CN101453045B - 一种兰格耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兰格耦合器，其应用于MMIC平衡放大器，且该兰格耦合器基于MMIC工艺设计，由指条以及指条间的互连线构成，其中，指条为采用二次布线厚金属制作，指条间的互连线为采用一次布线薄金属制作；另，该指条间的互连线为位于指条的下层，且该指条与指条间的互连线之连接处为采用刻孔加以连接，以及指条与指条间的互连线之交叉处为采用空气桥跨越技术，因此，采用此结构进而减小了寄生电容的影响。本发明所述兰格耦合器相比于传统结构的兰格耦合器，能明显降低损耗，并且由该结构的兰格耦合器所构成的微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器可在宽频带范围内同时得到良好的噪声系数和输入、输出驻波比。

Description

一种兰格耦合器

技术领域

本发明涉及一种耦合器，特别是涉及一种用于MMIC(MonolithicMicrowave Integrated Circuit，中文名为单片微波集成电路)平衡放大器的兰格耦合器。

背景技术

众所周知，兰格耦合器是广泛用于平衡放大器结构中，且其相比于其它耦合器，采用该兰格耦合器所构成的平衡放大器能够得到更宽的带宽，能够很好的改善输入、输出端口的匹配状况，并且能够得到很好的输入、输出驻波比，以及稳定性的提高。同时，该种基于兰格耦合器基础上的平衡放大器亦改善了放大器的线性度，使之1dB压缩点改善3dB，三阶交调改善3dB。

在较低频段中，由于兰格耦合器的尺寸比较大，一般都是采用微带线来制作指条，然后再利用金丝跳线去互连各指条，参阅图1中所示，该兰格耦合器需要四段金丝跳线2去连接各指条11，并且每段金丝跳线2的压点都是在指条11上，因此，则需要要求指条11的宽度必须满足金丝压点的尺寸要求，所以该种情况下的指条宽度W一般都是在50μm以上。

然而，在较高频段中，比如在Ka波段，由于兰格耦合器的指条宽度和指条间距都非常之小，所以如再采用金丝跳线来实现各指条间的互连则是不大可能，因此对应用于该频段中的兰格耦合器则一般都是采用介质隔离或者借助空气桥技术来实现各指条间的互连。

对于采用介质隔离的方法，该种兰格耦合器的指条为分别位于两个平面上，其中间为采用介质进行隔离。但由于在位于上述两平面的指条与介质间会形成MIM(Metal-Insulator-Metal，中文名为金属-绝缘层-金属)电容，而该MIM电容则是会影响到兰格耦合器的性能。因此，为了减轻对兰格耦合器的影响，一般情况下都是采用低介电常数的介质来进行隔离，然而，在商用MMIC工艺中，一般都是采用Si₃N₄(介电常数为7.2)的介质来进行隔离，其厚度为0.2μm左右，会形成较大的MIM电容，所以在商用的MMIC工艺中，采用介质隔离的方法来制作兰格耦合器是不足取的。

而对于基于空气桥技术的兰格耦合器而言，则通常是采用一次布线(薄金属)来制作长尺寸的指条，而采用二次布线(厚金属)来制作短尺寸的空气桥来作为指间互连线，由于长尺寸的指条是用薄金属制作，短尺寸的指间互连线是采用厚金属制作，因此，该种结构的兰格耦合器可以保证工艺的精度。但是由于其中的一次布线会增加兰格耦合器的电阻性损耗，所以对于应用于微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器的兰格耦合器而言，由于兰格耦合器的损耗是直接与噪声系数的恶化程度相关，因此，在上述技术下，会严重影响到微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器的噪声系数并使得其恶化。

发明内容

因此，为了减小兰格耦合器的损耗以及兰格耦合器对微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器之噪声系数的影响，本发明提出了一种用于MMIC平衡放大器中的新结构的兰格耦合器。

本发明所述之兰格耦合器为分别采用不同厚度的金属层来制作指条以及指条间的互连线，即所述指条为采用二次布线(厚金属)制作，所述指条间的互连线为采用一次布线(薄金属)制作，由此来降低兰格耦合器的电阻性损耗；又，且在该所述指条与指条间互连线的连接处为采用刻孔加以连接，并且在该所述指条与指条之间互连线的交叉处则是采用空气桥跨越，从而既保证了工艺的精度，也亦避免了指条与互连线之间产生MIM电容，进而也使得该所述兰格耦合器所应用的微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器的噪声系数之恶化程度得到了降低。

此外，本发明所述兰格耦合器亦根据MMIC工艺规则和兰格耦合器性能优化折衷指条宽度和指间距。

与现有的兰格耦合器结构相比，本发明所述兰格耦合器的损耗以及其对微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器的噪声系数的恶化程度亦都得到了明显降低。

附图说明

图1为采用金丝跳线连接的兰格耦合器的视图；

图2为本发明兰格耦合器的立体视图；

图3为本发明兰格耦合器的平面视图；

图4为基于空气桥技术的传统兰格耦合器仿真结果视图；

图5为本发明兰格耦合器仿真结果视图；

图6为基于空气桥技术的传统兰格耦合器损耗仿真视图；

图7为本发明兰格耦合器损耗仿真视图；

图8为W＝13μm，S＝7μm的兰格耦合器损耗仿真结果视图；

图9为W＝11μm，S＝9μm的兰格耦合器损耗仿真结果视图；

图10为基于本发明兰格耦合器的24-40GHz微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器增益测试结果视图；

图11为基于本发明兰格耦合器的24-40GHz微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器输入驻波比测试结果视图；

图12为基于本发明兰格耦合器的24-40GHz微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器输出驻波比测试结果视图；

图13为基于本发明兰格耦合器的24-40GHz微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器噪声系数测试结果视图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来对本发明所述兰格耦合器作进一步详细的说明。

参见图2中所示，本发明所述兰格耦合器为分别采用不同厚度的金属层来制作指条25以及指条25间的互连线26，即，对于所述指条25，其为采用二次布线(厚金属)进行制作，然而对于所述指条25间的互连线26，则其为采用一次布线(薄金属)来进行制作；又，且在该所述指条25与指条25之间互连线26的连接处采用刻孔28加以连接，以及在上述指条25与上述指条25之间的互连线26的交叉处采用空气桥27跨越，因此，通过采用上述结构，从而可实现对兰格耦合器的损耗的减小，同时，也避免了指条25与指条25间互连线26之间产生MIM电容，进而也使得该所述兰格耦合器对微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器的噪声系数之恶化程度得到了降低。

此外，本发明所述兰格耦合器可根据MMIC工艺规则和兰格耦合器性能对所述指条宽度和指条间距进行优化折衷，且该所述兰格耦合器可为一3dB正交耦合器。

另，本发明所述兰格耦合器的指条25数目可为多个，以及所述MMIC工艺为至少包括两层金属布线。

再参阅图2中所示，本发明所述兰格耦合器以包括五个指条数，以及以所述MMIC工艺为包括第一层(图中未示)和第二层(图中未示)的两层金属布线的兰格耦合器为例。其中，该图中所示的五个指条25中三个为长指条，两个为短指条，还有指条25之间的互连线26，且该所述互连线26为用以连接各指条25。

如图3所示，25即是指条；26即是指间互连线；指条25与指条25之间互连线26的交叉处为采用空气桥27跨越；指条25与指条间互连线26的连接处采用刻孔28加以连接。其中，所述指条25为采用二次布线(厚金属)制作，并位于上层，而所述指条25之间的互连线26为采用一次布线(薄金属)制作，且其为位于下层，即该互连线26为位于上述指条25的下面层；以及所述空气桥27则是利用二次布线层的指条25弯曲跨越指条间的互连线26制成，即该所述指条25与所述互连线26为不接触，且在该互连线26的表层为覆盖有一层起钝化作用的介质薄层。

再见图3中所示，在该所述兰格耦合器中，其为包括四个端口，且该端口分别是端口21，端口22，端口23以及端口24，其中，端口21为一输入端口；端口22为耦合输出端口；端口23为一直接输出端口以及端口24为一隔离端口，且该端口24通常为连接一50Ω的电阻(图中未示)到地。

结合上述，如果该所述兰格耦合器为用于功率分配，则所谓之射频信号可从输入端口21输入，自耦合输出端口22和直接输出端口23输出，且在耦合输出端口22和直接输出端口23处得到两路等幅的正交信号；如果上述兰格耦合器为用于功率合成，则与该兰格耦合器用于功率分配时的情况相反，即，两路等幅的正交信号为分别自耦合输出端口22和直接输出端口23输入，并且该在输入端口21输出的信号幅度等于耦合输出端口22和直接输出端口23的信号幅度之和。

另外，以应用于Ka波段(24GHz～40GHz)的兰格耦合器为例(本发明不限于此频段)，其根据MMIC工艺设计规则的要求如下：即

二次布线线条间距≥8μm；

刻孔最小尺寸4μm×4μm；

一次布线与二次布线线条的交叠尺寸≥2μm；

空气桥宽度范围8μm～20μm，空气桥长度≥8μm。

因此，在满足性能和确保加工精度的前提下，本发明之所述兰格耦合器亦可根据上述MMIC工艺规则和兰格耦合器性能对指条宽度和指条间距进行优化折衷，即其可对所述指条宽度W和指间距S进行加宽。

在上述实施例中，上述指条25宽度W取12μm，指条25间间距S取8μm，指条25长度取750μm，指条25之间互连线26的宽度取8μm，指条25与指条25之间互连线26的连接处所采用的刻孔28之大小取4μm×4μm，以及空气桥27尺寸取20μm×16μm，由此，便可得到本发明中所述的损耗小以及对微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器之噪声系数的恶化程度明显有降低的兰格耦合器。

此外，参见图4和图5中所示，其分别为采用传统方法的兰格耦合器经过电磁场仿真所得到的S参数仿真结果和本发明所述兰格耦合器经过电磁场仿真所得到的S参数仿真结果，另，亦根据总体损耗公式：

S_loss＝dB(mag(S(1，2))+mag(S(1，3)))-3

从上述可见，较之采用传统方法的兰格耦合器，本发明所述之兰格耦合器的损耗要小0.3dB，可参见图6和图7中所示。

如果对上述指条25宽度W和指条25间距S的尺寸拉偏再仿真，即取：

(1)当W为13μm，S为7μm时，仿真得到的损耗结果如图8所示；

(2)当W为11μm，S为9μm时，仿真得到的损耗结果如图9所示；

对比图7、图8和图9可见，在考虑工艺偏差±1μm的情况下，本发明所述之兰格耦合器的衰减量变化很小，且较之传统结构的兰格耦合器衰减要小。

另外，通过本发明所示图10、图11、图12和图13中可见，由本发明所述之兰格耦合器所构成的24～40GHz微波/毫米波平衡式宽带低噪声放大器明显可得到良好的驻波比和噪声系数。

以上所述实施方式仅为本发明的最优实施例，本发明不限于上述实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1. 一种兰格耦合器，其包括指条以及用以连结各指条的互连线，其特征在于：该所述指条以及指条间的互连线为分别采用不同厚度的金属层制作，即所述指条为采用二次布线厚金属制作，指条间互连线则为采用一次布线薄金属制作，且指条与指条间互连线的连接处为采用刻孔加以连接。

2. 根据权利要求1所述兰格耦合器，其特征在于：所述指条与指条间互连线的交叉处为采用空气桥跨越。

3. 根据权利要求2所述兰格耦合器，其特征在于，所述空气桥为利用指条弯曲跨越指条间的互连线制成。

4. 根据权利要求1所述兰格耦合器，其特征在于：所述指条之间的互连线为位于指条下层。

5. 根据权利要求1所述兰格耦合器，其特征在于：所述指条的指数至少包括4指条。

6. 根据权利要求1所述兰格耦合器，其特征在于：所述兰格耦合器为3dB正交耦合器。

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