CN109831169A - 基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，该结构包括太赫兹放大器芯片、低通滤波器、芯片电容和直流射频板；所述太赫兹放大器芯片的信号输出板与低通滤波器的输出板通过金丝键合连接，所述低通滤波器的输入板与芯片电容的输出端通过金丝键合连接，所述芯片电容的输入端与直流射频板通过金丝键合连接。本发明利用低通滤波器在太赫兹的高阻性质进行片外补偿，有效防止了太赫兹信号的泄露，提高了太赫兹功放模块的增益，具有结构简单、使用方便、便于推广等优点。

Description

基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构

技术领域

本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构。

背景技术

太赫兹(THz)波一般泛指电磁频率处于0.1THz到10THz(即对应波长为3mm到30μm)范围内的电磁波。由于其所处的频谱位置，太赫兹波综合了电子学以及光子学的一些特征，同时又有着它独特的特性。从电磁学角度来看，太赫兹波是微波毫米波的延展，拥有极宽的频带和极高的数据容量，同时在0.1THz到1THz之间分布着多个大气窗口，因此太赫兹波特别适合用于卫星及局域网的宽带无线移动通讯。从光子学的角度看，太赫兹辐射可以以较低的损耗透过各种生物体和材料，同时由于其非电离、光子能量低的特性，太赫兹波对生物体无害，可以用于人体检测、质量控制以及安全检查等。此外，太赫兹波的波长很短，能够实现比微波毫米波频段更高的分辨率，适用于高分辨率成像和精确识别、制导；同时太赫兹信号的波束宽度很窄，难以捕捉和干扰，因此在军事通信的保密以及雷达系统的抗干扰方面也有很大的应用潜力。综上可见太赫兹技术在通信、制造业、医学、国防、反恐等多个领域均具有广阔的应用前景。

但是目前主要制约太赫兹技术发展的瓶颈主要在太赫兹功放芯片的性能达不到要求，其输出功率和增益都较低，而在将芯片进行封装时，其模块性能与在片测试的芯片性能差距较大，如何进行封装，使封装后的模块性能尽量还原芯片性能是一大技术难点。

由于太赫兹频率较高，目前在材料和工艺上都不太成熟，建模的不准确性给设计造成了一定难度，故在设计的偏置电路由于设计的不准确性，不能有效防止射频信号的泄露，不仅使功放芯片的增益降低，射频信号的泄露到直流，也带来了电磁兼容的问题。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，利用低通滤波器在太赫兹频段的带阻效应，对功放芯片进行片外的补偿，防止其射频信号泄露到直流端，增加封装后的功放模块的增益，解决射频信号泄漏到直流端带来的电磁兼容问题。

本发明的技术方案是：一种基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，包括太赫兹放大器芯片、低通滤波器、芯片电容和直流射频板；所述太赫兹放大器芯片的信号输出板与低通滤波器的输出板通过金丝键合连接，所述低通滤波器的输入板与芯片电容的输出端通过金丝键合连接，所述芯片电容的输入端与直流射频板通过金丝键合连接。

进一步地，所述低通滤波器具体为微带谐振单元结构，其介质基片采用石英基片。

进一步地，所述低通滤波器包括输入板、输出板、及设置于输入板和输出板之间的多个滤波单元。

进一步地，还包括上腔体和下腔体，所述上腔体和下腔体形成电路屏蔽腔将太赫兹放大器芯片、低通滤波器、芯片电容和直流射频板封装在腔体内。

进一步地，所述电路屏蔽腔在对应金丝键合位置进行高度加高处理。

进一步地，所述电路屏蔽腔在对应低通滤波器位置进行高度减高处理。

进一步地，所述低通滤波器的输入板和输出板进行金丝键合部分延伸至加高处理后的电路屏蔽腔内。

进一步地，所述太赫兹放大器芯片两侧的直流板均分别通过金丝键合与低通滤波器连接，每个低通滤波器均分别采用金丝键合方式依次与芯片电容及直流射频板连接。

进一步地，所述直流射频板的介质基片采用复合介质基片。

进一步地，所述太赫兹放大器芯片包括多级太赫兹放大器芯片，各级太赫兹放大器芯片两侧的直流板均分别设置有低通滤波器进行片外补偿。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用低通滤波器在太赫兹的高阻性质进行片外补偿，改善了太赫兹功放芯片由于设计和工艺的不准确性带来的射频信号向直流端泄露，提高了太赫兹功放模块的增益；

(2)本发明不需要在芯片设计上进行改变，只需要单独设计低通滤波器，就可以在封装时进行片外补偿，防止射频信号的泄露；

(3)本发明的低通滤波器采用紧凑的微带谐振单元结构，其大小与芯片相当，不会带来过度增加封装尺寸大小的问题；

(4)本发明利用芯片电容与低通滤波器的搭配使用，低通滤波器防止太赫兹信号的泄露，而芯片电容滤除低频杂波，使电路稳定性增加；

(5)本发明的低通滤波器的部分上腔体屏蔽腔进行了减高，提升了其滤波性能，同时延伸并加大了输入/输出板，使得减高的屏蔽腔并不影响金丝跳线；

(6)本发明可以通过增加低通滤波器数目，可以对多级太赫兹放大器芯片进行片外补偿式防止射频信号泄露；

(7)本发明的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构具有结构简单、使用方便、便于推广等优点。

附图说明

图1是本发明的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构示意图；

图2是本发明实施例中太赫兹放大器芯片结构剖面示意图；

图3是本发明实施例中低通滤波器结构示意图；

图4是本发明实施例中太赫兹放大器芯片结构的HFSS仿真结果示意图。

其中附图标记为：1、太赫兹放大器芯片，2、低通滤波器，21、输入板，22、滤波单元，23、介质基片，3、芯片电容，4、直流射频板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构包括太赫兹放大器芯片1、低通滤波器2、芯片电容3和直流射频板4；所述太赫兹放大器芯片1的信号输出板与低通滤波器2的输出板通过金丝键合连接，所述低通滤波器2的输入板与芯片电容3的输出端通过金丝键合连接，所述芯片电容3的输入端与直流射频板4通过金丝键合连接。

本发明的低通滤波器2具体为微带谐振单元(CompactMicrostfip ResonantCell,CMRC)结构，其大小与芯片相当，不会带来过度增加封装尺寸大小的问题。

低通滤波器2的介质基片23采用石英基片，厚度为50μm，相对介电常数εr＝3.78，从而能够保证低通滤波器2的性能。

如图3所示，低通滤波器2包括输入板21、输出板、及设置于输入板21和输出板之间的多个滤波单元22，滤波单元22由多条平行细线组成，各个滤波单元22之间通过中间的细线横向连接。如图4所示，可以看出太赫兹频段200GHz到250GHz的S21均小于60dB。

与其他需要在微带线上刻蚀不同图案的CMRC结构相比，本发明的直线式微带谐振单元结构的多根平行细线可以增强传输线的分布电感，多根平行细线之间的平行耦合又可以增强传输线的分布电容，从而使该结构具有显著的慢波特性。

本发明利用太赫兹放大器芯片1、低通滤波器2、芯片电容3和直流射频板4构成低通滤波器片外补偿防射频信号泄露电路，太赫兹放大器芯片1、低通滤波器2、芯片电容3和直流射频板4均设置在同一平面上，低通滤波器2要求尽量靠近太赫兹放大器芯片1，而芯片电容3尽量靠近低通滤波器2。

由于芯片电容3在太赫兹频段已经不能防止射频信号的泄露，因此本发明利用低通滤波器2在太赫兹的高阻性质进行片外补偿，改善了太赫兹功放芯片1由于设计和工艺的不准确性带来的射频信号向直流端泄露，提高了太赫兹功放模块的增益；而芯片电容3滤除低频杂波，使电路稳定性增加。

本发明还包括上腔体和下腔体，下腔体中设置有安装太赫兹放大器芯片1、低通滤波器2、芯片电容3和直流射频板4的位置，上腔体封盖在下腔体上；上腔体和下腔体形成电路屏蔽腔将太赫兹放大器芯片1、低通滤波器2、芯片电容3和直流射频板4封装在腔体内，如图2所示。

上腔体在太赫兹放大器芯片1、低通滤波器2、芯片电容3和直流射频板4上方均设置有空腔；特别地，本发明将对应金丝键合位置的上方腔体进行高度加高处理，即增加金丝键合位置的上方屏蔽腔体高度，从而防止金丝拱高；并且还将对应低通滤波器2位置的上方腔体进行高度减高处理，即降低低通滤波器2位置的上方屏蔽腔体高度，从而使得低通滤波器2有更好的滤波性能。

由于低通滤波器2的输入/输出端均通过金丝键合连接，降低低通滤波器2上方屏蔽腔体高度会带来金丝装配的难度，因此本发明将低通滤波器2的输入板21和输出板进行加长加宽处理，使得低通滤波器2的输入板21和输出板进行金丝键合部分延伸至加高处理后的电路屏蔽腔内，从而方便金丝装配。

本发明在太赫兹放大器芯片1两侧的直流板均设置相同的直流偏置电压电路，具体为在太赫兹放大器芯片1两侧的直流板均分别通过金丝键合与对应的一个低通滤波器2连接，每个低通滤波器2再分别采用金丝键合方式依次与芯片电容3及直流射频板4连接，通过分布式参数的滤波器对芯片加电的基极和集电极(栅极和漏极)进行片外补偿，实现防止射频信号向直流端泄露，芯片电容3滤除电源中的杂波。

本发明的直流射频板4的介质基片采用复合介质基片，从而能够降低成本并节约加工时间。

此外，本发明的太赫兹放大器芯片1包括多级太赫兹放大器芯片，各级太赫兹放大器芯片1两侧的直流板均分别设置有低通滤波器2进行片外补偿。在实际应用中，太赫兹的多级加电也可以用多个低通滤波器2对不同级进行片外补偿，防止不同级的射频信号向直流端泄露。

本发明的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构的工作原理为：

在太赫兹放大器芯片1直流加电端分别设置在太赫兹频段具有带阻性质的低通滤波器2，由于低通滤波器2对于直流相当于一段导线，所以直流可以直接加到太赫兹放大器芯片1上对放大器进行偏置，通过腔体输入的射频信号经过太赫兹放大器芯片1放大后从输出波导口输出，由于太赫兹放大器芯片1匹配电路设计和工艺的不准确性，导致射频信号可以通过直流的通路向直流端泄露，增益降低，这时额外补偿的低通滤波器2利用其在太赫兹的带阻效应，让泄露的射频信号到达低通滤波器2后被全反射回去，回到太赫兹放大器芯片1。

太赫兹放大器芯片1具有两个输入/输出板，左边为输入射频信号，右边为输出放大信号，纵向连接直流偏置电压电路，直流通过图1中圆孔从背面直流板加入，通过直流射频板4然后通过金丝到达芯片电容3，然后芯片电容3通过金丝，电压又到达低通滤波器2，低通滤波器2通过金丝与太赫兹放大器芯片1直流输出板相连，偏置电压就加到了太赫兹放大器芯片1上，而泄露的射频的信号从直流输出板沿着金丝向低通滤波器2泄露，但是低通滤波器2在太赫兹频段是带阻的，于是射频信号在低通滤波器2处被反射回来，回到了太赫兹放大器芯片1上；另一侧的直流偏置电压电路原理类似，这里不做赘述。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，包括太赫兹放大器芯片(1)、低通滤波器(2)、芯片电容(3)和直流射频板(4)；所述太赫兹放大器芯片(1)的信号输出板与低通滤波器(2)的输出板通过金丝键合连接，所述低通滤波器(2)的输入板与芯片电容(3)的输出端通过金丝键合连接，所述芯片电容(3)的输入端与直流射频板(4)通过金丝键合连接。

2.如权利要求1所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述低通滤波器(2)具体为微带谐振单元结构，其介质基片(23)采用石英基片。

3.如权利要求2所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述低通滤波器(2)包括输入板(21)、输出板、及设置于输入板(21)和输出板之间的多个滤波单元(22)。

4.如权利要求3所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，还包括上腔体和下腔体，所述上腔体和下腔体形成电路屏蔽腔将太赫兹放大器芯片(1)、低通滤波器(2)、芯片电容(3)和直流射频板(4)封装在腔体内。

5.如权利要求4所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述电路屏蔽腔在对应金丝键合位置进行高度加高处理。

6.如权利要求5所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述电路屏蔽腔在对应低通滤波器(2)位置进行高度减高处理。

7.如权利要求6所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述低通滤波器(2)的输入板(21)和输出板进行金丝键合部分延伸至加高处理后的电路屏蔽腔内。

8.如权利要求7所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述太赫兹放大器芯片(1)两侧的直流板均分别通过金丝键合与低通滤波器(2)连接，每个低通滤波器(2)均分别采用金丝键合方式依次与芯片电容(3)及直流射频板(4)连接。

9.如权利要求8所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述直流射频板(4)的介质基片采用复合介质基片。

10.如权利要求9所述的基于低通滤波器片外补偿的太赫兹放大器芯片结构，其特征在于，所述太赫兹放大器芯片(1)包括多级太赫兹放大器芯片，各级太赫兹放大器芯片两侧的直流板均分别设置有低通滤波器(2)进行片外补偿。