CN109713417B - 电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，包括置于顶层金属层的三个输入输出端口；由顶层金属层和平板电容上层金属层及侧墙形成的三线结构传输线组合形成的两个巴伦结构；巴伦结构包括一加载电容结构；加载电容上极板延伸和顶层传输线和侧墙以及底层金属层形成巴伦三线传输结构；巴伦结构一的中心金属线延伸到结构二的边缘并通过通孔和结构二的电容上极板金属层的延伸部分相连；两个巴伦结构的加载电容上极板金属延伸部分以下的底层金属挖空，用于优化巴伦性能。优点：有效降低太赫兹芯片巴伦结构损耗，显著降低巴伦结构占用面积，提升太赫兹巴伦结构性能，扩展太赫兹射频芯片设计空间，缩小芯片面积，降低成本。

Description

电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构

技术领域

本发明是一种电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，属于太赫兹单片电路技术领域。

背景技术

太赫兹频段包含100 GHz到10THz的广泛频率范围，波长从3毫米到30微米，相比较于微波毫米波频段，其频谱范围更宽，信息容量更大，适用于高速大容量（短距）通信、高质量成像、太赫兹检测、射电天文学和医学方面的诸多应用。单片电路中的巴伦（balun）结构是关键的平衡信号-不平衡信号转换结构，广泛的应用在差分放大器、倍频器、混频器等单片电路的设计中。传统巴伦结构在太赫兹单片电路的应用中面临结构尺寸过大，成本高，损耗大，隔离差等诸多问题。

传统巴伦结构往往采用四分之一波长甚至二分之一波长的传输结构组合形成，太赫兹频段下单片电路的损耗和电路体积直接相关，传统的巴伦结构占据大量空间，将导致过大的太赫兹传输衰减直接影响单片电路的性能，同时也增加了芯片成本。另外由于太赫兹频段信号的波长非常短，若电路尺寸较大，则会导致更多的电路内的电磁场耦合，进一步劣化单片电路的性能。

发明内容

本发明提出的是一种电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其目的在于针对现有技术中巴伦结构在太赫兹单片电路的应用中存在的结构尺寸过大，成本高，损耗大，隔离差等诸多缺陷，提供一种可以适用于太赫兹单片电路的、具有良好性能的紧凑型平衡信号-不平衡信号转换巴伦（balun）结构。提供一种可以适用于太赫兹单片电路的、具有良好性能的紧凑型平衡信号-不平衡信号转换巴伦（balun）结构。

本发明的技术解决方案：一种电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构包括平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2、B差分信号输出输入端口3、A加载电容4、B加载电容5、A巴伦结构6、B巴伦结构7、侧墙通孔连接结构和底层金属9；

其中，平衡信号输入输出端口1、B差分信号输出输入端口3连接A加载电容4，A差分信号输出输入端口2连接B加载电容5，A加载电容4、B加载电容5设于底层金属9上，平衡信号输入输出端口1、B差分信号输出输入端口3连接A巴伦结构6，A差分信号输出输入端口2连接B巴伦结构7，A加载电容4连接A巴伦结构6，B加载电容5连接B巴伦结构7，A巴伦结构6和B巴伦结构7通过顶层中心金属61及其下的通孔83连接，侧墙通孔连接结构在平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2、B差分信号输出输入端口3、A巴伦结构6、B巴伦结构7和A加载电容4、B加载电容5间起到垂直方向互联作用；平衡信号输入输出端口1输入平衡信号时，A差分信号输出输入端口2和B差分信号输出输入端口3输出差分信号，当A差分信号输出输入端口2和B差分信号输出输入端口3输入差分信号时，平衡信号输入输出端口1输出平衡信号，实现平衡信号-不平衡信号转换的功能。

本发明的有益效果：

（1）本申请的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构可以应用在太赫兹频段单片电路中，同时也可以应用在毫米波频段。

（2）本申请的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构采用紧凑设计，电容加载结构和多层金属布线侧墙隔离技术有效的减小了巴伦体积，保持良好隔离度和相位关系的同时降低了电路损耗。

（3）本申请的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构带宽大，差分信号相位差稳定精确。

（4）本申请的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构体积微小，有效降低单片电路成本。

附图说明

附图1是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的单片电路基本层结构示意图。

附图2是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的倒置形式单片电路基本层结构示意图。

附图3是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的结构俯视图。

附图4是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的结构三维结构示意图。

附图5是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构侧墙（通孔）示意图。

附图6是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的输入端口之后的顶层传输线与电容极板连接示意图。

附图7是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的三线传输结构切面图。

附图8是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的顶层金属结构图。

附图9是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的侧墙排布示意图。

附图10是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的底层金属示意图。

附图11是电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构的输出端口排布方式示意。

图中1是平衡信号输入输出端口、2和3是差分信号输出输入端口、4和5是加载电容、6和7是巴伦结构、9是底层金属、21、22、31和32是差分信号输入输出端口、41和51是加载电容上极板、61是巴伦结构中心传输线、81和82是巴伦结构侧墙、83是巴伦结构中心传输线通孔、91是底层金属挖空部分。

具体实施方式

一种电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构包括平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2、B差分信号输出输入端口3、A加载电容4、B加载电容5、A巴伦结构6、B巴伦结构7、侧墙通孔连接结构和底层金属9；

其中，平衡信号输入输出端口1、B差分信号输出输入端口3连接A加载电容4，A差分信号输出输入端口2连接B加载电容5，A加载电容4、B加载电容5设于底层金属9上平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2、B差分信号输出输入端口3分别和A巴伦结构6、B巴伦结构7连接，A加载电容4连接A巴伦结构6，B加载电容5连接B巴伦结构7，A巴伦结构6和B巴伦结构7通过顶层中心金属61及其下的通孔83连接，侧墙通孔连接结构在平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2、B差分信号输出输入端口3、A巴伦结构6、B巴伦结构7和A加载电容4、B加载电容5间起到垂直方向互联作用；平衡信号输入输出端口1输入平衡信号时，A差分信号输出输入端口2和B差分信号输出输入端口3输出差分信号，当A差分信号输出输入端口2和B差分信号输出输入端口3输入差分信号时，平衡信号输入输出端口1输出平衡信号，实现平衡信号-不平衡信号转换的功能。

所述巴伦结构适用于太赫兹单片集成电路，平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2、B差分信号输出输入端口3、A加载电容4、B加载电容5、A巴伦结构6、B巴伦结构7、侧墙通孔连接结构和底层金属9的实现为平面电路层叠形式，其结构从上至下依次分为顶层金属层、两种通孔、低损耗薄膜介质层、上极板金属层、电容介质层、底层金属层和衬底层；其中，平衡信号输入输出端口1、A差分信号输出输入端口2和B差分信号输出输入端口3置于顶层金属层；由顶层金属层和平板电容上层金属层及侧墙通孔连接结构形成的三线结构传输线组合形成两个巴伦主体结构；巴伦结构分别包括一个加载电容结构；加载电容的上极板延伸和顶层传输线和侧墙通孔连接结构以及底层金属层形成巴伦三线传输结构；一个巴伦结构的中心金属线延伸到另一个巴伦结构的边缘并且通过侧墙通孔连接结构和另一个巴伦结构的电容上极板金属层的延伸部分相连；巴伦结构的加载电容上极板金属延伸部分以下的底层金属挖空，用于优化巴伦性能。

所述巴伦结构6、7结构为三线传输线形式，每个传输线结构的长度都小于所在频段的四分之一传输线波长，包括顶层中心金属61，A侧墙81、B侧墙82、A加载电容上极板41、B加载电容上极板51和底层金属9；其中，顶层中心金属61一端A在巴伦结构6中，另一端在B巴伦结构7的侧面通过连接通孔83和电容上极板金属51相连。

所述加载电容极板，底层金属和通孔侧墙都是中心对称结构，其中；A加载电容上极板41、B加载电容上极板51呈现T字型，其一端和底层金属9形成金属-介质-金属薄膜电容，另一端和顶层中心金属传输线61、A差分信号输出输入端口2或B差分信号输出输入端口3、A侧墙81或B侧墙82以及底层金属9形成三线传输结构。

所述A巴伦结构6、B巴伦结构7分别通过A侧墙81、B侧墙82和A加载电容4、B加载电容5相连，形成电容加载巴伦结构。

所述A加载电容4、B加载电容5为金属-介质-金属电容结构，两组加载电容的上极板金属呈现两个T字形，T字形电容上极板一端为MIM电容结构，另一端设于底层金属9挖空处上方。

所述巴伦结构采用密集通孔结构垂直连接各金属层，同时起到侧墙屏蔽作用。

所述巴伦结构的倒置布线方式的层结构由上到下依次为传输线顶层金属层、电容介质层、电容极板金属层、传输线低损耗薄膜介质层、底层金属层、单片电路衬底层。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如图1所示，本发明的亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构适用于采用太赫兹低损耗薄膜介质的单片电路工艺。由上至下的层结构依次是：顶层金属层；通孔1和2；低损耗薄膜介质层（实施例采用苯并环丁烯材料，介质层总厚度5um）；金属-介质-金属薄膜电容（MIM电容）的上极板金属层；电容介质层；底层金属层和衬底层。同样适用的倒置形式的层结构如图2所示，由上至下的层结构依次是：顶层金属层；电容介质层；电容下极板金属层；低损耗薄膜介质层；通孔1和2；底层金属层和衬底层。

如图3和图4所示，本发明提供的一种亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，包括位于顶层金属层的平衡信号输入输出端口1，差分信号输入输出端口2，3和底层金属9形成薄膜微带线传输结构，输入输出端口2和3也位于顶层金属层，并且和底层金属层9形成薄膜微带线传输结构，加载电容上极板41和51呈现T字型，分别一端和底层金属9形成金属-介质-金属薄膜电容，另一端（位于底层金属9挖空部分91上方）和顶层中心金属61和输入输出端口2和3的顶层金属和侧墙（通孔）和底层金属9（有挖空）形成三线传输结构，构成巴伦结构6和7。巴伦结构6和巴伦结构7通过顶层中心金属61及其下的通孔83相连接，底层金属9的挖空部分91的作用是降低巴伦结构6和7的三线传输结构的传输损耗。巴伦结构6和7的传输线长度均小于所在频段的四分之一波长，加载电容的面积影响巴伦结构的中心带宽和巴伦结构的电长度，当输入输出端口1输入平衡信号时，输入输出端口2和3将输出差分信号；当输入输出端口2和3当输入差分信号时，输入输出端口1将输出平衡信号。

如图5所示，侧墙结构81，82由通孔密集排布形成，提高巴伦在电路中的独立性，优化传输线性能。

如图6所示，巴伦结构一6的中心传输线61通过通孔83和加载电容上极板51连接。

如图7所示，为本实施例巴伦结构一6或巴伦结构二7的传输结构切面图，顶层传输线61，加载电容上极板延伸部分41或51与底层金属9共同形成三线传输结构；侧墙结构81，82可以如本实施例所示由多层通孔和金属层叠加形成以实现较长长度的互联，侧墙结构作隔离和提升传输线性能作用，并不影响巴伦相位关系。底层金属9的开窗宽度91大于电容上极板延伸部分的宽度，也起到提升传输线性能的作用。

本实施例的随工艺布线分层结构如图8到图10所示，分别是顶层金属结构图；电容极板金属41，51结构图；侧墙81，82，83结构图10；底层金属9结构图11。

如图11所示，本巴伦结构的基本形式的差分端口最多可以设置4个，巴伦结构一6与巴伦结构二7上的端口互为差分信号，可以分为两组分别使用，组合为21-31、21-32、22-31或22-32，也可以四个端口同时作输出/输入。

实施例1

一种太赫兹单片电路电容加载亚四分之一波长巴伦结构，包括置于顶层金属层的一个输入和两个输出端口；由顶层金属层和平板电容上层金属层及侧墙（通孔）结构形成的三线结构传输线组合形成的两个巴伦主体结构一和二；巴伦结构一和二分别包括一个加载电容结构；加载电容的上极板延伸和顶层传输线和侧墙（通孔）结构以及底层金属层形成巴伦三线传输结构；巴伦结构一的中心金属线延伸到结构二的边缘并且通过通孔和结构二的电容上极板金属层的延伸部分（传输线结构）相连；结构一和结构二的加载电容上极板金属延伸部分（形成传输线结构）以下的底层金属挖空，用于优化巴伦性能。

优选地，所述太赫兹单片电路电容加载亚四分之一波长巴伦结构由上到下依次布置有传输线顶层金属层、传输线低损耗薄膜介质层、电容极板金属层、电容介质层、底层金属层、单片电路衬底层；顶层金属层和底层金属层形成薄膜微带线传输结构，输入输出端口采用这种形式；顶层金属和电容极版金属层和底层金属层形成三线传输结构，输入输出端口电压直接加载在三线传输结构上，平且通过例如高低阻抗匹配形式进行阻抗匹配过渡；电容极板金属延伸和顶层金属和侧墙（通孔）以及底层金属层形成三线结构，顶层金属层和电容金属层形成的双线结构与电容金属层和底层金属层形成的双线结构形成电压串联；倒置布线方式的层结构由上到下依次布置有传输线顶层金属层、电容介质层、电容极板金属层、传输线低损耗薄膜介质层、底层金属层、单片电路衬底层。

优选地，所述巴伦结构由两个基本对称的三线传输线结构组成，每个传输线结构的长度都小于所在频段的四分之一传输线波长。

优选地，所述巴伦结构的两个三线传输线结构都包含加载电容，加载电容可以进一步减少传输线长度。

优选地，所述巴伦结构顶层金属输入端传输线置于巴伦一臂中心，并且延伸至另一臂的边缘，通过金属通孔和电容金属极板延伸部分相连接。

优选地，所述巴伦结构中的加载电容极板，底层金属和通孔侧墙都是中心对称结构，其中加载电容极板呈现T字型，一端和底层金属形成加载电容，另一端延伸和底层金属（部分挖空）以及顶层金属形成主要的巴伦三线传输结构。

优选地，所述巴伦结构输出端口在顶层金属层，从巴伦侧墙之上的顶层金属靠近巴伦中心的位置输出，输出方式多样，可以作一组差分信号输出或者作两组差分信号输出，可以从一侧输出或者两侧输出。

优选地，所述巴伦结构侧墙通孔密集排布（芯片工艺承受范围内），分别联通顶层条形金属和电容极板金属，形成传输线结构，平且屏蔽信号。

Claims (7)

1.一种电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于包括平衡信号输入输出端口（1）、A差分信号输出输入端口（2）、B差分信号输出输入端口（3）、A加载电容（4）、B加载电容（5）、A巴伦结构（6）、B巴伦结构（7）、侧墙通孔连接结构和底层金属（9）；

其中，平衡信号输入输出端口（1）、B差分信号输出输入端口（3）连接A加载电容（4），A差分信号输出输入端口（2）连接B加载电容（5），A加载电容（4）、B加载电容（5）设于底层金属（9）上，平衡信号输入输出端口（1）、B差分信号输出输入端口（3）连接A巴伦结构（6），A差分信号输出输入端口（2）连接B巴伦结构（7），A加载电容（4）连接A巴伦结构（6），B加载电容（5）连接B巴伦结构（7），A巴伦结构（6）和B巴伦结构（7）通过顶层中心金属（61）及其下的巴伦结构中心传输线通孔（83）连接，侧墙通孔连接结构在平衡信号输入输出端口（1）、A差分信号输出输入端口（2）、B差分信号输出输入端口（3）、A巴伦结构（6）、B巴伦结构（7）和A加载电容（4）、B加载电容（5）间起到垂直方向互联作用；平衡信号输入输出端口（1）输入平衡信号时，A差分信号输出输入端口（2）和B差分信号输出输入端口（3）输出差分信号，当A差分信号输出输入端口（2）和B差分信号输出输入端口（3）输入差分信号时，平衡信号输入输出端口（1）输出平衡信号，实现平衡信号-不平衡信号转换的功能；

所述巴伦结构适用于太赫兹单片集成电路，平衡信号输入输出端口（1）、A差分信号输出输入端口（2）、B差分信号输出输入端口（3）、A加载电容（4）、B加载电容（5）、A巴伦结构（6）、B巴伦结构（7）、侧墙通孔连接结构和底层金属（9）的实现为平面电路层叠形式，其结构从上至下依次分为顶层金属层、两种通孔、低损耗薄膜介质层、上极板金属层、电容介质层、底层金属层和衬底层；其中，平衡信号输入输出端口（1）、A差分信号输出输入端口（2）和B差分信号输出输入端口（3）置于顶层金属层；由顶层金属层和平板电容上层金属层及侧墙通孔连接结构形成的三线结构传输线组合形成两个巴伦主体结构；巴伦结构分别包括一个加载电容结构；加载电容的上极板延伸和顶层传输线和侧墙通孔连接结构以及底层金属层形成巴伦三线传输结构；一个巴伦结构的中心金属线延伸到另一个巴伦结构的边缘并且通过侧墙通孔连接结构和另一个巴伦结构的电容上极板金属层的延伸部分相连；巴伦结构的加载电容上极板金属延伸部分以下的底层金属挖空，用于优化巴伦性能。

2.根据权利要求1所述的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于：所述巴伦结构（6、7）结构为三线传输线形式，每个传输线结构的长度都小于所在频段的四分之一传输线波长，包括顶层中心金属（61），A侧墙（81）、B侧墙（82）、A加载电容上极板（41）、B加载电容上极板（51）和底层金属（9）；其中，顶层中心金属（61）一端在A巴伦结构（6）中，另一端在B巴伦结构（7）的侧面通过巴伦结构中心传输线通孔（83）和电容上极板金属（51）相连。

3.根据权利要求1所述的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于所述A加载电容（4）或B加载电容（5）的极板，底层金属和通孔侧墙都是中心对称结构，其中；A加载电容上极板（41）、B加载电容上极板（51）呈现T字型，其一端和底层金属（9）形成金属-介质-金属薄膜电容，另一端和顶层中心金属（61）、A差分信号输出输入端口（2）或B差分信号输出输入端口（3）、A侧墙（81）或B侧墙（82）以及底层金属（9）形成三线传输结构。

4.根据权利要求1所述的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于所述A巴伦结构（6）、B巴伦结构（7）分别通过A侧墙（81）、B侧墙（82）和A加载电容（4）、B加载电容（5）相连，形成电容加载巴伦结构。

5.根据权利要求1所述的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于：所述A加载电容（4）、B加载电容（5）为金属-介质-金属电容结构，两组加载电容的上极板金属呈现T字形，T字形电容上极板（41，51）一端为MIM电容结构，另一端设于底层金属（9）挖空处上方。

6.根据权利要求2所述的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于所述巴伦结构采用密集通孔结构垂直连接各金属层，同时起到侧墙屏蔽作用。

7.根据权利要求2所述的电容加载亚四分之一波长太赫兹单片电路巴伦结构，其特征在于所述巴伦结构的倒置布线方式的层结构由上到下依次为传输线顶层金属层、电容介质层、电容极板金属层、传输线低损耗薄膜介质层、底层金属层、单片电路衬底层。

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