CN102948007A - 可调谐的高频传输线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高频传输线，所述高频传输线包括与屏蔽表面（4）相关联的导电带（6），所述屏蔽表面（4）被放置在线结构下，且在大体正交于线的方向的方向上被分成平行的微带，所述微带相对于所述导电带是可移动的。

Description

可调谐的高频传输线
技术领域
本发明涉及一种射频（RF）传输线。射频波属于毫米或者亚毫米范围，例如，属于从10GHz至500GHz的频率范围。
背景技术
硅基集成电路的持续发展允许在射频范围内的甚高频下操作。所用的无源元件包括适配器、衰减器、功分器和滤波器。连接这些元件的传输线形成RF电路的基本元件。为了使用硅技术，需要芯片上的传输线具有高品质因数。实际上，品质因数是一项重要的参数，因为其代表了传输线的对于给定相移的插入损耗。此外，这种线必须针对所用频率提供确定的相移且具有确定的特征阻抗。
通常，传输线由导电带构成，该导电带具有从10μm至50μm的横向尺寸和约1μm（根据所用技术从0.5μm至3μm）的厚度。导电带被一个或多个旁侧的上导线或下导线包围，该一个或多个旁侧的上导线或下导线形成用于与导电带形成波导型结构的接地平面。在与电子集成电路的形成兼容的技术中，导电带和接地平面由在半导体衬底上形成的金属化层的元件形成。
一种具有特别高性能的传输线已在专利号为6950590的美国专利中公开，将该美国专利的图4a复制在本发明的图1中。在涂有由绝缘体127分隔的金属层的硅衬底128上，形成有较低的接地平面136，该较低的接地平面136被分成小宽度的平行带，例如，在0.1μm至3μm之间。在较高的金属化层中形成有中心导电带122，该中心导电带122形成实际传输线，该实际传输线由旁侧的共面接地带124和旁侧的共面接地带126包围。
在上述专利中详细描述了这种传输线的特征和优点。中心带122和接地线124和接地线126共面，这种结构目前被称为共面波导、或者CPW。此外，如该专利中所示，该结构形成了慢波共面波导、或者S-CPW。
在如图1所示的结构中，优化各种元件的尺寸，以在确定的频率下获得给定的相位特征和给定的特征阻抗。一旦形成传输线，不可以改变这些特征。例如，不可以形成对于多个不同的频率具有给定的相同相移的移相器、或者能够匹配各种阻抗的阻抗匹配器。
发明内容
因此，本发明提供一种共面波导型传输线，该共面波导型传输线尤其能够被集成在微电子集成电路中，其中，波导的各种参数是可调节的，以优化在选定频率下和对于选定特征阻抗的相移，并且修改线参数以匹配不同的操作频率或者不同的特征阻抗。
因此，需要形成一种传输线，该传输线的特征阻抗和延迟（也就是说，线输入端的信号与线输出端的信号之间的相位差）能够被独立地优化。
本发明的实施方式提供了一种高频传输线，该高频传输线包括与至少一个导电平面相关联的导电带，其中，至少一个导电平面相对于所述导电带是可移动的。
根据本发明的实施方式，传输线是慢波共面波导型的。
根据本发明的实施方式，至少一个导电平面是设置在线结构下的屏蔽平面，且被分成平行的微带，该微带具有正交于线方向的大体方向。
根据本发明的实施方式，传输线包括用于使导电平面移动的静电装置。
根据本发明的实施方式，传输线包括在屏蔽平面下的第二导电平面。
根据本发明的实施方式，传输线包括用于选择性地偏置各个微带的装置。
根据本发明的实施方式，至少一个导电平面由可移动的共面接地带形成，该可移动的共面接地带侧向包围导电带。
根据本发明的实施方式，传输线包括用于利用静电使接地带在横向方向上移动的装置。
根据本发明的实施方式，传输线在半导体衬底上包括：第一导电平面；第二导电平面或者屏蔽平面，该第二导电平面或者屏蔽平面被分成微带；导电带，该导电带被接地带包围；以及腔，该腔在带的宽度的至少一部分及屏蔽平面的宽度的至少一部分下一直延伸到第一导电平面附近。
附图说明
在结合附图的下列具体实施方式的非限制性描述中，将详细讨论本发明的上述的和其它的目的、特征和优点，其中：
图1是美国专利6950590的图4a的副本；
图2A、图2B和图2C是根据本发明的实施方式的传输线在三个位置的截面图；
图3A、图3B和图3C分别是根据本发明的实施方式的传输线的一个截面图、透视图和俯视图；以及
图4是本发明的另一实施方式的俯视图。
应当注意，通常在微电子组件的表示中，各个附图的元件不是按比例绘制的。
具体实施方式
图2A是S-CPW型传输线的截面图。这种结构的透视图与图1所示的透视图相似。
在诸如半导体衬底（例如，由硅制成）的衬底1上形成由绝缘材料2分隔的金属化层。在中间金属化层中形成有被分成微带4的屏蔽平面，该微带与图1的结构136相似。在中间金属化层之上形成有类似于带122的中心传输带6，在该中心传输带6的两侧形成有类似于图1的接地带124和接地带126的旁侧接地带8和旁侧接地带9。
此外，在所示实施方式中，金属化平面10被设置在较低的层上。平面10可以被分成平行于屏蔽平面4的微带的微带。
挖一腔12以在中心带6及其两侧的下面限定真空空间。在所示示例中，腔12在绝缘材料中延伸穿过中心带的宽度和旁侧带的宽度，止于略高于金属化层10处。因此，屏蔽平面4的微带被横向固定在绝缘材料2中且其中心部分是自由的。如图2B所示，如果将直流电位差施加于金属化平面4和金属化平面10之间，则屏蔽平面4的金属微带将被金属化层10向下吸引。反之，如图2C所示，如果将电位差施加于线6和屏蔽平面4的微带之间，则微带将会被线6向上吸引。应当注意，在带6下和/或微带上形成绝缘体（未示出）以避免这些元件短路。
虽然未在图2A的截面图中示出，但是应当清楚，仅线长度的一部分位于腔12的上方，且线的每个带（中心带和旁侧的接地带）倚靠位于横截平面的后面和前面的绝缘部分。
减小或者增大带6和屏蔽平面4的元件之间的距离将对改变传输线的等效电容Ceq起主要作用。这引起传输线的特征阻抗Z=（Leq/Ceq）1/2改变，Leq为传输线的等效电感。相关联地，将改变传播信号的相速度
Figure BDA00002173330000041
这导致线的电长度
Figure BDA00002173330000042
的改变，其中1表示传输线的物理长度，ω表示信号的角频率。
通过在接地平面4和较低的金属化平面10或者传输线之间施加可变的电位差，可以改变Ceq。然而，在实践中，优选地通过施加电位而以全有或全无方式作用，使得在空闲状态下，屏蔽平面4的微带是基本水平的（如图2A所示），在第二种状态下，这些微带在低端部（如图2B所示），在第三种状态下，这些微带在高端部（如图2C所示）。
为了细微地调节电容变化，可以设置成通过施加能够与较低的导电平面或导电带产生静电吸引力的电位而通过选择性地使屏蔽平面4的选定数量的带偏置，来选择性地移动所述选定数量的这些带。
如前面所示，可以选择性地改变等效电容Ceq导致可以改变线中特征线阻抗和信号的相速度。然而，并不能够独立地设定这两个参数。为了能够独立地设定特征阻抗和相速度，本发明的实施方式提供了在旁侧的接地带和中心带之间的可设定的横向距离，这本质上导致改变线的等效电感Leq。
在图3A、图3B及图3C中示出能够获得这种独立设定的结构的第一实施方式，图3A、图3B及图3C分别为截面图、透视图及俯视图。下文将总体描述图3A、图3B及3C。
图3A、图3B及图3C的结构类似于图2A的结构。其包括较低的导电平面10、中间平面4和中心带线6，该中心带线6被接地带8和接地带9包围。虽然在图2结构的情况下，接地带8和接地带9不必完全包括在腔12上方，但是现在接地带8和接地带9能够在这些接地带和外侧电极21、外侧电极22之间的电压差的作用下横向移动。接地带8和接地带9分别连接到焊盘23-1、焊盘23-2和焊盘24-1、焊盘24-2，该焊盘23-1、焊盘23-2和焊盘24-1、焊盘24-2分别通过薄片25-1、薄片25-2和薄片26-1、薄片26-2形成在绝缘体2上。薄片25-1、薄片25-2和薄片26-1、薄片26-2形成弹簧并且当接地带8和接地带9被外部电极21和外部电极22吸引时能够使接地带8和接地带9移动。当然，也可以设置中心导体和接地平面8、接地平面9之间的静电吸引力。
可以提供止动系统以限制接地平面的移动，且避免这些接地平面和电极21、电极22或者中心导体6之间发生短路。例如，这种止动件可以形成于在各种元件的侧表面上沉积的绝缘层上。
旁侧的接地带相对于中心带的相对移动主要导致改变传输线的等效电感Leq。因此可以独立地设定Leq和Ceq，进而独立地设定Z和
Figure BDA00002173330000051
图4是示出本发明的替选实施方式的俯视图。传输线被分成连续的n个线元件30-1、30-2…30-n，每个线元件具有图3A、图3B和图3C所示的结构。应当理解，这增加设定的可能性。
对于本领域的技术人员，可以容易地对本发明进行各种变更、修改和改进。可以使用各种装置来使屏蔽平面、中心带和旁侧的接地带相对彼此移动。
已在应用于S-CPW型结构的具体示例的背景下描述了本发明。然而，应当理解，本发明通常应用于其他类型的带传输线，该带传输线具有取决于所述带和各种接地平面之间的距离的参数。
如前面所示，屏蔽平面4的移动可以设置成仅可以向上移动、或仅可以向下移动。还可以将该移动设置成选择性的，也就是说，形成屏蔽平面4的结构的不同微带可以单独地移动。在具体的实施方式中，微带的两端被嵌入。还可以将这些微带设置成在其中间部分被截断并且其两端中的单独的一端被嵌入（在中心带6下或者在接地带8、接地带9下），以形成嵌入式梁。在这种情况下，可以设置成，中心带的至少中心部分或接地带的至少中心部分位于绝缘体上，以嵌入形成屏蔽平面4的梁。
也可以使用涉及横向移动的各种替选实施方式。具体地，可以通过叉指型结构联接吸引电极21、吸引电极22和接地带8、接地带9。此外，形成弹簧25-1、弹簧25-2、弹簧26-1和弹簧26-2的薄片可以具有各种构型，例如，曲折形状。
本文中所描述的结构的优点之一是其与形成通常用于形成微电子集成电路上的互连线的金属化层的现有技术兼容。
仅作为示例，对于用于在接近60GHz的频率下操作的传输线可以选择下列尺寸：
-带6、带8及带9之间的带宽和距离：在7μm和15μm之间；
-金属化层之间的垂直距离：在0.5μm至2μm之间；
-接地带8、接地带9和电极21、电极22之间的距离：在0.5μm至2μm之间。
这些值能够控制具有约几十伏电压值的各种元件的静电位移，并且使电容值和电感值改变1.5倍到3倍。

Claims (7)

1.一种慢波共面波导型高频传输线，包括与屏蔽平面（4）相关联的导电带（6），所述屏蔽平面（4）被设置在传输线结构下且被分成平行的微带，所述平行的微带具有正交于所述传输线的方向的大体方向，其中，所述屏蔽平面相对于所述导电带是可移动的。
2.如权利要求1所述的传输线，包括能够使导电平面移动的静电装置。
3.如权利要求1或2所述的传输线，包括在所述屏蔽平面下的第二导电平面（10）。
4.如权利要求1至3中任一项所述的传输线，包括用于选择性地偏置各个微带的装置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的传输线，其中，可横向移动的共面接地带（8和9）包围所述导电带（6）。
6.如权利要求5所述的传输线，包括用于利用静电使所述接地带在横向方向上移动的装置。
7.如权利要求1所述的传输线，其中，所述传输线在半导体衬底上包括：第一导电平面（10）；第二导电平面或者屏蔽平面（4），所述第二导电平面或者屏蔽平面被分成微带；导电带（6），所述导电带被接地带（8和9）包围，其中，一腔在所述带的宽度的至少一部分及所述屏蔽平面的宽度的至少一部分下一直延伸到所述第一导电平面附近。
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