CN109921165A

CN109921165A - 一种集总参数ipd宽带耦合器

Info

Publication number: CN109921165A
Application number: CN201910164040.2A
Authority: CN
Inventors: 管翰林; 程勇; 夏卫鹏
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: CN109921165B

Abstract

本发明涉及一种集总参数IPD宽带耦合器，包括两层基板和一层集成LC宽带耦合器；所述的两层基板是第一层砷化镓介质基板和第二层SiNx介质基板；本发明利用集总参数等效电路的等效λ/4传输线，运用等效矩阵理论求得等效电路中的电感与电容值，充分利用工艺优势有效地减小尺寸；增加分支线数以达到增加带宽的目的；对于中心频率为4.7GHz的实物，其参数优于‑24dB；其参数优于‑40dB，耦合度差为正负0.5dB，尺寸为1mm*1.6mm,本发明具有集成度高、高性价比、小尺寸、低插入损耗、选频性能好、温度稳定性好等优点。

Description

一种集总参数IPD宽带耦合器

技术领域

本发明涉及一种IPD宽带耦合器，属于电子技术领域，尤其涉及一种集总参数IPD宽带耦合器。

背景技术

分支线耦合器，是一种90度或正交混合耦合器，被广泛应用于各个行业。分支线耦合器是无源器件，常用于单天线发射器系统和I/Q(信号分配器/合路器)。随着集成电路逐渐小型化，在中心频率和带宽符合要求的前提下，期望研制出尺寸尽可能小的耦合器。

然而，一方面，传统的分支线耦合器多为分布参数的分支线耦合器，其每条分支线，主线的长度受到了其中心频率的制约，且中心频率越低其尺寸大小越大。理论上，在介电常数为12.9的介质基板上，中心频率4.7GHZ的四分之一波长传输线的实际长度为17.73mm，那么此传统三分支线的耦合器的最小平面尺寸为943.0587mm*mm，这样的尺寸会使整个集成电路的小型化收到限制。

另一方面，传统分布式的分支线耦合器在增大带宽时通常采用增加分支线的数目来实现。这样一来，随着分支线数目的增加，其尺寸也将大幅度增加，非常不利于实现器件或集成电路的小型化。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中的问题，本发明提供一种集总参数IPD宽带耦合器，以实现小型化和宽带化的设计要求。

技术方案：本发明的集总参数IPD宽带耦合器包括接地金属层、衬底、介质层和LC宽带耦合器；所述接地金属层位于衬底下表面且通过衬底中的TGV镓通孔与LC宽带耦合器连接；所述介质层位于衬底上表面；所述LC宽带耦合器分布在三个金属层中，其中第一金属层设置在所述介质层的上表面上方，第二和第三金属层集成在所述介质层中，第三金属层紧贴着衬底的上表面，第二金属层位于第三金属层的上表面上方且紧贴所述介质层的上表面；所述LC宽带耦合器包括8个平面螺旋电感、10个平行板电容和4个GSG(Gnd-Signal-Gnd)端口。

进一步地，所述衬底为砷化镓基板，所述介质层为SiNx基板。

进一步地，所述8个平面螺旋电感按两行四列的矩阵方式排列，第一行为第一至第四平面螺旋电感，第二行为第五至第八平面螺旋电感；所述10个平行板电容分布在两行平面螺旋电感中间，其中第一和第八平行板电容位于第一和第二列之间，第二和第九平行板电容位于第二和第三列之间，第三和第十平行板电容位于第三和第四列之间，第四至第七平行板电容分别位于每一列中相邻两行平面螺旋电感的中点位置上；4个GSG端口对称分布在平面螺旋电感矩阵的最外侧列的两侧。

进一步地，第一平行板电容的上极板分别与第一GSG端口、第一平面螺旋电感的一端和第四平行板电容的上极板连接；第一平行板电容的下极板分别与第二平面螺旋电感的一端、第二平行板电容的上极板和第五平行板电容的上极板连接；第二平行板电容的下极板分别与第三平面螺旋电感的一端、第三平行板电容的下极板、第六平行板电容的上极板连接；第三平行板电容的上极板分别与第四平面螺旋电感的一端、第七平行板电容的上极板和第二GSG端口连接；第八平行板电容的上极板分别与第五平面螺旋电感的一端、第四平行板电容的下极板和第四GSG端口连接；第八电容的下极板分别与第六平面螺旋电感的一端、第五平行板电容的下极板和第九平行板电容的上极板连接；第九电容的下极板分别与第七平面螺旋电感的一端、第六电容的下极板和第十电容的下极板连接；第十平行板电容的上极板分别与第八平面螺旋电感的一端、第七平行板电容的下极板和第三GSG端口连接；第一至第八平面螺旋电感的另一端接地。

进一步地，每一平面螺旋电感包括位于所述第一金属层中的平面螺旋电感本体、位于第二金属层中的互连线，以及位于第三金属层中的接地引脚；所述螺旋电感本体具有内端口和外端口，外端口为接地端且经由所述互连线与所述接地引脚连接，平面螺旋电感本体中每一圈电感背离外端口的一侧留下间隙用于所述内端口的引出，每一圈间隙处由横跨内端口引出线的对应电桥连接。

进一步地，每一平行板电容的上极板和下极板分别分布在所述第一金属层和所述第三金属层，上极板和下极板间通过所述介质层隔开。

进一步地，每一GSG端口包括两个地端口和一个信号口；所述两个地端口和信号口在所述三个金属层中均有分布，地端口和信号口中位于第二金属层的部分用于连接位于第一金属层的部分和位于第三金属层的部分；两个地端口中位于所述第三金属层的部分通过衬底中的金属通孔与所述接地金属层连接。

进一步地，第一至第四GSG端口分别为所述集总参数IPD宽带耦合器的输入端、输出端、耦合端和隔离端。

进一步地，第一、第四、第五和第八平面螺旋电感具有相同的电感值；第二、第三、第六和第七平面螺旋电感具有相同的电感值。

进一步地，第一、第三、第八和第十平行板电容具有相同的电容值；第二和第九平行板电容具有相同的电容值；第四和第七平行板电容具有相同的电容值；第五和第六平行板电容具有相同的电容值。

进一步地，10个电容的厚度可以做到10^-12F/mm²的量级，以达到小型化的要求；8个电感都是八边形平面螺旋电感，且皆为4圈，线宽为6um。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的宽带耦合器中心频率在4.7GHz，频带在4GHz至5.4GHz之间，具有30％的相对带宽，其S₁₁参数优于-24dB,S₄₁优于-40dB，带内不平衡度为±0.5dB，设计尺寸为1mm*1.6mm以内，相对于LTCC等厚膜工艺实现了一个数量级的缩小，具有高性价比、小尺寸、低插入损耗、选频性能好、温度稳定性好等特点，并且可以加工成贴片形式，便于与其他微波组件集成，另外，本发明性价比高，适合量产。

附图说明

图1是本发明集砷化镓IPD工艺侧视结构示意图；

图2是本发明集总参数宽带耦合器俯视结构示意图；

图3是本发明集λ/4枝节传输线集总电路π型等效电路拓扑结构示意图；

图4(a)和4(b)分别是本发明中GSG端口的俯视图和侧视图；

图5是本发明集总参数宽带耦合器实例仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1，本发明集总参数宽带耦合器包括接地金属层、衬底、介质层和LC宽带耦合器。衬底为砷化镓基板，介质层为SiNx基板。接地金属层位于衬底下表面且通过衬底中的TGV镓通孔与LC宽带耦合器连接。介质层位于衬底上表面。LC宽带耦合器分布在三个金属层M1、M2和M3中，第一金属层M1设置在所述介质层的上表面上方，第二金属层M2和第三金属层M3集成在所述介质层中，第三金属层M3紧贴着衬底的上表面，第二金属层M2位于第三金属层M3的上表面上方且紧贴所述介质层的上表面。

其中，金属地的厚度为6um，第一层砷化镓介质基板的厚度为100um，介电常数为12.9，第二层SiNx介质基板的厚度为0.74um，介电常数为6.8，电桥与金属M1层的厚度为3.3um，M2层的厚度为0.24um，此外，金属M1层每边比M2层多2um，金属M3层每边比金属M1层多2um，通孔的高度为100um，每边长30um。可见，本发明的耦合器的平面尺寸仅为2.25mm*mm，为传统分支线耦合器的0.239％，且其尺寸与中心频率的相关性减到最小。这是因为分布参数的耦合器的尺寸是半波长的整数倍，而集总参数模型的尺寸与中心频率无关。因此，当把分布参数的模型转换到集总参数的模型可以使尺寸与中心频率的相关性减到最小

如图2，LC宽带耦合器包括8个平面螺旋电感、10个平行板电容和4个GSG端口。8个平面螺旋电感L1～L8按两行四列的矩阵方式排列，第一行为第一至第四平面螺旋电感L1～L4，第二行为第五至第八平面螺旋电感L5～L8。10个平行板电容C1～C10分布在两行平面螺旋电感中间，其中第一和第八平行板电容C1、C8位于第一和第二列之间，第二和第九平行板电容C2、C9位于第二和第三列之间，第三和第十平行板电容C3、C10位于第三和第四列之间，第四至第七平行板电容C4～C7分别位于每一列中相邻两行平面螺旋电感的中点位置上。4个GSG端口对称分布在平面螺旋电感矩阵的最外侧列的两侧。

LC宽带耦合器中各元件的连接方式为：第一平行板电容C1的上极板分别与第一GSG端口、第一平面螺旋电感L1的一端和第四平行板电容C4的上极板连接；第一平行板电容C1的下极板分别与第二平面螺旋电感L2的一端、第二平行板电容C2的上极板和第五平行板电容C5的上极板连接；第二平行板电容C2的下极板分别与第三平面螺旋电感L3的一端、第三平行板电容C3的下极板、第六平行板电容C6的上极板连接；第三平行板电容C3的上极板分别与第四平面螺旋电感L4的一端、第七平行板电容C7的上极板和第二GSG端口连接；第八平行板电容C8的上极板分别与第五平面螺旋电感L5的一端、第四平行板电容C4的下极板和第四GSG端口连接；第八电容C8的下极板分别与第六平面螺旋电感L6的一端、第五平行板电容C5的下极板和第九平行板电容C9的上极板连接；第九电容C9的下极板分别与第七平面螺旋电感L7的一端、第六电容C6的下极板和第十电容C10的下极板连接；第十平行板电容C10的上极板分别与第八平面螺旋电感L8的一端、第七平行板电容C7的下极板和第三GSG端口连接；第一至第八平面螺旋电感L1～L8的另一端接地。第一至第四GSG端口分别为所述集总参数IPD宽带耦合器的输入端、输出端、耦合端和隔离端。

每一平面螺旋电感包括位于所述第一金属层(M1)中的平面螺旋电感本体、位于第二金属层(M2)中的互连线，以及位于第三金属层(M3)中的接地引脚；所述螺旋电感本体具有内端口和外端口，外端口为接地端且经由所述互连线与所述接地引脚连接，平面螺旋电感本体中每一圈电感背离外端口的一侧留下间隙用于所述内端口的引出，每一圈间隙处由横跨内端口引出线的对应电桥连接。

每一平行板电容的上极板和下极板分别分布在所述第一金属层(M1)和所述第三金属层(M3)，上极板和下极板间通过所述介质层隔开。

如图4(a)和4(b)，每一GSG端口包括两个地端口和一个信号口。两个地端口和信号口在所述三个金属层M1、M2和M3中均有分布，地端口和信号口中位于第二金属层M2的部分用于连接位于第一金属层M1的部分和位于第三金属层M3的部分；两个地端口中位于所述第三金属层M3的部分通过衬底中的金属通孔与接地金属层连接。通过设计GSG端口，可以模拟真实的测试环境，以达到测试和测量的一致性。

由于传统的分支线耦合器的严格对称性，为了达到转换过程的一致性，使集总参数模型与分布参数近似等效。其中，第一、第四、第五和第八平面螺旋电感L1、L4、L5和L8具有相同的电感值。第二、第三、第六和第七平面螺旋电感L2、L3、L6和L7具有相同的电感值。第一、第三、第八和第十平行板电容C1、C3、C8和C10具有相同的电容值。第二和第九平行板电容C2和C9具有相同的电容值；第四和第七平行板电容C4和C7具有相同的电容值。第五和第六平行板电容C5和C6具有相同的电容值。

如图3，本发明是采用电感耦合π型等效电路来实现宽带耦合器，其中用π型等效电路来等效λ/4传输线，通过传输矩阵相等可得：

再根据θ＝90°可得：

Z0为传输线的特性阻抗，w为传输线的中心角频率，L，C为等效网络的电容，电感值。把每根传输线等效为一个pi型等效网络，如图3。而每根传输线的值和与Z0为传输线的特性阻抗，w为传输线的中心角频率有关，用如上公式算出。

如图5，经仿真，该耦合器的中心频率为4.7GHz，频宽为1.4GHz，相对带宽为30％，耦合不平衡度正负0.5dB，S₁₁参数优于-24dB，S₄₁优于-40dB。

上面结合附图对本发明的具体实例做了详细的说明，但是本实用发明不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，包括接地金属层、衬底、介质层和LC宽带耦合器；所述接地金属层位于衬底下表面且通过衬底中的金属通孔与LC宽带耦合器连接；所述介质层位于衬底上表面；所述LC宽带耦合器分布在三个金属层(M1、M2、M3)中，其中第一金属层(M1)设置在所述介质层的上表面上方，第二和第三金属层(M2、M3)集成在所述介质层中，第三金属层(M3)紧贴着衬底的上表面，第二金属层(M2)位于第三金属层(M3)的上表面上方且紧贴所述介质层的上表面；所述LC宽带耦合器包括8个平面螺旋电感、10个平行板电容和4个GSG端口。

2.根据权利要求1所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，所述衬底为砷化镓基板，所述介质层为SiNx基板，所述金属通孔为TGV镓通孔。

3.根据权利要求1所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，所述8个平面螺旋电感按两行四列的矩阵方式排列，第一行为第一至第四平面螺旋电感(L1、L2、L3、L4)，第二行为第五至第八平面螺旋电感(L5、L6、L7、L8)；所述10个平行板电容分布在两行平面螺旋电感中间，其中第一和第八平行板电容(C1、C8)位于第一和第二列之间，第二和第九平行板电容(C2、C9)位于第二和第三列之间，第三和第十平行板电容(C3、C10)位于第三和第四列之间，第四至第七平行板电容(C4、C5、C6、C7)分别位于每一列中相邻两行平面螺旋电感的中点位置上；4个GSG端口对称分布在平面螺旋电感矩阵的最外侧列的两侧。

4.根据权利要求1所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于：

第一平行板电容(C1)的上极板分别与第一GSG端口、第一平面螺旋电感(L1)的一端和第四平行板电容(C4)的上极板连接；

第一平行板电容(C1)的下极板分别与第二平面螺旋电感(L2)的一端、第二平行板电容(C2)的上极板和第五平行板电容(C5)的上极板连接；

第二平行板电容(C2)的下极板分别与第三平面螺旋电感(L3)的一端、第三平行板电容(C3)的下极板、第六平行板电容(C6)的上极板连接；

第三平行板电容(C3)的上极板分别与第四平面螺旋电感(L4)的一端、第七平行板电容(C7)的上极板和第二GSG端口连接；

第八平行板电容(C8)的上极板分别与第五平面螺旋电感(L5)的一端、第四平行板电容(C4)的下极板和第四GSG端口连接；

第八电容(C8)的下极板分别与第六平面螺旋电感(L6)的一端、第五平行板电容(C5)的下极板和第九平行板电容(C9)的上极板连接；

第九电容(C9)的下极板分别与第七平面螺旋电感(L7)的一端、第六电容(C6)的下极板和第十电容(C10)的下极板连接；

第十平行板电容(C10)的上极板分别与第八平面螺旋电感(L8)的一端、第七平行板电容(C7)的下极板和第三GSG端口连接；

第一至第八平面螺旋电感(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8)的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，每一平面螺旋电感包括位于所述第一金属层(M1)中的平面螺旋电感本体、位于第二金属层(M2)中的互连线，以及位于第三金属层(M3)中的接地引脚；所述螺旋电感本体具有内端口和外端口，外端口为接地端且经由所述互连线与所述接地引脚连接，平面螺旋电感本体中每一圈电感背离外端口的一侧留下间隙用于所述内端口的引出，每一圈间隙处由横跨内端口引出线的对应电桥连接。

6.根据权利要求4所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，每一平行板电容的上极板和下极板分别分布在所述第一金属层(M1)和所述第三金属层(M3)，上极板和下极板间通过所述介质层隔开。

7.根据权利要求4所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，每一GSG端口包括两个地端口和一个信号口；所述两个地端口和信号口在所述三个金属层(M1、M2、M3)中均有分布，地端口和信号口中位于第二金属层(M2)的部分用于连接位于第一金属层(M1)的部分和位于第三金属层(M3)的部分；两个地端口中位于所述第三金属层(M3)的部分通过衬底中的金属通孔与所述接地金属层连接。

8.根据权利要求4所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，第一至第四GSG端口分别为所述集总参数IPD宽带耦合器的输入端、输出端、耦合端和隔离端。

9.根据权利要求4所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，

第一、第四、第五和第八平面螺旋电感(L1、L4、L5、L8)具有相同的电感值；第二、第三、第六和第七平面螺旋电感(L2、L3、L6、L7)具有相同的电感值。

10.根据权利要求4所述的集总参数IPD宽带耦合器，其特征在于，第一、第三、第八和第十平行板电容(C1、C3、C8、C10)具有相同的电容值；第二和第九平行板电容(C2、C9)具有相同的电容值；第四和第七平行板电容(C4、C7)具有相同的电容值；第五和第六平行板电容(C5、C6)具有相同的电容值。