CN110247146B - 一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片，属于微波传输器件领域。该芯片包括基底层介质板以及介质板正面承载的整个功分器电路，介质板的背面设置金属接地面。电路对称设置，包括输入端口，输出端口，接地端口，螺旋电感，MIM电容，薄膜电阻以及传输线。通过选用不同的元器件个数和结构，设计了两种电路形式，实现了超小型化超薄的功率分配器芯片。第一种电路形式实现了宽频带工作，有较小的插入损耗，相位差稳定，波动幅度不大，在较宽的频段内能实现良好的匹配和隔离效果。第二种电路形式大大提升了阻带抑制性能。

Description

一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片

技术领域

本发明属于微波传输器件领域，涉及一种基于薄膜集成无源元件技术(TFIPD)的宽带功率分配器芯片。

背景技术

功率分配器简称功分器，是射频前端与终端中的基本组成部件，它是一个简单的三端口网络，将一路输入信号能量分成两路或多路相等或不相等的能量，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时称之为功率合成器。功分器广泛应用于无线通信系统中的射频模块，如天线的馈电网络，混频器或功率放大器等。

随着现代无线通信系统的迅猛发展，功分器逐渐向着宽频带、低插损和超小型化的趋势发展。在过去几十年里，大量具备各种性能的功分器主要集中于微带线与PCB工艺实现，然而这种类型的功分器通常体积都很庞大，远远不能满足现代无线通信系统超小型化的要求。

因此，各种集成技术蜂拥出现；如低温共烧陶瓷(LTCC)、埋入式无源元件以及薄膜集成无源元件(TFIPD)等。LTCC技术利用陶瓷材料作为基板，尽管可以大幅度缩小元件的空间，但随着层数的增加，制作难度及成本越高。埋入式无源元件技术通常用于数字系统，虽然埋入式印刷电路板技术最为成熟，但产品特性较差，公差无法准确把握。相对比于前两种技术而言，TFIPD技术采用常用的半导体技术制作线路及各种元器件，具有高精度、高重复性、尺寸小、高可靠度及低成本等优点。然而目前对于TFIPD功分器还没有对阻带内的谐波抑制做深入研究，功率分配器的技术依然存在很大的发展空间，现代无线通信系统的发展需要更高性能的功分器。

因此有必要提供一种结构简单，插入损耗小，隔离效果好，有较宽的通带带宽，且具有阻带抑制的超小型化的功分器。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片，在TFIPD技术基础上，通过三层金属螺旋电感器、金属-绝缘层-金属(MIM)电容器以及镍铬合金(NiCr)薄膜电阻，构造了两款三端口功率分配器芯片，达到了宽频带等功率分配传输的技术效果，具有超小型化、低插入损耗、高隔离度、优秀的输入输出回波损耗以及阻带抑制等性能优势。

所述的宽带功率分配器芯片，分别包括基底层介质板以及介质板正面承载的整个功分器电路，介质板的背面设置金属接地面。

所述的电路对称设置，包括：输入端口，输出端口，接地端口，螺旋电感，MIM电容，薄膜电阻以及传输线；

螺旋电感由三层传输线螺旋而成；MIM电容由顶层和底层为金属，中间层为氮化硅绝缘层构成；薄膜电阻由镍铬合金(NiCr)构成。通过选用不同的元器件个数和结构，设计了两种电路形式。

第一种包括：输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一接地端口、第二接地端口、第三接地端口、第四接地端口、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第一MIM电容、第二MIM电容、第一薄膜电阻、第二薄膜电阻、第一传输线和第二传输线。

输入端口通过第二传输线连接第一MIM电容；第一MIM电容共两个，对称设在输入端口的两端，且第二传输线水平延伸到基底层介质板的边缘，两端分别连接第一接地端口和第三接地端口。

在第二传输线上同时连接第一螺旋电感，第一螺旋电感共两个，对称设置，每个由三圈半传输线螺旋而成，且末端与第一MIM电容和第二传输线相连，另一末端通过空气桥引出并与第二螺旋电感和第二MIM电容连接。

第二MIM电容共两个，对称设在第一薄膜电阻的两端，第一薄膜电阻位于对称的第一螺旋电感的中轴线上。且连接第二MIM电容的传输线水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第二接地端口和第四接地端口。

第二螺旋电感共两个，对称设置，每个由一圈半传输线螺旋而成，且末端与第二MIM电容和第一螺旋电感相连，另一末端通过空气桥引出并与第一传输线连接。

第一传输线的中间位置，与第一薄膜电阻对应的位置设有第二薄膜电阻，且第二薄膜电阻位于对称的第二螺旋电感的中轴线上。第一传输线的两端水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第一输出端口和第二输出端口。

进一步输入端口，第一输出端口和第二输出端口由三层金属传输线形成；

进一步第一薄膜电阻两个末端分别通过传输线与第一螺旋电感、第二螺旋电感和第二MIM电容连接。

第二种包括：输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一接地端口、第二接地端口、第三接地端口、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感、第一MIM电容、第二MIM电容、第一薄膜电阻、第二薄膜电阻和传输线。

第一螺旋电感共两个，对称设置，每个由三圈半传输线螺旋而成，且末端分别连接在输入端口两侧，输入端口位于对称的两个第一螺旋电感的中轴线上，同时输入端口两侧通过空气桥引出与第三螺旋电感的末端相连，第一螺旋电感的另一末端通过空气桥引出并与第二螺旋电感和第一MIM电容连接。

第三螺旋电感共两个，对称设置，每个由两圈半传输线螺旋而成，且另一个末端与第二MIM电容连接。

第二MIM电容共两个，对称设置，分别对应两个第三螺旋电感的末端，且两个电容的中间与第一接地端口连接。第一接地端口位于对称的两个第三螺旋电感的中轴线上，与输入端口对应。

第一MIM电容共两个，对称设置在第一薄膜电阻的两端，第一薄膜电阻位于对称的两个第一螺旋电感的中轴线上，与输入端口对应。连接第一MIM电容的传输线水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第二接地端口和第三接地端口。

第二螺旋电感共两个，对称设置，每个由两圈半传输线螺旋而成，另一末端通过空气桥引出并与传输线连接。传输线的中间设有第二薄膜电阻，第二薄膜电阻位于对称的两个第三螺旋电感的中轴线上，与第一薄膜电阻对应。

第二薄膜电阻两个末端通过传输线水平延伸到介质板的边缘，分别连接第一输出端口和第二输出端口。

进一步第一薄膜电阻两个末端分别通过传输线与第一螺旋电感、第二螺旋电感和第一MIM电容连接。

进一步输入端口，第一输出端口和第二输出端口由三层金属传输线形成；

进一步所有的输入端口，输出端口以及接地端口均由金属跳线连接到外部电路，金属跳线近似等效为0.33nH电感。

本发明基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片的优点在于：

1)、本发明两款功分器采用薄膜集成无源元件技术，实现了超小型化超薄的功率分配器芯片。

2)、本发明第一款功分器芯片采用准切比雪夫低通响应构造原理图，实现了宽频带工作，有较小的插入损耗，相位差稳定，波动幅度不大，在较宽的频段内能实现良好的匹配和隔离效果。

3)、本发明第二款功分器芯片采用准椭圆型低通响应构造原理图，相比第一款功分器芯片，大大提升了阻带抑制性能。

附图说明

图1为本发明的第一款基于TFIPD技术宽带功率分配器芯片的三维结构示意图；

图2为本发明的第一款基于TFIPD技术宽带功率分配器芯片的仿真S参数图；

图3为本发明的第二款基于TFIPD技术宽带功率分配器芯片的三维结构示意图；

图4为本发明的第二款基于TFIPD技术宽带功率分配器芯片的仿真S参数图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

本发明提出一种可以实现宽频带内等分功率分配传输的超小型化微波器件芯片，具有结构简单、尺寸超小型化，插入损耗小，隔离效果好和阻带抑制高的特性。具体是一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片，分别包括基底层介质板以及介质板正面承载的整个功分器电路，介质板的背面设置金属接地面。

所述的电路对称设置，包括：输入端口，输出端口，接地端口，螺旋电感，MIM电容，薄膜电阻以及传输线；输入端口，输出端口以及接地端口均由金属跳线连接到外部电路，金属跳线近似等效为0.33nH电感。

螺旋电感由三层金属构成；MIM电容由顶层和底层为金属，中间层为氮化硅绝缘层构成；薄膜电阻由镍铬合金(NiCr)构成。通过选用不同的元器件个数和结构，设计了两种电路形式。

如图1所示，第一种三维结构包括：基底层1-16，输入端口1-1、第一输出端口1-2、第二输出端口1-3、第一接地端口1-4、第二接地端口1-5、第三接地端口1-6、第四接地端口1-7、第一螺旋电感1-8、第二螺旋电感1-9、第一MIM电容1-10、第二MIM电容1-11、第一薄膜电阻1-12、第二薄膜电阻1-13、第一传输线1-14和第二传输线1-15。

第一螺旋电感1-8共两个，对称设置，每个由三圈半传输线螺旋而成，一个末端与第一MIM电容1-10和第二传输线1-15相连，另一末端通过空气桥引出并与第二螺旋电感1-9和第二MIM电容1-11连接。

输入端口1-1通过第二传输线1-15连接第一MIM电容1-10；第一MIM电容1-10共两个，对称设在输入端口1-1的两端，输入端口1-1位于对称的第一螺旋电感1-8的中轴线上。第一MIM电容1-10末端同时与第一螺旋电感1-8和第二传输线1-15连接，且第二传输线1-15水平延伸到基底层介质板1-16的边缘，两端分别连接第一接地端口1-4和第三接地端口1-6。

第二MIM电容1-11共两个，对称设在第一薄膜电阻1-12的两端，第一薄膜电阻1-12位于对称的第一螺旋电感1-8的中轴线上，与输入端口1-1对应。且连接第二MIM电容1-11的传输线水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第二接地端口1-5和第四接地端口1-7。

第二MIM电容1-11末端与第一螺旋电感1-8和第二螺旋电感1-9并联连接；第二螺旋电感1-9共两个，对称设置，每个由一圈半传输线螺旋而成，另一末端通过空气桥引出并与第一传输线1-14连接。

第一传输线1-14的中间位置，与第一薄膜电阻1-12对应的位置设有第二薄膜电阻1-13，且第二薄膜电阻1-13位于对称的第二螺旋电感1-9的中轴线上。第一传输线1-14的两端水平延伸到介质板1-16的边缘，两端分别连接第一输出端口1-2和第二输出端口1-3。

进一步第一薄膜电阻1-12两个末端分别通过传输线与第一螺旋电感1-8、第二螺旋电感1-9和第二MIM电容1-11连接。

进一步输入端口1-1，第一输出端口1-2和第二输出端口1-3由三层金属传输线形成；

第一种三维结构的宽带功率分配器芯片的工作原理如下：

输入信号经输入端口1-1通过对称传输线1-15进入对称的第一螺旋电感1-8，以及对称第一接地端口1-4和第三接地端口1-6相连的第一MIM电容1-10，形成对称的二阶准切比雪夫低通网络；然后进入对称的第二螺旋电感1-9，以及对称第二接地端口1-5和第四接地端口1-7相连的第二MIM电容1-11，形成对称的四阶准切比雪夫低通网络；之后通过传输线1-14到达对称第一输出端1-2和第二输出端口1-3。并且对称第一输出端口1-2和第二输出端口1-3之间信号隔离通过第一薄膜电阻1-12和第二薄膜电阻1-13实现，最终完成整个准切比雪夫低通响应的宽带功率分配器芯片电路。

第二种三维结构如图3所示，包括：第二种三维结构的基底层2-15，输入端口2-1、第一输出端口2-2、第二输出端口2-3、第一接地端口2-4、第二接地端口2-5、第三接地端口2-6、第一螺旋电感2-7、第二螺旋电感2-8、第三螺旋电感2-9、第一MIM电容2-10、第二MIM电容2-11、第一薄膜电阻2-12、第二薄膜电阻2-13和传输线2-14。

第一螺旋电感2-7共两个，对称设置，每个由三圈半传输线螺旋而成，且末端分别连接在输入端口2-1的两侧，输入端口2-1采用八边形结构，位于对称的两个第一螺旋电感2-7的中轴线上，同时输入端口2-两侧通过空气桥引出与第三螺旋电感2-9的一个末端相连，第一螺旋电感2-7的另一末端通过空气桥引出并与第二螺旋电感2-8和第一MIM电容2-10连接。

第三螺旋电感2-9共两个，对称设置，每个由两圈半传输线螺旋而成，且另一个末端与第二MIM电容2-11连接。

第二MIM电容2-11共两个，对称设置，分别对应两个第三螺旋电感2-9的末端，且两个第二MIM电容2-11的中间与第一接地端口2-4连接。第一接地端口2-4位于对称的两个第三螺旋电感2-9的中轴线上，与输入端口2-1对应。

在两个对称的第一螺旋电感2-7的对称中轴线上，与输入端口2-1对应的位置设有第一薄膜电阻2-12，第一薄膜电阻2-12两个末端分别通过传输线与第一螺旋电感2-7、第二螺旋电感2-8和第一MIM电容2-10连接。第一薄膜电阻2-12两个末端通过传输线水平延伸到介质板的边缘，分别连接第二接地端口2-5和第三接地端口2-6。

第一MIM电容2-10共两个，对称设置在第一薄膜电阻2-12的两端。第一MIM电容2-10末端与第一螺旋电感2-7和第二螺旋电感2-8连接。

第二螺旋电感2-8共两个，对称设置，每个由两圈半传输线螺旋而成，且一个末端与第一螺旋电感2-7和第一MIM电容2-10连接，另一末端通过空气桥引出并与传输线2-14连接。

传输线2-14的中间与第一薄膜电阻2-12对应的位置设有第二薄膜电阻2-13，第二薄膜电阻1-13两个末端通过传输线2-14水平延伸到介质板的边缘，分别连接第一输出端口2-2和第二输出端口2-3。

进一步输入端口2-1、第一输出端口2-2和第二输出端口2-3由三层金属传输线形成；

第二种三维结构的宽带功率分配器芯片的工作原理如下：

输入信号经输入端口2-1通过对称传输线进入对称的第一螺旋电感2-7和第三螺旋电感2-9，然后对称第三螺旋电感2-9连接第一接地端口2-4的对称第二MIM电容2-11，产生额外的带外零点，经第一螺旋电感2-7之后进入对称的第一MIM电容2-10，并且连接第二接地端口2-5和第三接地端口2-6，形成对称的二阶准椭圆型低通网络。然后进入对称的第二螺旋电感2-8，形成对称的四阶准椭圆型低通网络，之后通过对称的传输线2-14到达第一输出端口2-2和第二输出端口2-3，并且对称第一输出端口2-2和第二输出端口2-3之间信号隔离通过第一薄膜电阻2-12和第二薄膜电阻2-13实现，最终完成整个准椭圆型低通响应的宽带功率分配器芯片电路。

实施例：

第一种结构中基底层1-16采用砷化镓基板，厚度设置为200um，介电常数设置为12.85，损耗角正切值为0.006。功分器电路设置在基底层1-16的正面，基底层1-16的背面设置有金属接地面。

第一螺旋电感1-8和第二螺旋电感1-9的宽度均为15um，第一螺旋电感1-8的内径是135um，第二螺旋电感1-9的内径是300um，第一MIM电容1-10的长和宽分别是35um和25um，第二MIM电容1-11的长和宽分别是28um和49um，第一薄膜电阻1-12的长和宽分别是100um和10um，第二薄膜电阻1-13的长和宽分别是95um和10um，第一传输线1-14的长和宽分别是230.5um和20um，第二传输线1-15的长和宽分别是147um和36um，输入端口1-1的长和宽相等，均为100um，第一输出端口1-2、第二输出端口1-3、第一接地端口1-4、第二接地端口1-5、第三接地端口1-6和第四接地端口1-7尺寸相同，长和宽分别为132um和100um。

第一种结构的宽带功率分配器芯片，输入端口回波损耗S11、第二输出端口回波损耗S22、第二输出和第三输出端口之间的隔离度S23、第二输出端口到输入端口的插入损耗S21的仿真S参数图，如图2所示可知，输入端口和第二输出端口的回波损耗S11和S22在2.09-5.15GHz工作频带内均优于15dB。通频带内的第二输出和第三输出端口之间的隔离度S23优于11.6dB，第二输出端口到输入端口的插入损耗S21低于0.4dB。

第二种结构中基底层2-15为砷化镓基板，厚度设置为200um，介电常数设置为12.85，损耗角正切值为0.006。功分器电路设置在基底层2-15的正面，基底层2-15的背面设置有金属接地面。

第一螺旋电感2-7、第二螺旋电感2-8和第三螺旋电感2-9的宽度均为15um，第一螺旋电感2-7的内径是148um，第二螺旋电感2-8的内径是160um，第三螺旋电感2-9的内径是240um，第一MIM电容2-10的长和宽分别是35um和44um，第二MIM电容2-11的长和宽分别是15um和22um，第一薄膜电阻2-12的长和宽分别是110um和10um，第二薄膜电阻2-13的长和宽分别是90um和10um，传输线2-14的长和宽分别是265um和20um，输入端口2-1是一个八边形，边长依次为100um、57um、70um，第一输出端口2-2、第二输出端口2-3、第一接地端口2-4、第二接地端口2-5和第三接地端口2-6尺寸相同，长和宽均为100um。

第二种结构的宽带功率分配器芯片，输入端口回波损耗S11、第二输出端口回波损耗S22、第二输出和第三输出端口之间的隔离度S23、第二输出端口到输入端口的插入损耗S21的仿真S参数图，如图4所示，可知，输入端口和第二输出端口的回波损耗S11和S22在2.48-5.0GHz工作频带内分别优于17.3dB和11.4dB。通频带内的第二输出和第三输出端口之间的隔离度S23优于15.0dB，第二输出端口到输入端口的插入损耗S21低于0.9dB，6GHz以上阻带抑制优于20dB。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片，其特征在于，分别包括基底层介质板以及介质板正面承载的整个功分器电路，介质板的背面设置金属接地面；

所述的电路对称设置，包括：输入端口，输出端口，接地端口，螺旋电感，MIM电容，薄膜电阻以及传输线；

通过选用不同的元器件个数和结构，设计了两种电路形式；

第一种包括：输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一接地端口、第二接地端口、第三接地端口、第四接地端口、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第一MIM电容、第二MIM电容、第一薄膜电阻、第二薄膜电阻、第一传输线和第二传输线；

输入端口通过第二传输线连接第一MIM电容；第一MIM电容共两个，对称设在输入端口的两端，且第二传输线水平延伸到基底层介质板的边缘，两端分别连接第一接地端口和第三接地端口；

在第二传输线上同时连接第一螺旋电感，第一螺旋电感共两个，对称设置，每个由三圈半传输线螺旋而成，且末端与第一MIM电容和第二传输线相连，另一末端通过空气桥引出并与第二螺旋电感和第二MIM电容连接；

第二MIM电容共两个，对称设在第一薄膜电阻的两端，第一薄膜电阻位于对称的第一螺旋电感的中轴线上；且连接第二MIM电容的传输线水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第二接地端口和第四接地端口；

第二螺旋电感共两个，对称设置，每个由一圈半传输线螺旋而成，且末端与第二MIM电容和第一螺旋电感相连，另一末端通过空气桥引出并与第一传输线连接；

第一传输线的中间位置，与第一薄膜电阻对应的位置设有第二薄膜电阻，且第二薄膜电阻位于对称的第二螺旋电感的中轴线上；第一传输线的两端水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第一输出端口和第二输出端口；

第二种包括：输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第一接地端口、第二接地端口、第三接地端口、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感、第一MIM电容、第二MIM电容、第一薄膜电阻、第二薄膜电阻和传输线；

第一螺旋电感共两个，对称设置，每个由三圈半传输线螺旋而成，且末端分别连接在输入端口两侧，输入端口位于对称的两个第一螺旋电感的中轴线上，同时输入端口两侧通过空气桥引出与第三螺旋电感的末端相连，第一螺旋电感的另一末端通过空气桥引出并与第二螺旋电感和第一MIM电容连接；

第三螺旋电感共两个，对称设置，每个由两圈半传输线螺旋而成，且另一个末端与第二MIM电容连接；

第二MIM电容共两个，对称设置，分别对应两个第三螺旋电感的末端，且两个电容的中间与第一接地端口连接；第一接地端口位于对称的两个第三螺旋电感的中轴线上，与输入端口对应；

第一MIM电容共两个，对称设置在第一薄膜电阻的两端，第一薄膜电阻位于对称的两个第一螺旋电感的中轴线上，与输入端口对应；连接第一MIM电容的传输线水平延伸到介质板的边缘，两端分别连接第二接地端口和第三接地端口；

第二螺旋电感共两个，对称设置，每个由两圈半传输线螺旋而成，另一末端通过空气桥引出并与传输线连接；传输线的中间设有第二薄膜电阻，第二薄膜电阻位于对称的两个第三螺旋电感的中轴线上，与第一薄膜电阻对应；

第二薄膜电阻两个末端通过传输线水平延伸到介质板的边缘，分别连接第一输出端口和第二输出端口；

所述的螺旋电感由三层传输线螺旋而成；MIM电容由顶层和底层为金属，中间层为氮化硅绝缘层构成；薄膜电阻由镍铬合金构成；

所述的所有输入端口，输出端口以及接地端口均由金属跳线连接到外部电路，金属跳线等效为0.33 nH电感。

2.如权利要求1所述的一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片，其特征在于，所述的两种电路形式中输入端口，第一输出端口和第二输出端口由三层金属传输线形成。

3.如权利要求1所述的一种基于薄膜集成无源元件技术的宽带功率分配器芯片，其特征在于，所述的两种电路形式中第一薄膜电阻两个末端分别通过传输线与两个螺旋电感和MIM电容连接。

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