CN107689475B - 一种微同轴超宽带耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微同轴超宽带耦合器，包括H型金属腔结构的外导体、H型的内导体和光刻胶支撑体；所述内导体生长在外导体内，所述光刻胶支撑体设置于内导体的底部和外导体底部之间，所述第一支节和第三支节位于同一条直线上，所述第二支节和第四支节位于同一条直线上，所述第一导体和第二导体之间具有宽度逐渐变大的间隙，且第一导体水平设置，第二导体沿第一导体倾斜设置；所述外导体的上表面设有多个通孔，所述通孔位于所述第一导体和第二导体的间隙上。本发明提供了一种体积较小、性能可靠、带宽较宽的高性能信号互联耦合结构，实现了微波毫米波系统的高集成度和高性能，做到了在微尺寸结构下，多个倍频程的微波毫米波耦合电路。

Description

一种微同轴超宽带耦合器

技术领域

本发明涉及一种微波电路技术，尤其涉及的是一种微同轴超宽带耦合器。

背景技术

近年来，射频微系统(RF Microsystems)的发展极大地促进了射频/微波系统的多功能化和小型化，同时对天线与电路的集成也提出了更高要求，射频/微波传输线和馈电线要求更大带宽、更低损耗和更小型化。但是，由于现有微波集成电路中多采用基于平面印刷电路板(PCB)技术的微带、共面波导和带线等开腔形式的平面半开放结构。在进行微波信号互联时，能量耦合和辐射损耗较大，信号互联时驻波较差，且应用频率受限。因此，平面工艺的馈电技术较难进一步实现射频/微波系统的集成化与微型化，也难以将现有超宽带器件的性能更好的发挥出来。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种微同轴超宽带耦合器，实现射频/微波电子系统的小型化、集成化与高性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括H型金属腔结构的外导体、H型的内导体和光刻胶支撑体；所述内导体生长在外导体内，所述光刻胶支撑体设置于内导体的底部和外导体底部之间，所述内导体具有第一导体和第二导体，所述第一导体的两端具有相互平行的第一支节和第二支节，所述第二导体的两端具有相互平行的第三支节和第四支节，所述第一支节和第三支节位于同一条直线上，所述第二支节和第四支节位于同一条直线上，所述第一导体和第二导体之间具有宽度逐渐变大的间隙，且第一导体水平设置，第二导体沿第一导体倾斜设置；所述外导体的上表面设有多个通孔，所述通孔位于所述第一导体和第二导体的间隙上。

作为本发明的优选方式之一，所述外导体和内导体均为金属铜制成。

作为本发明的优选方式之一，所述第一导体的长度为5500～9500μm。

作为本发明的优选方式之一，所述第一导体和第二导体之间的间隙最小处为32μm，最大处为126μm。

作为本发明的优选方式之一，所述第一支节、第二支节、第三支节和第四支节的尺寸相同，宽度为100μm，高度为50μm。

作为本发明的优选方式之一，所述第一支节、第二支节、第三支节和第四支节的端部分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和第二端口为毫米波信号的直通端口，所述第一端口、第二端口、第三端口为毫米波信号的耦合端口，第四端口为耦合匹配端。

作为本发明的优选方式之一，所述光刻胶支撑体为H型，与所述内导体形状相匹配。

作为本发明的优选方式之一，所述耦合器体积在1mm×1mm×1mm内。

所述耦合器在带内直通插损小于1dB，全频段微波耦合度20dB，耦合误差不超过1dB，输出端口与耦合端口的隔离度在30dB以上，各个端口的驻波均在2dB以下。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种体积较小、性能可靠、带宽较宽的高性能信号互联耦合结构，实现了微波毫米波系统的高集成度和高性能，做到了在微尺寸结构下，多个倍频程的微波毫米波耦合电路。

同时本发明提供了一种高隔离度微波毫米波信号互联耦合结构，避免了传统耦合电路的信号泄露与干扰的问题，尤其是在芯片级互联耦合的情况下，各个信号支路距离非常接近，解决了微尺寸范围内的微波毫米波信号隔离和抗干扰问题。

本发明还提供了一种易于匹配的电路接口，微同轴输入输出端口的阻抗值由内外导体的间距和内导体的长宽决定，微波电路系统设计师可根据芯片阻抗值设计对应的微同轴耦合电路端口阻抗值，做到每个端口匹配良好，避免了传统电路统一阻抗值的匹配问题。

附图说明

图1是本发明的透视图；

图2是本发明的微同轴耦合器外视图；

图3是本发明微同轴耦合器端口示意图；

图4是本发明微同轴耦合器内导体和光刻胶支撑体示意图；

图5是微同轴耦合器内导体示意图；

图6是微同轴耦合器内导体俯视图的尺寸图；

图7是微同轴耦合器SU-8支撑体示意图；

图8是微同轴耦合器SU-8支撑体俯视图的尺寸图；

图9是微同轴耦合器端口横截面尺寸图；

图10是微同轴耦合器横截面左视图尺寸图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～10所示，本实施例基于金属溅射和紫外线光刻的微纳加工工艺，用微同轴的内导体直接对集成芯片进行微波信号互联，外导体5直接接地。具体设计内容包含以下三个部分：

(1)微同轴内导体的设计

微同轴耦合器由接地的外导体5和传输信号的内导体6构成，其中内导体6的结构尺寸以及与外导体5的间距设计对信号传输和耦合质量其中关键作用，根据8～20GHz超宽带微波信号的特点，需对内导体6尺寸和内外导体5间距进行特殊设计，以保证在如此宽的带宽应用环境下，微波信号的直通插损小于1dB，耦合端口的全频段耦合误差在±0.5dB。

所述内导体6生长在外导体5内，所述光刻胶支撑体8设置于内导体6的底部和外导体5底部之间，所述内导体6具有第一导体61和第二导体62，所述第一导体61的两端具有相互平行的第一支节和第二支节，所述第二导体62的两端具有相互平行的第三支节和第四支节，所述第一支节和第三支节位于同一条直线上，所述第二支节和第四支节位于同一条直线上，所述第一导体61和第二导体62之间具有宽度逐渐变大的间隙，且第一导体61水平设置，第二导体62沿第一导体61倾斜设置；所述外导体5的上表面设有多个通孔9，所述通孔9位于所述第一导体61和第二导体62的间隙上。

第一支节、第二支节、第三支节和第四支节的端部分别为第一端口1、第二端口2、第三端口3和第四端口4，所述第一端口1和第二端口2为毫米波信号的直通端口，所述第一端口1、第二端口2、第三端口3为毫米波信号的耦合端口，第四端口4为耦合匹配端。因不同的传输臂需传输的微波能量不同，需对H型结构每个支节及导体的长、臂宽进行设计，同时需考虑微纳加工工艺的特点，对电讯设计指标和工艺实现的可行性进行折中。内导体6的材质为金属铜，H型内导体6具体设计指标见表1。

表1内导体的设计标准

渐变长度	支节高度	支节宽度	两导体最窄	两导体最宽
					6790um	50um	100um	32um	126um

微同轴的外导体5为中空的H型结构，与内导体6的H型结构一起，构成微波毫米波的传输耦合体系。微同轴耦合器外导体5的四个端口，端口编号与内导体6一一对应，电磁波的指向，由内导体6指向外导体5。每个端口的阻抗值，耦合器的耦合值主要由内外导体5的长度、内导体6的横截面积以及内外导体5之间的间距等因素决定。为了更好的实现紫外线光刻的工艺效果，除尽多余的光刻胶，本发明在不影响微波毫米波电讯性能的基础上，在外导体5的顶部进行了开设通孔9设计，既避免了对电性能的影响，又增加了化学液体的浸润和抽取窗口。具体开孔尺寸和间距见下表2。

表2通孔的设计

开孔直径	孔间距	开孔数量
			100mm	500mm	15个

光刻胶支撑体8主要由SU-8光刻胶构成，其主要用于对H型金属的内导体6进行应力支撑，同时，为了尽量减小SU-8光刻胶对微波传输性能的影响，设计中支撑胶的结构形状类似于内导体6的形状，总体构型也呈现H型，在保证金属内导体6支撑应力的同时，尽量少的使用了SU-8支撑体，支撑体的高度由内外导体5之间的高度决定，支撑体的宽度与内导体6的宽度相同。

(2)微同轴阻抗匹配的设计

微同轴与传统同轴结构或其他微波传输耦合电路相比，其采用紫外线光刻与金属溅射的工艺实现，其端口的阻抗值可以根据匹配的需要进行设计，而传统同轴电路阻抗值基本都是以50欧姆为匹配阻抗，同时，传统同轴电路结构尺寸较大，尺度在毫米和厘米量级，无法满足芯片级系统集成，而基于微同轴的耦合电路尺寸在毫米级，可以通过调整端口参数和结构形式，与芯片进行集成和匹配。本发明在端口处开槽口7的形式，采用金丝搭接的方式，与芯片进行信号互联集成，为了不影响微波信号的传输与耦合质量，改善匹配效果，端口开槽处的结构尺寸需匹配阻抗值。

(3)微同轴结构应力的设计

微同轴采用的是中空的H型金属腔内生长对应的H型金属内导体6的结构形式，因此，H型的金属内导体6需要进行结构应力支撑，综合考虑去胶工艺的流程、实现难度，本发明采用SU-8光刻胶对微同轴耦合器的金属内导体6进行应力支撑。考虑对微波传输耦合性能的影响，采用桥墩式间隔支撑的形式，并保证在输入输出端口出进行支撑。同时，为抗击金丝焊接时超声压力的冲击，在输入输出端口出，对SU-8光刻胶进行加宽支撑。

载体可以是常见的微波介质基板，也可以是硅晶圆。微同轴采用溅射金属层技术在微波基板或硅晶圆上形成外导体5金属镀层，紫外线光刻技术和多层堆叠技术在实现内外导体5。所述基于微同轴馈电结构的超宽带耦合电路设计实现了超宽带微波毫米波信号的高性能、高可靠和超宽带互连，并且体积缩小在1mm×1mm×1mm内，已在8～200GHz宽带微波系统测试中表现出了良好的传输性能，带内直通插损小于1dB，全频段微波耦合度20dB，耦合误差不超过1dB，输出端口与耦合端口的隔离度在30dB以上，各个端口的驻波均在2dB以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微同轴超宽带耦合器，包括H型金属腔结构的外导体、H型的内导体和支撑体，所述内导体生长在外导体内，所述内导体具有第一导体和第二导体，所述第一导体的两端具有相互平行的第一支节和第二支节，所述第二导体的两端具有相互平行的第三支节和第四支节，所述第一支节和第三支节位于同一条直线上，所述第二支节和第四支节位于同一条直线上，其特征在于，所述支撑体为光刻胶支撑体，所述光刻胶支撑体设置于内导体的底部和外导体底部之间，所述光刻胶支撑体为H型，与所述内导体形状相匹配，所述第一导体和第二导体之间具有宽度逐渐变大的间隙，且第一导体水平设置，第二导体沿第一导体倾斜设置，所述第一支节、第二支节、第三支节和第四支节的尺寸相同；

所述外导体的上表面设有多个通孔，所述通孔位于所述第一导体和第二导体的间隙上；

所述微同轴超宽带耦合器基于金属溅射和紫外线光刻的微纳加工工艺，用微同轴的内导体直接对集成芯片进行微波信号互联，外导体直接接地；

所述耦合器体积在1mm×1mm×1mm内，所述耦合器在带内直通插损小于1dB，全频段微波耦合度20dB，耦合误差不超过1dB，输出端口与耦合端口的隔离度在30dB以上，各个端口的驻波均在2dB以下。

2.根据权利要求1所述的一种微同轴超宽带耦合器，其特征在于，所述外导体和内导体均为金属铜制成。

3.根据权利要求1所述的一种微同轴超宽带耦合器，其特征在于，所述第一导体的长度为550～950μm。

4.根据权利要求1所述的一种微同轴超宽带耦合器，其特征在于，所述第一导体和第二导体之间的间隙最小处为32μm，最大处为126μm。

5.根据权利要求1所述的一种微同轴超宽带耦合器，其特征在于，所述第一支节、第二支节、第三支节和第四支节的尺寸宽度为100μm，高度为50μm。

6.根据权利要求1所述的一种微同轴超宽带耦合器，其特征在于，所述第一支节、第二支节、第三支节和第四支节的端部分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和第二端口为毫米波信号的直通端口，所述第一端口、第二端口、第三端口为毫米波信号的耦合端口，第四端口为耦合匹配端。

7.根据权利要求1所述的一种微同轴超宽带耦合器，其特征在于，所述外导体的端口与内导体的端口相重合，在外导体的端口处开设匹配阻抗值的槽口。

Images