征在于：微波导线包括垂直互联结构线(2)和Y型功率分配器(3)；其中，垂直互联结构线(2)具有2个端口；垂直互联结构线(2)用以将位于不同微波电路板(1)上的微波器件连接在一起，用以不同信号层之间毫米波信号互联；Y型功率分配器(3)具有3个端口；Y型功率分配器(3)用以将位于同一微波电路板(1)上的微波器件连接在一起，用以同层毫米波合成与分配。3.根据权利要求2所述的适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其特征在于：垂直互联结构线(2)由垂直内导体(21)和垂直外导体(22)构成；其中，垂直内导体(21)呈长条状；在垂直内导体(21)的径向外侧套有垂直外导体(22)；垂直内导体(21)与垂直外导体(22)互不接触。4.根据权利要求3所述的适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其特征在于：在垂直内导体(21)的顶部、垂直外导体(22)的顶部分别设有顶部金属连接线(23)；在垂直内导体(21)的底部、垂直外导体(22)的底部分别设有底部金属连接片(24)，底部金属连接片(24)为焊块。5.根据权利要求2所述的适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其特征在于：垂直互联结构线(2)由垂直内导体(21)、垂直支撑体、垂直外导体(22)三部分构成；其中，垂直内导体(21)为圆柱、圆管、矩形块、方管、截面呈多边形的柱体或管；在垂直内导体(21)的顶部设有顶部金属连接线(23)，在垂直内导体(21)的底部设有底部金属连接片(24)；在垂直内导体(21)的外壁上套有环形的垂直支撑体；垂直支撑体为绝缘体；在垂直支撑体的外壁上套有环形的垂直外导体(22)垂直支撑体对垂直内导体(21)、垂直外导体(22)进行物理支撑的同时，还起到对垂直内导体(21)和垂直外导体(22)进行绝缘的效果；在垂直外导体(22)的顶部设有顶部金属连接线(23)，在垂直外导体(22)的底部设有底部金属连接片(24)。6.根据权利要求2所述的适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其特征在于：Y型功率分配器(3)由功分器内导体(31)、功分器支撑体(32)、功分器外导体(33)三部分构成；其中，功分器内导体(31)为T形或Y形结构，且为水平放置；功分器外导体(33)为中空的T形或Y形结构；功分器外导体(33)套在功分器内导体(31)的外部；通过功分器支撑体(32...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑磊，徐余龙，施雨，芮金城，李祥祥，李佩，戴跃飞，马强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34