CN1047878C - 高频集成电路 - Google Patents
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Abstract
一种集成电路具备多个振荡器1、环行器2、耦合器3等以及基板7。振荡器1具有：导体10、11；配置在导体10、11间的、以预定模式传输高频电磁波的电介质窄条12；在导体部形成的可与基板7连接的安装面19a；以及在导体10、11的端部形成的、与从电介质窄条12的端部12a输出的电磁波的行进方向垂直的、而且包含电介质12的端部12a附近的垂直端面19b。其它如环行器2等也以与振荡器1相同的方式构成。然后将它们在基板上相互连接，进行表面安装。
Description
本发明涉及集成电路，特别是，涉及利用非辐射性电介质波导(Nonradiative Dielectric Waveguide)、在微波频段或毫米波频段工作的集成电路。
迄今为止，有如下的一种非辐射性电介质波导：在该波导中，平行地配置一对导电板，使该对导电板的相互间隔为预定的间隔，使LSM 01模式或LSE 01模式的电磁波沿在两导体板间配置的电介质窄条进行传输。当设计在60GHz频段进行传输时，用例如聚四氟乙烯等的电介质材料(比介电常数ετ＝2)形成宽度b(例如，2.5mm)、高度a(例如，2.25mm)的电介质窄条。如用导体板来夹住该电介质窄条的话，则在没有电介质窄条的部分内，波长为高度a的2倍以上的电磁波大体上被截止。另一方面，在有电介质窄条的部分内，截止效果则被解除。因此，LSM 01模式、LSE 01模式的电磁波可在不产生辐射和低损耗的情况下沿电介质窄条进行传播。因而非辐射性电介质波导适合于微波、毫米波的传送线路。
通过在上述非辐射性电介质波导的一对导体板间配置多个电介质窄条、磁性体、半导体等，可形成环行器、振荡器等，因此该非辐射性电介质波导适合于微波频段、毫米波频段的集成电路。
在形成这种集成电路、例如FM-CW方式的雷达的高频部分时，以往首先通过在一对可连接到测试端的、用于测试的导体板间配置电介质窄条、磁性体、半导体等，分别制成分担集成电路的一部分功能的环行器、振荡器等。其次对该环行器、振荡器等的特性进行测试。再其次在形成集成电路时，把构成环行器、振荡器等的电介贡窄条、磁性体、半导体等重新配置在有别于测试用的另一对用于集成电路的导体板间，组成各自的电路结构。
但是在用这种方法形成集成电路时、作为该集成电路的各个部分的环行器、振荡器等的特性的再现是困难的，此外，对作为集成电路的一部分的环行器、振荡器等单独地进行特性测试是不可能的，再者单独地对其进行调整也是不可能的，因此使其作为电路来工作是困难的。其结果是在缺乏集成电路的批量生产能力方面存在问题。此外，在集成电路发生故障的情况下，当需要更换例如环行器、振荡器等一部分部件时，存在着在更换了一部分部件时对其它部分产生影响的问题。
本发明的目的是解决上述的技术课题并提供提高了部分的和整体的批量生产能力的集成电路。
本发明是一种利用非辐射性电介质波导、在微波频段或毫米波频段工作的集成电路。
上述集成电路具备：
分别承担该集成电路的一部分功能的多个非辐射性电介质波导部件；以及
使上述各个非辐射性电介质波导部件相互连接、可进行表面安装的一个基板，
上述非辐射性电介质波导部件具有：
以相互的间隔为预定间隔而平行地配置的该部件固有的一对导体；
在上述两导体间配置的、以预定的模式传输高频电磁波的该部件固有的电介质窄条；
在上述两导体的至少一个上形成的、可与上述基板连接的平面状的安装面；以及
在上述两导体的端部形成的、与从上述电介贡窄条的端部输入或输出的电磁波的行进方向垂直的、并包含上述电介质窄条端部附近的垂直端面。
在本发明中，各个非辐射性电介质波导部件是这样来形成的：平行地配置该部件固有的一对导体，使其相互的间隔为预定的间隔；在上述两个导体间配置以预定的模式传输高频电磁波的该部件固有的电介质窄条；在上述两个导体的至少一个上形成平面状的安装面；在上述两个导体的端部形成与从电介质窄条的端部输入或输出的电磁波的行进方向垂直的、并包含电介质窄条端部附近的垂直端面；以连接的方式可把各个非辐射性电介质波导部件安装在基板上。其结果是可以单个地制成非辐射性电介质波导部件，故可提高非辐射性电介质波导部件的批量生产能力。此外，可使用测定夹具在制造出的部件的原有状态下单独地进行特性测试，可把各部件在原有的测试状态下通过简单的连接方式安装到基板上，而且可以单个地取出来，因此可提高集成电路的批量生产能力。
再者，非辐射性电介质波导的传送模式(LSM 01模式)中没有与电磁波的传输方向平行的电流成分，也几乎没有电场分量，因此在部件间的连接等方面，不需要如波导管那样的由法兰盘来牢固地固定，而且也不需要电介质窄条的端部的对接连接等。因而，可简单地制成垂直端面的结构，在安装方面也是简单的，从而可提高集成电路的批量生产能力。
图1是表示本发明的一个实施例的集成电路在形成过程中的状态的一个斜视图。
图2是表示图1的集成电路完成后的状态的一个顶视图。
图3是表示图1的振荡器1和夹具的一个实例的整体构成的图。
图4是表示在拿掉导体部10的状态下图1的振荡器1的电介质窄条12的端部12a附近的结构的例子的平面图。
图5是表示图1的振荡器1的特性的图。
图6是表示经过波导管传输的TE 10模式的电磁波的图。
图7是表示经过非辐射性电介质波导传输的LSM 01模式的电磁波的图。
图8是表示导体与电介质窄条间的间隙d为“0”时的特性的图。
图9是表示导体与电介质窄条间的间隙d为0.1mm时的特性的图。
图10是表示导体与电介质窄条间的间隙d为“0”时的特性的图。
图11是表示只在导体间存在0.1mm的间隙d时的特性的图。
图12是表示只在导体间存在0.2mm的间隙d时的特性的图。
图13是表示图1的环行器2与夹具的一个例子的整体构成的斜视图。
图14是表示图1的环行器2的特性的图。
图15是表示非辐射性电介质波导部件间的位置配合的例子的图。
图16是表示非辐射性电介质波导部件的安装操作的图。
图17是表示本发明的另一个实施例的集成电路的一部分构成的图。
以下根据附图来说明本发明的实施例。图1是表示本发明的一个实施例的集成电路在形成过程中的状态的斜视图，图2是表示该集成电路完成后的状态的顶视图。这种集成电路例如是在毫米波频段工作的FM-CW方式的雷达的高频部分。在图1、图2中，具备作为分别承担集成电路的一部分功能的非辐射性电介质波导部件的振荡器1、环行器2、耦合器3、无反射终端器4和混频器5，以及把这些部件相互连接起来并可进行表面安装的基板7。使用板状的绝缘体、导体和表面进行了金属化处理的板状的绝缘体作为基板7。
在图1、图2中，振荡器1具备：一对平板状的导体10、11；设置在导体10、11间的电介质窄条12等；电源端16和调制端17。导体10、11由铝、铜等的导电性材料形成。此外；在导体11上形成与其成为一体的衬垫11b，用于使导体10、11的相互间隔保持在一定的高度a。用例如聚四氟乙烯等的电介质材料(比介电常数ετ＝2)形成高度a(例如，2.25mm)、宽度b(例如，2.5mm)的电介质窄条12。此外，在导体10、11的四个角上形成螺钉孔18a。通过把带有十字孔的平头螺钉18b分别拧入该螺钉孔18a中，可使电介质窄条12等与导体10、11连成一体使之不能移动。
在导体11的底面形成平面状的安装面19a。此外，在导体10、11的一端形成与从电介质窄条12的端部12a输出的高频电磁波的行进方向垂直的、并包含端部12a附近的垂直端面19b。该振荡器1把产生振荡的电磁波从端部12a输出到环行器2。再者，在基板7上形成螺钉孔70，用带有十字孔的平头螺钉18b把振荡器1固定到基板7上。
环行器2具备一对平板状的导体20、21和配置在该导体20、21间的三个电介质窄条22(图中示出一个)等。导体20、21由铝、铜等的导电性材料形成。在导体20、21间的三个角上设置衬垫26，用于使导体20、21间相互的间隔保持在一定的高度a。此外，在导体20、21的三个角上形成贯穿衬垫26的螺钉孔(图中未示出)。通过把带有十字孔的平头螺钉27分别拧入到该螺钉孔中，可使电介质窄条22等与导体20、21连成一体使之不能移动。此外还可将其固定到基板7上。
在导体20的底面形成平面状的安装面29a。此外，在导体20、21的三个端部处分别形成与输入或输出到各个电介质窄条22的各自的端部22a的高频电磁波的行进方向垂直的、而且包含端部22a附近的垂直端面29b。
耦合器3具备一对平板状的导体30、31和配置在导体30、31间的三个电介质窄条32、33、34等。导体30、31由铝、铜等的导电性材料形成。在导体30上设置衬垫30a，用于使导体30、31间的相互间隔保持在一定的高度a。此外，在导体30、31的四个角上形成螺钉孔(图中示示出)。通过把带有十字孔的平头螺钉37分别拧入到该螺钉孔中，可使电介质窄条32、 33、34与导体30、31连成一体使之不能移动。此外还可将其固定在基板7上。
在导体30的底面形成平面状的安装面39a。此外，在导体30、31的两端部处分别形成与输入或输出到各个电介质窄条32、34的各自的端面32a的高频电磁波的行进方向垂直的、并且包含端部32a附近的垂直端面39b。
再者，无反射终端器4和混频器5与振荡器1、环行器2、耦合器3同样具备一对平板状导体和电介质窄条等，并具有安装面与垂直端面(这些都未在图中示出)，可将其固定在基板7上。
图3是显示测定图1的振荡器1的夹具的整体构成的图。图3(a)是振荡器1在安装前的斜上方的视图，图3(b)是在振荡器1己安装好的状态下的斜视图，图3(c)是沿图3(b)的A-A′线切开的截面图。
夹具6大体上具备安装部60和变换部分61。安装部60是由铝、铜等具有导电性的平板状的下板601的一部分形成的。在安装部60中，在下板601上形成一对用于使振荡器1准确定位的侧壁601a。此外，在下板601的与螺钉孔18a对应的位置上形成螺钉孔601b，用于在下板601与振荡器1的安装面19a已连接好的状态下使振荡器1固定到预定位置上。
变换部分61用于使振荡器1与其它种类的电路(例如波导管)相连接，它大体上具备相互形成一体的压紧部分610、喇叭形部分611和波导管612。在压紧部分610中，用下板601的剩下部分和铝、铜等具有导电性的压紧板610a夹住电介质窄条12和对应的电介质窄条62的一部分，通过拧紧压紧螺钉610b来固定电介贡窄条62。通过用螺钉611b拧紧设置在喇叭形部分611的端部的法兰盘611a把喇叭形部分611与压紧部分610固定在一起。在波导管612的端部形成法兰盘612a。
与振荡器1的垂直端面19b相对应，在变换部分61的端部、即压紧部分610的端部形成与电介质窄条62中的电磁波传输方向垂直的、并且包含电介质62的端部62a附近的垂直端面61a。此外，在电介质窄条62的另一端62b处，在宽度方向上形成尖锥形，以使其它电路的特性阻抗与电介质窄条62的特性阻抗相匹配。
图4是表示图1的振荡器1和图3的夹具6的电介质窄条12、62的端部12a、62a附近的结构实例的平面图。再者，在图4(a)～(c)中，分别显示使电介质窄条12、62的端部12a、62a之间进行对接的状态的实例。在图4(a)中，让电介质窄条12、62的端部12a、62a与电磁波的行进方向垂直并且与垂直端面19b、61a形成一个平面，使端部12a、62a彼此间进行对接。
另一方面，在图4(b)中，端部12a、62a彼此间分别形成可进行对接的楔状。因此，端部12a从垂直端部19b处稍微突出一些。在图4(c)中，端部12a、62a彼此间分别形成可进行对接的球状。因此，在该图4(c)中，端部12a也从垂直端面19b处稍微突出一些。如在图4(b)、(c)中所示，如电介质笮条12、62的端部12a.、62a之间可进行对接，则可以不一定形成要与电磁波的行进方向垂直的端部12a、62a。此外，即使在形成了与电磁波的行进方向垂直的端部12a、62a时，也可以分别使端部12a、62a从垂直端面19b、61a处稍微突出一些，使端部12a、62a之间进行对接。
其次说明上述部件的工作情况。如把直流电供给振荡器1的电源端16的话，开始振荡产生高频电磁波并输入到电介质窄条12。可是，如把导体10、11间的间隔设为a，应传送的毫米波的电磁波波长设为λ的话，如间隔a符合a＜λ/2，则在没有电介质窄条12的部分内，与导体10、11平行的电磁波的传输被截止。另一方面，在插入了电介质窄条12的部分内，上述截止状态被解除，沿电介质窄条12传输该电磁波，从端部12a输出该电磁波。即使在变换部分61的压紧部分610中，情况也是同样的。再者，非辐射性电介质波导的传送模式大致分为LSE模式与LSM模式。在最低阶模式的LSE 01模式与LSM 01模式中，从低损耗性方面来考虑，通常使用LSM 01模式。
本发明申请的发明人使用夹具6和频谱分析仪测试了该振荡器1。图5是表示图3的振荡器1的特性的图。从图5可看出，从电介质窄条12的端部12a输出以60GHz为中心的、具有良好特性的振荡信号。
在这里研究经过波导管传输的电磁波与经过非辐射性电介质波导传输的电磁波的不同点。图6是表示经过波导管传输的TE 10模式的电磁波的图，图7是表示经过非辐射性电介质波导传输的LSM 01模式的电磁波的图。再者，分别在图6(a)中示出电场分量E、磁场分量H，在图6(b)中示出表面电流I。此外，分别在图7(a)中示出电场分量E、磁场分量H，在图7(b)中示出表面电流I，在图7(c)中示出沿B-B′线切断后的状态。
在波导管中，如图6(b)所示表面电流I具有与电磁波的传输方向相同的方向的分量。因此，为了使波导管彼此连接起来，为了消除波导管间的间隙、使表面电流I在两波导管间流动，用法兰盘来牢固地固定是必要的。
另一方面，在非辐射性电介质波导中，如图7(b)所示，LSM01模式的表面电流I只具有与电磁波的传输方向垂直的分量。因此，可认为即使分别对导体10、11在与电磁波传输方向垂直的方向上进行切断以及在各导体10、11间存在间隙的情况下对电磁波的传送也没有影响。
为了确认以上所述，本发明的发明人对将导体10、11与电介质窄条12在垂直于电磁波的传送方向上进行切断后的特性进行了测试。图8是示出导体10、11和电介质窄条12间的间隙d为“0”时的特性的图。也就是说，图8是示出在图4(a)中垂直端面19b和端部12a与对应的垂直端面19b和端部12a分别对接时的特性的图。图9是示出导体10、11和电介质窄条12间的间隙d为0.1mm时的特性的图。也就是说，图9是示出在图4(a)中垂直端面19b和端部12a与对应的垂直端面19b和端部12a间的距离为0.1mm时的特性的图。由图8、图9的结果可确认，即使导体10、11和电介质窄条12间、或振荡器1与夹具6间存在间隙d、反射损耗、插入损耗只是稍微增加一些。
因此，在振荡器1与夹具6之间的连接方面，就不需要如波导管那样地用法兰盘来牢固地固定，也不需要端部12a、62a的对接连接等。因而，在安装部60内与安装面19a已连接好的状态下以及在固定了振荡器1的状态下进行安装的话，可以在无失配和低损耗的情况下在电介质窄条12、62间传输LSM 01模式的电磁波。因此可以测试振荡器1的特性使其结果不会离散。此外，安装是简单的。
再者，为了对分别让端部12a、62a从垂直端面19b、61a处稍微突出一些并让端部12a、62a彼此进行对接后的特性进行测试，本发明申请的发明人对把导体10、11和电介质窄条12在与电磁波的传送方向垂直的方向上切断后和分别让端部12a、62a从垂直端面19b、61a处稍微突出一些后的特性进行了测试。
图10是示出导体10、11和电介质窄条12间的间隙d为“0”时的特性的图。也就是说，图10是示出在图4(a)中垂直端面19b和端部12a分别与对应的垂直端面19b和端部12a对接后的特性的图。图11是示出只在导体10、11间存在0.1mm的间隙d时的特性的图。也就是说，图11是示出让端部12a从垂直端面19b处各突出0.05mm、让端部12a彼此对接、垂直端面19b与对应的垂直端面19b间的距离为0.1mm时的特性的图。图12是示出只在导体10、11间存在0.2mm的间隙d时的特性的图。也就是说，图12是示出让端部12a从垂直端面19b处各突出0.1mm后的特性的图。
从图10、图11、图12可确认，即使在导体10、11间存在间隙d，只要端部12a间进行对接，就几乎不产生反射损耗、插入损耗方面的性能变坏。这种关系同样可适用于振荡器1与夹具6之间的情况。即使让端部12a、62a分别从垂直端面19b、61a处稍微突出一些以及让端部12a、62a彼此对接后，几乎不产生反射损耗、插入损耗方面的性能变坏。
图13是示出测试图1的环行器2的特性的夹具的整体构成的斜视图。凡与夹具6对应的部分均附以相同的编号并省略有关的说明。为了使环行器2具有3个端部22a，即3个端口，夹具6c由3个图3(a)所示的夹具6组合而成，以便能用3个垂直端面61a和安装部60对环行器2进行定位。再者，即使拿掉1个带有十字孔的平头螺钉27，恐怕也可能会产生电介质窄条22等的位置偏移。因此，通过用盖67来压住环行器2以及拧紧带有十字孔的平头螺钉68，使环行器2得以固定。在进行上述步骤之后，对环行器2的特性进行测试。
再者，在环行器2中把一个电介质窄条22的端部22a作为高频电磁波的输入端口时，电磁波向一个方向旋转，并只向另一个电介质窄条22的端部22a传输电磁波。本发明申请的发明人使用夹具6c和网络分析仪，让一个端部22a成为无反射终端的状态，让环行器2以隔离器的方式来工作，在此情况下对环行器2进行了测试。
图14是示出图13的环行器2的特性的图。再者，图14(a)示出隔离性能和插入损耗，图14(b)示出反射损耗。因此从图14可看出，环行器2具有良好的隔离性能及插入损耗、反射损耗的特性。
因此，在环行器2与夹具6c的连接方面，不需要如波导管那样地由法兰盘来牢固地固定，而且不需要端部22a、62a的对接连接等。因而，在安装部60与安装面29a已连接好的状态以及在固定了环行器2的状态下进行安装的话，可以在无失配和低损耗的情况下经过电介质窄条22、62间传输LSM 01模式的电磁波。因此可更精确地测试环行器2的特性。此外，安装是简单的。
再者，在测试耦合器3的特性时，可以把4个图3所示的夹具组合起来构成。此外，对无反射终端器4、混频器5等的一个端口的非辐射性电介质波导部件，可以用图3所示的夹具6进行特性测试。如得到良好的测试结果的话，就把振荡器1～混频器5按顺序连接到基板7上，进行表面安装。
如图1、图2中所示，集成电路是把振荡器1～混频器5以相互连接的方式在基板7上进行表面安装。因而，与夹具6、6c间的关系相同，不会因安装而产生特性的偏差，振荡器1～混频器5可发挥出如测试所得到的特性。因此，可构成具有高的批量生产能力和可靠性的集成电路。
再者，在图1中用螺钉固定法把振荡器1～混频器5以表面安装方式装到基板7上，但也可以用焊接、用导电糊剂来进行表面安装。此外，如图2所示把天线8装到基板7上的话，可作成一个雷达头。
此外，可按照以下几种方式对非辐射性电介质波导部件进行相互间的定位：
(1)在基板7内设置一条沟，把非辐射性电介质波导部件装在该沟内来进行各自的定位。
(2)如图15(a)～(c)中分别示出的，把定位构件ε镶在设置于非辐射性电介质波导部件的上部的定位用的凹部δ内来进行定位。
(3)如图15(d)所示，把非辐射性电介质波导部件的一个孔η嵌入竖立在基板7上的一个定位销钉ξ上，或者反之，这样来进行定位。
(4)如图15(e)所示，把在一个非辐射性电介质波导部件的垂直端面上竖立的定位销钉θ嵌入另一个非辐射性电介质波导部件的垂直端面的一个孔ι内来进行定位。
在(1)～(3)中，如图16(a)所示，只要使非辐射性电介质波导相对于基板7作垂直移动就可进行安装。在(4)中，如图16(b)所示，也有必要使非辐射性电介质波导相对于基板7作水平移动。因此，与(4)相比，(1)～(3)的方法在安装性方面有优点。
图17是示出本发明的另一个实施例的集成电路的一部分构成的图。其中凡与图1的实施例对应的部分均附以相同的编号并省略有关的说明。图17的集成电路所使用的各个非辐射性电介质波导部件91、92、93具备包含有各自的电介质窄条910、920、921、930以及在其左右侧充填的充填构件912、922、932的长方体状的电介质块和在该电介质块的上下形成的导体913、914、923、924、933、934。电介质窄条910、920、921、930形成与电介质块的侧面垂直的各个端部910a、920a、921a、930a。再者，在导体913、914间放置非辐射性电介质波导部件91的有源元件块915。
用介电常数高的陶瓷来形成电介质窄条910、920、921、930。用介电常数低的陶瓷来形成充填构件912、922、932。通过对电介质块的上下表面进行金属化处理来形成导体913、914、923、924、933、934等。
通过用夹具对这种非辐射性电介质波导部件91、92、93进行特性测试后再以连接的方式在基板7上进行表面安装来形成一个集成电路。在基板7是绝缘体时，用螺钉进行固定。在基板7是导体或是对其表面进行了金属化处理的绝缘体的情况下，除用螺钉外可用焊料或导电糊剂进行固定。
按照本发明，可单个地制成非辐射性电介质波导部件，可提高非辐射性电介质波导部件的批量生产能力。此外，可以使用测定夹具在制造出来的部件的原有状态下单独地进行特性测试，可以在各个部件的原有测试状态下简单地将其连接安装到基板上，而且可以单独地取出来，因此可提高集成电路的批量生产能力。
Claims (2)
1.一种高频集成电路，包括：
一个基板；
多个器件，其中的每个具有非辐射性电介质波导，它们表面安装在基板上，其特征在于，每个器件包括：
导体对，以一个确定的间隔互相平行；
电介质窄条，它放置在相应导体对之间；
一个导体具有一个平面安装表面，它整个地和基板相接触；
导体对，限定一个端表面，该表面与电磁波在电介质窄条中传播的方向垂直，电介质窄条的一端暴露于端表面，以及每个装置的电介质窄条的暴露端靠近相邻的一个装置的各电介质窄条的暴露端。
2.根据权利要求1所述的高频集成电路，其特征在于：
每个器件的电介质窄条的暴露端与相邻的一个装置的相应的暴露端相接触。
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