CN111540997B - 集成垂直过渡功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种集成垂直隔离过渡功分器，旨在提供一种结构紧凑、隔离高，损耗低的垂直过渡与功率分配合二为一的功率分配器。本发明通过下述技术方案予以实现：刻蚀在内层地（6）、上表面地（7）之间的两路高阻匹配带状线（10）分别通过两两隔离，沿中心对称的两路“几”字形弯曲的隔离带状线（13）过渡连接两路低阻匹配带状线（11），两路低阻匹配带状线分别通过两路分支口带状线（12）背向级联输入端和输出端的支路端口，隔离带状线的四路耦合带状线分别将背向的两隔离电阻（14）级联。通过阻抗变换来实现多层介质板（1）层间结构的平滑过渡以及功率高效的分配或合成。

Description

集成垂直过渡功分器

技术领域

本发明涉及一种将垂直过渡与功率分配(或合成)合二为一且带有隔离的集成垂直过渡功分器。

技术背景

随着通信行业的快速发展，对微波、毫米波组件的小型化、智能化、多功能化、高集成度的需求越来越高，传统的二维集成电路已经无法满足此需求，三维集成电路应运而生。三维集成电路常常在堆叠的不同平面上进行电路布局，而后将不同平面的电路进行垂直互联。因此，垂直互联是三维集成的一项重要技术，其性能直接影响组件整体性能。与此同时，在许多微波、毫米波系统中需要将功率按一定比例进行分配或合成，因此功分器也有着广泛的应用，其性能的优劣直接影响系统功率分配(或合成)的效率。

功率分配器也称为功分器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。功率分配器按结构分为微带功率分配器及腔体功率分配器；根据能量的分配分为等分功率分配器及不等分功率分配器。根据电路形式可分为微带线、带状线、同轴腔功率分配器。微带线、带状线的功分器设计原理是相同的,只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充,而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。同轴腔功分器优点是承受功率大,插损小,缺点是输出端驻波比大,而且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜,输出端口间有很好的隔离,缺点是插损大,承受功率小。微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同:同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配,到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路,然后对输入端和输出端进行匹配。功率分配器的设计结构与工作频率密切相关，频率范围这是各种射频/微波电路的工作前提，。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。一般地,传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有功率损耗(包括插入损耗、分配损耗和反射损耗)、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。功分器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出,而不应该从其他支路输出,这就要求支路之间有足够的隔离度。如果一个功分器各输出路之间没有隔离,信号就会相互干扰,无法实现功分。承受功率在大功分器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。技术指标分配损耗信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。技术指标输入/输出驻波比指的是输入/输出端口的匹配情况，由于腔体功分器的输出端口不是50欧姆，所有对于腔体功分器没有输出端口的驻波要求，输入端口要求则一般为：1.3～1.4；微带功分器则每个端口都有要求，一般范围为输入：1.2～1.3输出：1.3～1.4。

目前，许多三维集成微波、毫米波系统中同时需要垂直互联以及功率分配与合成。传统地，采用分离式的架构，即先单独进行垂直互联，而后进行平面功率分配与合成，会存在以下两点问题：

1，占用面积较大；单独进行垂直互联、功率分配需要给垂直互联、功率分配单独分配电路空间，且此二者要有一定安全间距，因此其占用面积较大；

2，引入额外损耗；单独进行垂直互联、功率分配需要额外的走线连接垂直互联与功分器，且对于功分器分支口与公共口在一条直线上的情况，需要较长额外的走线才可以实现，因此其引入了额外的损耗。若采用简单的垂直“T”型功分过渡结构，则可以避免上述两个问题，但其无法提供功分器两分支口的隔离度，且其分支口的驻波较差。

发明内容

本发明目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种适用于三维集成电路，具有结构紧凑、隔离高，损耗低的垂直过渡与功率分配(或合成)合二为一的功率分配器。尤其是带隔离的集成垂直过渡功分器，以解决传统方案电路尺寸过大、隔离度低等技术缺陷问题。

本发明的上述目的及优点可以通过以下方案予以实现。一种垂直集成隔离过渡功分器，包括：下表面地5、内层地6、上表面地7，插入多层介质板1的公共口集成同轴2，围绕公共口集成同轴2分布排列的金属化过孔4，通过对称公共口集成同轴2两端金属化过孔4向多层介质板1横向两边延伸的两路高阻匹配带状线10，其特征在于：刻蚀在内层地6、上表面地7之间的两路高阻匹配带状线10分别通过两两隔离，沿中心对称的两路“几”字形弯曲的隔离带状线13过渡连接两路低阻匹配带状线11，两路低阻匹配带状线11分别通过两路分支口带状线12背向级联输入端和输出端的支路端口，隔离带状线13的四路耦合带状线分别将背向的两隔离电阻14级联。通过阻抗变换来实现多层介质板1层间结构的平滑过渡以及功率高效的分配或合成。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

结构紧凑。本发明采用插入多层介质板1的公共口集成同轴2，围绕公共口集成同轴2分布排列的金属化过孔4，通过对称公共口集成同轴2两端金属化过孔4向多层介质板1横向两边延伸的两路高阻匹配带状线10，频宽大、布线面积小，可集成在多层电路板中，适用于三维集成电路；相比分离式架构，即先单独进行垂直互联，而后进行平面功率分配与合成，本发明具有结构紧凑、低损耗等优点。解决了传统架构尺寸过大、损耗低的技术缺陷问题。

隔离高。本发明采用刻蚀在内层地6、上表面地7中间的两路高阻匹配带状线10分别通过两两隔离沿中心对称的两路“几”字形弯曲的隔离带状线13过渡连接两路低阻匹配带状线11，两路低阻匹配带状线11分别通过两路分支口带状线12背向级联输入端和输出端的支路端口，隔离带状线13的四路耦合带状线分别将背向的两隔离电阻14级联。通过阻抗变换实现了由公共口集成同轴2到两路分支口带状线12的垂直功分过渡。隔离电阻14与另一路分支口带状线相连，提供两路分支口的隔离，可为通道间提供隔离，且隔离耐受功率较大，功率衰减较小，插入损耗:≤0.5dB隔离度:≥20dB驻波比:≤1.5，每个端口的电压驻波比小，同时具备垂直过渡功能与功率分配或合成功能。相比简单垂直“T”型功分过渡结构，本发明具有通道间高隔离的优势，且可承受的隔离功率比传统单节威尔金森功分器大。

本发明将垂直过渡与功率分配合二为一且带有隔离的多层电路结构除上述功能外，适用于三维集成电路。

附图说明

图1为本发明垂直集成隔离过渡功分器的三维透视图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的仿真结果示意图。

图中；1为多层电路板，2为公共口集成同轴；3为金属化半盲孔，作为公共口集成同轴2的内导体，4为金属化过孔，5为下表面地；6为内层地，7为上表面地，8为下表面地5中的绝缘环带，9为内层地6中的绝缘环带，10为高阻匹配带状线，11为低阻匹配带状线，12为分支口带状线，13为隔离带状线，14为隔离电阻，

图3中，脚标1代表公共口，脚标2、3代表两路分支口。

具体实施方式

参阅图1和图2。一种垂直集成隔离过渡功分器，包括：下表面地5、内层地6、上表面地7，插入多层介质板1的公共口集成同轴2，围绕公共口集成同轴2分布排列的金属化过孔4，通过对称公共口集成同轴2两端金属化过孔4向多层介质板1横向两边延伸的两路高阻匹配带状线10，其特征在于：刻蚀在内层地6、上表面地7之间的两路高阻匹配带状线10分别通过两两隔离沿中心对称的两路“几”字形弯曲的隔离带状线13过渡连接两路低阻匹配带状线11，两路低阻匹配带状线11分别通过两路分支口带状线12背向级联输入端和输出端的支路端口，隔离带状线13隔离开路的四路耦合带状线分别将背向的两隔离电阻14级联，通过阻抗变换实现了多层介质板1层间结构的平滑过渡以及功率高效的分配或合成。多层电路板1可以是混压印制板，也可以是高、低温共烧陶瓷等可以实现多层电路结构的电路板；公共口集成同轴2通过金属化半盲孔3垂直于多层电路板，相连下表面地5，其中，金属化半盲孔3等效为其内导体，金属化过孔4作为公共口集成同轴2的外导体，且金属化过孔4按圆形轨迹围绕在金属化半盲孔3周围。

公共口集成同轴2与两路分支口带状线12在一条直线上，且整个结构沿中心对称。公共口集成同轴2的特性阻抗可根据具体的应用合理设置；两路分支口带状线12可根据具体的应用合理的设置其特性阻抗；两路低阻匹配带状线11，其特性阻抗要比两路分支口带状线12低，长度为工作频率处的四分之一波长。

两路高阻匹配带状线10，其特性阻抗要比两路分支口带状线12高，长度设置为工作频率处的四分之一波长。

每路高阻匹配带状线10的一端连接低阻匹配带状线11，另一端连接公共口集成同轴2的金属化半盲孔，并且两路高阻匹配带状线10的特性阻抗大于两路分支口带状线12特性阻抗，长度为工作频率处的四分之一波长。

每路低阻匹配带状线11一端连接分支口带状线11，另一端连接高阻匹配带状线，并且两路低阻匹配带状线11的特性阻抗低于两路分支口带状线12特性阻抗，长度为工作频率处的四分之一波长。

四路隔离带状线13的特性阻抗约等于两路分支口带状线12特性阻抗，长度为工作频率处的二分之一波长，并且每路分支口各有上、下对称的两路隔离带状线，且连接在低阻匹配带状线11与高阻匹配带状线的连接处，两路隔离带状线通过隔离电阻14分别与另一路分支口上、下方的隔离带状线相连。

两个隔离电阻14的阻抗大于两路分支口带状线12特性阻抗。

四路隔离带状线，其特性阻抗大约与两路分支口带状线12特性阻抗相等，长度设置为工作频率处的二分之一波长，其形状可根据具体应用合理设置，只需保证在其端点与隔离电阻14相连即可。两隔离电阻14，其阻抗设置为大于两路分支口带状线12的特性阻抗。在内层地6、上表面地7组成带状线的上、下地与，而下表面地5组成整个结构的地；此外，为使信号良好传输，在下表面地5中、内层地6上，公共口集成同轴2处刻蚀绝缘环带，输入信号为中心点，可以用微带地板穿孔或毛纽扣触碰的方法实现,输入端与三个输出端的平面垂直。

上述各走线的具体特性阻抗值以及隔离电阻的具体阻值，可根据具体的输入、输出口阻抗，以及匹配情况通过计算得到。

参阅图3，以22.5GHz为工作中心频点为例，本发明带隔离的集成垂直过渡功分器，具有优良的驻波、传输、隔离特性。仿真曲线观察S参数曲线是否满足指标要求，如果已经达到指标要求，可以进行版图的仿真。版图的仿真是采用有限元法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，22.5±2.5GHz的范围内公共端口驻波特性S11≤-20dB，分支端口2驻波特性S22≤-20dB，分支端口3驻波特性S33≤-20dB，分支端口2传输特性S21≥-3.2dB,分支端口3传输特性S31≥-3.2dB,分支端口2、3间隔离度S23≤-20dB。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和原则下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种集成垂直隔离过渡功分器，包括：下表面地（5）、内层地（6）、上表面地（7），下表面地（5 ）与内层地（6）之间、内层地（6）与上表面地（7 ）之间设置介质层以形成多层介质板（1），插入多层介质板（1）的公共口集成同轴（2），围绕公共口集成同轴（2）分布排列的金属化过孔（4），从公共口集成同轴（2）向多层介质板（1）横向两边延伸的两路高阻匹配带状线（10），其特征在于：刻蚀在内层地（6）、上表面地（7）之间的两路高阻匹配带状线（10）分别通过两两隔离，沿中心对称的两路“几”字形弯曲的隔离带状线（13）过渡连接两路低阻匹配带状线（11），两路低阻匹配带状线（11）分别通过两路分支口带状线（12）背向级联输出端的支路端口，两路“几”字形弯曲的隔离带状线（13）分别将背向的两隔离电阻（14）级联；通过阻抗变换来实现多层介质板（1）层间结构的平滑过渡以及功率高效的分配；高阻匹配带状线（10）的一端连接低阻匹配带状线（11），另一端连接公共口集成同轴（2）的金属化半盲孔，并且每路高阻匹配带状线（10）的特性阻抗大于两路分支口带状线（12）特性阻抗，长度为工作频率处的四分之一波长；金属化半盲孔等效为公共口集成同轴的 内导体， 金属化过孔为公共口集成同轴的外导体，公共口集成同轴为功分器的输入端；在内层地（6）、上表面地（7）组成带状线的下、上地并与下表面地（5）组成整个结构的地；此外，在下表面地（5）中、内层地（6）上，公共口集成同轴（2）处刻蚀绝缘环带，输入信号为中心点用微带地板穿孔的方法或毛纽扣直接触碰的方式实现输入端与两个输出端的平面垂直；两路隔离带状线（13）的特性阻抗约等于两路分支口带状线（12）特性阻抗，长度为工作频率处的二分之一波长，并且每路高阻匹配带状线端部各有上、下对称的两路耦合带状线，且连接在低阻匹配带状线（11）与高阻匹配带状线的连接处，两路耦合带状线通过隔离电阻（14）分别与另一路高阻匹配带状线端部上、下方的耦合带状线相连，所述的两路耦合带状线构成一路“几”字形弯曲的隔离带状线（13）。

2.如权利要求1所述的集成垂直隔离过渡功分器，其特征在于：公共口集成同轴（2）与两路分支口带状线（12）在一条直线上，且整个结构沿中心对称。

3.如权利要求1所述的集成垂直隔离过渡功分器，其特征在于：每路低阻匹配带状线（11）一端连接分支口带状线（12 ），另一端连接高阻匹配带状线，并且两路低阻匹配带状线（11）的特性阻抗低于两路分支口带状线（12）特性阻抗，长度为工作频率处的四分之一波长。

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