CN101582531B - 基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器 - Google Patents
基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器。两个有源电路的两个输出端a、b与对应λ/4谐振器的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个λ/4谐振器的两个短路端与圆柱波导谐振器在第一导电金属板上连接，通过第一导电金属板上的槽缝实现能量耦合，矩形波导装配在第一、第二导电金属板之间，矩形波导的一个矩形壁和圆柱波导外壁相交，相交的公共部分去除以实现矩形波导和圆柱波导的能量耦合。本发明适合于在基于硅工艺的封装层面上实现，无源电路与硅基片上的电源、信号线耦合小，硅基片的损耗影响小，同时能够获得比传统λ/4谐振器高出一个数量级的功率输出，因此在基于硅工艺的毫米波集成电路中具有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及基于硅技术的毫米波振荡源发生装置，尤其是涉及一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器。
背景技术
随着无线通信与无线网络的发展，微波波段频谱资源已不堪重负，进一步开发、利用比微波频段有更大带宽、更大通信容量的毫米波频谱资源甚为迫切。近年来，对于毫米波波段应用的研究(如短距离大容量无线通信系统、传感器网络、车辆防撞系统等)已成为一个研究热点。特别是对于60GHz频段，美国FCC(Federal Communication Commissions)已将57-64GHz频段作为工业、科学、医疗(ISM)应用频段，日本和欧洲也已开放59-62GHz频段。
毫米波射频集成电路前端传统上主要基于化合物半导体如砷化镓、磷化铟等。近年来随着RFCMOS，SiGe BiCMOS的进步，现代先进的SiGe双极晶体管截至频率已超过200GHz，毫米波集成电路前端已可基于硅技术实现，这使得毫米波射频前端电路与数字信号处理等电路集成到同一硅基片上成为可能，从而实现规模生产，显著地降低成本，使基于硅技术的通信、网络与雷达装置同目前的移动通信设备一样走进千家万户。
目前基于硅技术的毫米波射频集成电路研究的薄弱环节之一是射频振荡器功率输出较小，一般都在10dBm(10mW)量级，对于毫米波无线通信系统中的基站以及毫米波雷达的发射机而言，很多情况下不能满足应用需求。针对这一问题，本发明公开一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器，可以将振荡器输出功率提高一个数量级。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
该谐振器由硅基片层上的两个以上有源电路，封装层上与有源电路相应个数的λ/4谐振器，金属圆柱，工作在TM010模的包括第一导电金属板、圆柱波导和第二导电金属板构成的圆柱波导谐振器和用于功率输出的矩形波导组成；每个有源电路的两个输出端a、b与对应λ/4谐振器的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个λ/4谐振器的两个短路端与圆柱波导谐振器在第一导电金属板上连接，通过第一导电金属板上的槽缝实现能量耦合，矩形波导装配在第一、第二导电金属板之间，矩形波导的一个矩形壁和圆柱波导外壁相交，相交的公共部分去除以实现矩形波导和圆柱波导的能量耦合。
本发明具有的有益的效果是：
该三维结构TM010-λ/4谐振器中的λ/4谐振器做成三维结构，适合于在基于硅工艺的封装层面上实现；构成λ/4谐振器的差分传输线与基片表面垂直，也即与基片表面平行分布的电源线、信号线正交，相互耦合影响小，同时与传统二维差分传输线相比，三维结构差分传输线远离硅基片层，基片损耗影响降低；TM010圆柱波导谐振器的储能(或Q值)远高于λ/4谐振器，故该三维结构TM010-λ/4谐振器的Q值将可以较传统λ/4谐振器大很多；该三维结构TM010-λ/4谐振器可以有效的将多个λ/4谐振器的功率进行合成，获得高于传统λ/4谐振器输出功率一个数量级的振荡输出。因此，在基于硅工艺的毫米波集成电路领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明公开的TM010-λ/4谐振器纵剖视图。
图2是本发明中的硅基片上基于反相器对的有源电路实现方式。
图3是本发明中的硅基片上基于交叉耦合对的有源电路实现方式。
图4是本发明中的λ/4谐振器三维结构图。
图5是图1中A-B剖切的横剖视图。
图6是本发明中的TM010圆柱波导谐振器三维结构图。
图7是图1的线C-D剖切的横剖视图。
图中：1、有源电路，2、λ/4谐振器，3、金属圆柱，4、TM010圆柱波导谐振器，4a、第一导电金属板，4b、圆柱波导，4c、第二导电金属板，5、矩形波导，6、槽缝。
具体实施方式
如图1、图4、图5、图6、图7所示，本发明由硅基片层上的两个以上有源电路1，封装层上与有源电路1相应个数的λ/4谐振器2，金属圆柱3，工作在TM010模的包括第一导电金属板4a、圆柱波导4b和第二导电金属板4c构成的圆柱波导谐振器4和用于功率输出的矩形波导5组成；每个有源电路1的两个输出端a、b与对应λ/4谐振器2的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个λ/4谐振器2的两个短路端与圆柱波导谐振器4在第一导电金属板4a上连接，通过第一导电金属板4a上的槽缝6实现能量耦合，矩形波导5装配在第一、第二导电金属板4a、4c之间，矩形波导5的一个矩形壁和圆柱波导4b外壁相交，相交的公共部分去除以实现矩形波导5和圆柱波导4b的能量耦合。
如图2所示，所述的有源电路1为反相器对有源电路。
如图3所示，所述的有源电路1为交叉耦合对有源电路。
所述的有源电路1个数为输出功率而定，输出功率越大个数越多。
整个谐振器的工作原理如下：
(a)硅基片上的有源电路1具有负阻特性，为封装层中的对应λ/4谐振器2提供能量，也即为整个TM010-λ/4谐振器提供能量；
(b)λ/4谐振器2的两个差分传输线与硅基片层上相接的一端开路，与封装层中的圆柱波导谐振器4端面相接的一端通过第一导电金属板4a实现短路，短路端的磁力线方向与差分传输线短路端两端点连线垂直，即在圆柱波导谐振器端面的圆周方向；
(c)沿该圆周方向在封装层中的圆柱波导谐振器4与λ/4谐振器2相接的端面，即第一导电金属板4a的槽缝6，通过磁力线实现多个λ/4谐振器2和圆柱波导谐振器4的耦合，激励出圆柱波导4b的TM010模式振荡，将所有λ/4谐振器(2)的振荡同相锁定，并进行功率合成；
(d)合成后的振荡信号功率输出耦合到矩形波导5进行输出。
下面以工作在60GHz的TM010-λ/4谐振器为例，其中有源电路个数为2个，具体阐述各个部分的实施方式。
硅基片上的有源电路1可以采用如图2所示的反相器对有源电路方案，该电路易于起振，并具有较高的效率，也可以采用如图3所示的交叉耦合对有源电路方案，此电路的特性是改变偏置电流即可控制其非线性特性。
在硅基片层和封装层交界面上，将提供负阻的两个反相器对电路或两个交叉耦合对电路两端a、b与封装层上的对应个数的λ/4谐振器2的两端连接，如图1所示，实现负阻电路为振荡部分电路提供能量的功能。
λ/4谐振器为λ/4差分传输线谐振器的简称，由长度为λ/4(λ为介质中波长)的差分传输线构成，一端开路，一端短路。封装层中的多个λ/4谐振器2的实现方法如图4(从图1所示谐振系统底部对λ/4谐振器进行观察的侧视图)所示。图4中，与λ/4谐振器2短路面圆柱波导4b的圆周一致的方向开了两个槽缝，在每个槽缝的两侧沿圆柱波导4b圆周的径向放置差分传输线的两个λ/4导体。在实际制作加工时，这两个导体可以由封装层面上的圆柱形金属过孔构成，金属过孔一端开路，另一端由第一导电金属板4a短路，如图4所示，其相应的横剖视图如图5所示。金属过孔的加工在硅半导体工艺中是容易实现的。对于60GHz的振荡，若封装介质材料相对介电系数εr＝4，则对应λ/4为0.625mm，即差分传输线长度为0.625mm，而差分传输线的半径可以取0.05mm。
差分传输线短路端的磁力线方向与差分传输线短路端两端点连线垂直，即在圆柱波导谐振器4端面的圆周方向。为了实现两个λ/4谐振器2和圆柱波导4b的耦合，激励出圆柱波导4b的TM010模，如图4所示，沿圆柱波导4b圆周方向在封装层中的圆柱波导谐振器4与λ/4谐振器2连接的第一导电金属板4a开槽缝6。
图4中位于两个λ/4谐振器2中间的金属圆柱3的作用，是用来使每个λ/4谐振器的电场、磁场分布满足很纯的λ/4谐振器工作状态的。在使用半导体工艺制作时，该金属圆柱3使用沿圆柱一周多个紧密排列的过孔来制作。图4，图5中为画图方便起见，未用多个过孔方式表示该金属圆柱3。
封装层中的工作于TM010圆柱波导谐振器4的三维结构图如图6所示，其相应的横剖视如图7所示；其中TM010圆柱波导谐振器的圆柱波导壁同样使用沿圆周方向等间距排列的多个金属过孔来制作，如图6所示。当圆柱波导工作在TM010模时，只有波导圆周方向的磁场和沿圆柱轴向的电场，因此使用多个金属过孔代替圆柱波导壁是可行的。而且，由于TM010模不是圆柱波导的最低模，使用这一结构可以抑制其它低次模，使圆柱波导谐振器仅工作在TM010模。图7中为画图方便起见，未用多个过孔方式表示该圆柱波导4b。
图6中TM010圆柱波导谐振器4右侧的矩形波导5是用于将TM010谐振器4中合成的功率进行输出，矩形波导5的一个矩形壁和圆柱波导4b外壁相交部分被去除以实现两者之间的能量耦合。与TM010圆柱波导谐振器4圆柱波导壁的制作类似，该矩形波导壁也可以使用多个金属过孔实现，以符合半导体制作工艺要求。图7中为画图方便起见，未用多个过孔方式表示该矩形波导壁。
TM010圆柱波导谐振器的储能(或Q值)远高于λ/4谐振器，故频率主要取决于TM010圆柱波导谐振器的谐振频率。只要TM010圆柱波导谐振器能稳定地工作，就能同步锁定两个λ/4振荡器的振荡。因为圆柱波导谐振器圆周壁使用多个过孔制作，使得它只能工作于TM010模，从而确保TM010-λ/4谐振系统使两个λ/4谐振器同步稳定地工作于λ/4振荡模式。
Claims (4)
1.一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器，其特征在于：该谐振器由硅基片层上的两个以上有源电路(1)，封装层上与有源电路(1)相应个数的λ/4谐振器(2)，金属圆柱(3)，工作在TM010模的包括第一导电金属板(4a)、圆柱波导(4b)和第二导电金属板(4c)构成的圆柱波导谐振器(4)和用于功率输出的矩形波导(5)组成；每个有源电路(1)的两个输出端a、b与对应λ/4谐振器(2)的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个λ/4谐振器(2)的两个短路端与圆柱波导谐振器(4)在第一导电金属板(4a)上连接，通过第一导电金属板(4a)上的槽缝(6)实现能量耦合，矩形波导(5)装配在第一、第二导电金属板(4a、4c)之间，矩形波导(5)的一个矩形壁和圆柱波导(4b)外壁相交，相交的公共部分去除以实现矩形波导(5)和圆柱波导(4b)的能量耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器，其特征在于：所述的有源电路(1)为反相器对有源电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器，其特征在于：所述的有源电路(1)为交叉耦合对有源电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于硅工艺的三维结构TM010-λ/4毫米波谐振器，其特征在于：所述的有源电路(1)个数视输出功率而定，输出功率越大个数越多。
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