CN108832247A - 一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器包括平行板电容器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和隔离电阻；该功分器由集总参数元件组成的电抗网络构成，采用结构紧凑、低损耗的三维螺线管电感器单元与平行板电容器单元，以穿透玻璃基板的螺线管电感器作为功分器的集总电感单元，该螺线管电感器充分利用了玻璃通孔垂直排列与低电损耗的特点，面积小、电感值大、损耗低，大幅缩小了功分器的尺寸；本发明大幅减小了功分器的体积，在提高电路集成度的同时，保证了功分器的性能。本发明功分器能使输入信号功率二等分到二个输出端口，具有功率损耗低、端口隔离度高、相位差小与尺寸紧凑等优点，尤其适用于微型化的三维异质集成封装。

Description

一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器

技术领域

本发明属于微波无源器件技术领域，具体涉及一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器。

背景技术

异质三维集成是一种先进的封装技术，它通过玻璃通孔与玻璃基板实现了不同芯片的水平互连与垂直通信，显著提升了电路的性能，缩小了通信系统的封装尺寸。但传统的射频无源器件，如功分器、滤波器、天线等，通常包含大电感值的电感器，具有较大的本征尺寸，无法与其它通信电路单元集成至同一封装内，仍需要放置于封装结构外的印刷电路板上，从而导致整个通信系统尺寸的增加。

功分器在现代通信系统中占据着重要地位，它们能按照通信系统的要求将信号进行分配，广泛应用于功率放大器、相控阵雷达、混频器等微波设备。根据结构的差异，功分器可以分为集总式与分布式两类。集总式功分器尺寸比分布式功分器的尺寸更为紧凑，但其电学特性非常依赖于功分器中电感器的损耗，采用低损耗电感器可以有效改善整个功分器的性能。分布式功分器通常采用传输线设计，如微带线与低温共烧陶瓷，其本征尺寸与信号波长的平方值成正比，普遍尺寸在几十-几百平方毫米量级。如采用微带线结构的威尔金森功分器尺寸达到了15mm×9.5mm(Najib N,You K Y,Lee C Y,et al.Compact andwideband modified Wilkinson power dividers,IEEE International Conference onSmart Instrumentation,Measurement and Application.2017)；采用低温共烧陶瓷结构的威尔金森功分器尺寸达到了7.1mm×6.2mm(Wang X,Qiao D,Dai Y.Design andperformance of a novel miniaturized LTCC Wilkinson power divider,IEEE MTT-SInternational Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processesfor RF and THz Applications,2016)。

传统功分器一般制备于有损硅衬底的表面，具有较大的信号损耗，如Najieb.N等人制备的微带线功分器的插入损耗达到了3.5dB，Wang等人制备的低温共烧陶瓷功分器的插入损耗达到了4.1dB。玻璃基板具有低电损耗与高介电常数，其正切损耗角约为0.008，相对介质常数为5.5，非常适用于制备高性能射频无源器件。如T.Tseng等人在玻璃基板表面制备的平面功分器，其通带等效插入损耗仅为3.1d B，由于采用了平面的螺旋电感器，该功分器尺寸仍达到了4.6mm×4.6mm(T.Tseng and Y.Lin,“Miniature broadband four waypower divider in glass based thin film integrated passive device technology,”IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,2013)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种尺寸紧凑、性能优异、结构简单、制作成本低的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器，包括平行板电容器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和隔离电阻，所述的平行板电容器单元由接地电容器和跨接电容器组成，所述的重新布线层包括输入端、第一输出端、第二输出端、接地板、第一金属互连层、第二金属互连层、第三金属互连层、第四金属互连层、第五金属互连层、第六金属互连层和第七金属互连层，所述的三维螺线管电感器单元包括第一螺线管电感器和第二螺线管电感器，所述的第一螺线管电感器和所述的第二螺线管电感器均包括玻璃基板和垂直排列在所述的玻璃基板内的多个垂直设置的玻璃通孔，每个所述的玻璃通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的二氧化硅介质层，多个所述的玻璃通孔的金属芯分别穿透所述的玻璃基板并经多片金属连接片依次首尾连接串联为一体；

所述的接地电容器的上极板与所述的第一金属互连层连接，所述的第一金属互连层分别与所述的输入端、所述的第二金属互连层和所述的第三金属互连层连接，所述的第二金属互连层与所述的第一螺线管电感器的一端连接，所述的第三金属互连层与所述的第二螺线管电感器的一端连接，所述的接地电容器的下极板接地，所述的第一螺线管电感器的另一端、所述的第四金属互连层、所述的第一输出端、所述的接地板依次连接，所述的第二螺线管电感器的另一端、所述的第五金属互连层、所述的第二输出端、所述的接地板依次连接，所述的跨接电容器的上极板与所述的第六金属互连层连接，所述的第六金属互连层与所述的第四金属互连层连接，所述的跨接电容器的下极板与所述的第七金属互连层连接，所述的第七金属互连层与所述的第五金属互连层连接，所述的隔离电阻跨接在所述的第四金属互连层与所述的第五金属互连层之间。

作为优选，所述的金属芯为铜芯，所述的金属连接片为铜连接片。

作为优选，所述的隔离电阻为薄膜电阻。薄膜电阻的尺寸小、精度高，可进一步减小整个功分器的尺寸并提高功分器的隔离度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明公开的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器，其由集总参数元件组成的电抗网络构成，采用结构紧凑、低损耗的三维螺线管电感器单元与平行板电容器单元，以穿透玻璃基板的螺线管电感器作为功分器的集总电感单元，该螺线管电感器充分利用了玻璃通孔垂直排列与低电损耗的特点，具有面积小、电感值大、损耗低的优点，大幅缩小了功分器的尺寸。

2、本发明通过玻璃通孔技术，将尺寸在厘米级与毫米级的传统威尔金森功分器，缩小至微米级，大幅减小了功分器的体积，在提高电路集成度的同时，保证了功分器的性能。

3、本发明威尔金森功分器能采用玻璃基板，与传统的硅基板相比，玻璃基板介质损耗小、机械稳定性强、制造成本低，可有效降低功分器的制作成本。

4、本发明威尔金森功分器能使输入信号功率二等分到二个输出端口，具有功率损耗低、端口隔离度高、相位差小与尺寸紧凑等优点，尤其适用于微型化的三维异质集成封装。

附图说明

图1为实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的结构示意图；

图2为实施例中第一螺线管电感器或第二螺线管电感器的结构示意图；

图3为本发明中单个玻璃通孔的结构示意图；

图4为本发明基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的等效电路结构图；

图5为实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的散射参数图；

图6为实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的输出端口的相位差图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器，如图1～图3所示，包括平行板电容器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和隔离电阻6，平行板电容器单元由接地电容器11和跨接电容器12组成，重新布线层包括输入端21、第一输出端22、第二输出端23、接地板24、第一金属互连层31、第二金属互连层32、第三金属互连层33、第四金属互连层34、第五金属互连层35、第六金属互连层36和第七金属互连层37，三维螺线管电感器单元包括第一螺线管电感器41和第二螺线管电感器42。

第一螺线管电感器41和第二螺线管电感器42均包括玻璃基板5和垂直排列在玻璃基板5内的六个垂直设置的玻璃通孔51，每个玻璃通孔51包括金属芯52和设置在金属芯52外侧的二氧化硅介质层53，六个玻璃通孔51的金属芯52分别穿透玻璃基板5并经多片金属连接片54依次首尾连接串联为一体。

接地电容器11的上极板与第一金属互连层31连接，第一金属互连层31分别与输入端21、第二金属互连层32和第三金属互连层33连接，第二金属互连层32与第一螺线管电感器41的一端连接，第三金属互连层33与第二螺线管电感器42的一端连接，接地电容器11的下极板接地，第一螺线管电感器41的另一端、第四金属互连层34、第一输出端22、接地板24依次连接，第二螺线管电感器42的另一端、第五金属互连层35、第二输出端23、接地板24依次连接，跨接电容器12的上极板与第六金属互连层36连接，第六金属互连层36与第四金属互连层34连接，跨接电容器12的下极板与第七金属互连层37连接，第七金属互连层37与第五金属互连层35连接，隔离电阻6跨接在第四金属互连层34与第五金属互连层35之间。

本实施例中，金属芯52采用铜芯，金属连接片54采用铜连接片，隔离电阻6采用薄膜电阻。

本实施例中，隔离电阻6的作用是实现两个第一输出端22与第二输出端23的完全隔离，避免两个输出端口之间的信号串扰；二氧化硅介质层53的作用是实现金属芯52与玻璃基板5的电隔离。

图4为本发明基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的等效电路结构图。其中C₁为接地电容器11，C₂为跨接电容器12，L₁为第一螺线管电感器41，L₂为第二螺线管电感器42，Z_c为隔离电阻6，Z₀为端口阻抗，Port1为输入端21，Port2为第一输出端22，Port3为第二输出端23。

本实施例中，第一螺线管电感器41和第二螺线管电感器42的尺寸均为0.23mm×0.41mm，接地电容器11的尺寸为0.25mm×0.07mm，跨接电容器12的尺寸为0.13mm×0.07mm，隔离电阻6的尺寸为0.5mm×0.5mm，隔离电阻6的阻值为100Ω，端口阻抗的阻值为50Ω。本实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的尺寸仅为0.6×0.7mm²，通带插入损耗为3.1dB，具有尺寸紧凑、功率损耗低优点。

本实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的散射参数图见图5，该结果通过商用全波仿真软件对功分器进行频域特性仿真得到。其中横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示散射参数幅值，单位为dB。从图5中可以看出，在5.05GHz～5.35GHz的频带范围内，输入端口的回波损耗S₁₁幅值小于40dB，输出端口的隔离度S₂₃幅值小于55dB，插入损耗S₂₁幅值大于3.1dB。

本实施例的基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器的输出端口的相位差图见图6，其中横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示输出端口间的不平衡度及相位差，单位为deg(度)。从图6中可以看出两个输出端口的相位差小于0.2度。

Claims (3)

1.一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器，其特征在于包括平行板电容器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和隔离电阻，所述的平行板电容器单元由接地电容器和跨接电容器组成，所述的重新布线层包括输入端、第一输出端、第二输出端、接地板、第一金属互连层、第二金属互连层、第三金属互连层、第四金属互连层、第五金属互连层、第六金属互连层和第七金属互连层，所述的三维螺线管电感器单元包括第一螺线管电感器和第二螺线管电感器，所述的第一螺线管电感器和所述的第二螺线管电感器均包括玻璃基板和垂直排列在所述的玻璃基板内的多个垂直设置的玻璃通孔，每个所述的玻璃通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的二氧化硅介质层，多个所述的玻璃通孔的金属芯分别穿透所述的玻璃基板并经多片金属连接片依次首尾连接串联为一体；

所述的接地电容器的上极板与所述的第一金属互连层连接，所述的第一金属互连层分别与所述的输入端、所述的第二金属互连层和所述的第三金属互连层连接，所述的第二金属互连层与所述的第一螺线管电感器的一端连接，所述的第三金属互连层与所述的第二螺线管电感器的一端连接，所述的接地电容器的下极板接地，所述的第一螺线管电感器的另一端、所述的第四金属互连层、所述的第一输出端、所述的接地板依次连接，所述的第二螺线管电感器的另一端、所述的第五金属互连层、所述的第二输出端、所述的接地板依次连接，所述的跨接电容器的上极板与所述的第六金属互连层连接，所述的第六金属互连层与所述的第四金属互连层连接，所述的跨接电容器的下极板与所述的第七金属互连层连接，所述的第七金属互连层与所述的第五金属互连层连接，所述的隔离电阻跨接在所述的第四金属互连层与所述的第五金属互连层之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器，其特征在于所述的金属芯为铜芯，所述的金属连接片为铜连接片。

3.根据权利要求1所述的一种基于玻璃通孔技术的威尔金森功分器，其特征在于所述的隔离电阻为薄膜电阻。