CN111989819A - 薄膜表面可安装高频耦合器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种高频耦合器，其配置成用于栅格阵列型表面安装。耦合器包括具有顶表面和底表面的单块基础基板。第一薄膜微带和第二薄膜微带各自设置在单块基础基板的顶表面上。每个微带具有输入端和输出端。至少一个过孔从单块基础基板的顶表面延伸穿过单块基础基板至底表面。过孔与第一微带或第二微带的输入端或输出端中的至少一个电连接。耦合器在约28GHz时的耦合因子大于约‑30dB。

Description

薄膜表面可安装高频耦合器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月6日提交的美国临时专利申请序列号62/639309和于2018年3月13日提交的美国临时专利申请序列号62/642219的申请权益，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
高频无线电信号通信已经逐渐普及。例如，对于提高无线智能手机连接的数据传输速度的需求推动了对高频部件的需求，包括配置成以5G频谱频率运行的那些部件。小型化的趋势也增加了处理这种高频信号的小型无源部件的需求。小型化还增加了适于以5G频谱运行的表面安装的小型无源部件的难度。易于表面安装的紧凑的高频耦合器在本领域中将受到欢迎。
发明内容
根据本发明的一实施例，公开了一种高频表面可安装耦合器。耦合器包括单块基础基板，其具有顶表面、底表面、沿纵向方向的长度和沿与纵向方向垂直的横向方向的宽度。耦合器包括第一薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上。第一微带具有输入端和输出端。耦合器包括第二薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上。第二微带具有输入端和输出端。耦合器包括至少一个过孔，其从单块基础基板的顶表面延伸穿过单块基础基板至底表面。过孔与第一微带或第二微带的输入端或输出端中的至少一个电连接。耦合器在约28GHz时的耦合因子大于约-30dB。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于形成高频表面可安装耦合器的方法。该方法包括形成至少一个通透孔，其从单块基础基板的顶表面延伸至单块基础基板的底表面。该方法包括在单块基础基板的顶表面上沉积第一薄膜微带和第二薄膜微带中的每个。第一和第二薄膜微带中的每个的尺寸和间隔被确定为使得耦合器在约28GHz时的耦合因子大于-30dB。该方法包括在通透孔内沉积导电过孔材料，以形成将第一薄膜微带或第二薄膜微带中的至少一个与单块基础基板的底表面上的接触垫电连接的至少一个过孔。
根据本发明的另一方面，公开了一种高频表面可安装耦合器。耦合器包括单块基础基板，其具有顶表面、底表面、沿纵向方向的长度、沿与纵向方向垂直的横向方向的宽度以及沿与纵向方向和横向方向中的每个垂直的Z方向的厚度。耦合器包括第一薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上。第一微带具有输入端和输出端。第二薄膜微带设置在单块基础基板的顶表面上，第二微带具有输入端和输出端。第一薄膜微带的至少一部分和第二薄膜微带的至少一部分沿着耦合长度在第一方向上彼此平行地延伸，耦合长度在从约0.2mm到约3.8mm的范围内。
根据本发明的另一方面，公开了一种基站电路。该基站电路包括信号源部件和与信号源部件可操作地连接的高频表面可安装耦合器。耦合器包括单块基础基板，其具有顶表面、底表面、沿纵向方向的长度和沿与纵向方向垂直的横向方向的宽度。耦合器包括第一薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上。第一微带具有输入端和输出端。耦合器包括第二薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上。第二微带具有输入端和输出端。至少一个过孔从单块基础基板的顶表面延伸穿过单块基础基板至底表面。过孔与第一微带或第二微带的输入端或输出端中的至少一个电连接。耦合器在约28GHz时的耦合因子大于约-30dB。
附图说明
在本说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开内容，包括其最佳模式，该说明书参考附图，其中：
图1A示出了根据本公开各方面的薄膜耦合器的一实施例的俯视图；
图1B示出了沿着图1A中的截面A-A的截面图；
图2A和2B示出了图1A和1B所示的薄膜耦合器的实施例的透视图；
图3A示出了根据本公开各方面的包括覆盖接地平面的薄膜耦合器的另一实施例的俯视图；
图3B示出了沿图3A的截面A-A的截面图；
图3C示出了图3A和3B所示的薄膜耦合器的实施例的透视图；
图4示出了根据本公开各方面的耦合器的多个实施例的各种表面的示意图；
图5示出了根据本公开各方面的用于制造配置成用于阵列型表面安装的高频耦合器的方法的流程图；
图6A示出了具有传输线和耦合线的耦合器的实施例的简化示意图；以及
图6B表示在从18GHz到32GHz的频率范围上的根据本公开各方面的耦合器的实施例的理论上计算的S-参数。
在整个本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
提供了一种表面可安装耦合器装置，其在高频电路(包括以5G频谱运行的高频电路)中特别有用。5G频谱通常从约20GHz扩展到约30GHz。耦合器通常在两条信号线之间提供耦合而无需直接电接触。示例性用途包括射频(RF)混频器、放大器和调制器。例如，耦合器可用于为RF发送器中的反馈控制环路或放大器输出部分提供耦合。
薄膜耦合器可以形成在一个或多个单块基板上。例如，在一些实施例中，薄膜耦合器可以包括基础基板和覆盖基板。基板可以包括一种或多种合适的陶瓷材料。合适的材料通常是电绝缘的和导热的。例如，在一些实施例中，基板可以包括铝氧土(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)、氮化硼(BN)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、二氧化锆(ZrO2)及其混合物、此类材料的氧化物和/或氮化物或者任何其他合适的陶瓷材料。其他陶瓷材料包括钛酸钡(BaTiO3)、钛酸钙(CaTiO3)、氧化锌(ZnO)、包含低火玻璃的陶瓷及其他玻璃粘结材料。
在一些实施例中，一个或多个基板可以包括蓝宝石或红宝石。蓝宝石和红宝石是刚玉的类型，刚玉是氧化铝(陶瓷材料)的结晶形式，其中含有其他微量元素。包含蓝宝石的基板可提供若干益处，包括优异的电绝缘性、散热性和高温稳定性。另外，由于蓝宝石通常是透明的，因此可以目视检查耦合器的内部特征，从而减少与检查完工部件的质量相关的时间和难度。
耦合器可以包括各种薄膜部件，包括形成在基础基板的顶表面上的一对微带和形成在基础基板的底表面上的基础接地平面。在一些实施例中，耦合器还可以包括设置在覆盖基板的顶表面上的附加薄膜接地平面。覆盖基板可以布置在基础基板的顶表面上。
薄膜部件的厚度可以为约50微米或更小，在一些实施例中为20微米或更小，在一些实施例中为5微米或更小。例如，在一些实施例中，薄膜部件的厚度可以在约0.05微米至约50微米的范围内，在一些实施例中从约0.1微米至约20微米，在一些实施例中从约1微米至约5微米，例如约3微米。
可以使用各种合适的减法、半加法或完全加法过程精确地形成薄膜部件。例如，可以使用物理气相沉积和/或化学沉积。例如，在一些实施例中，可以使用溅射(一种物理气相沉积)来形成薄膜部件。然而，可以使用各种其他合适的过程，例如包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和化学镀。光刻掩模和蚀刻可用于产生所需形状的薄膜部件。可以使用各种合适的蚀刻技术，包括使用反应性气体(例如氧气、氯气、三氯化硼)的等离子体的干法蚀刻和/或湿法蚀刻。
薄膜部件可以由多种合适的导电材料形成。示例材料包括铜、镍、金、锡、铅、钯、银及其合金。然而，可以使用适于薄膜制造的任何导电金属或非金属材料。
过孔可以将基础基板的顶表面上的微带与基础基板的底表面上的接触垫连接。例如，这可以允许薄膜耦合器被表面安装到印刷电路板(PCB)。在一些实施例中，可以通过以下方式形成过孔：激光钻孔通过基础基板，然后用合适的导电材料填充(例如溅射、化学镀)孔的内部表面。在一些实施例中，可以与另一制造步骤的执行同时地填充用于过孔的通孔。例如，可以在形成薄膜部件之前钻出过孔，使得可以同时沉积过孔和薄膜部件。过孔可以由多种合适的材料形成，包括以上参照薄膜部件(例如微带和接地平面)描述的那些材料。
在一些实施例中，一个或多个保护层可以沿着耦合器的外部暴露。例如，可以在耦合器的顶表面和/或底表面上形成保护层。如本文所用，“形成于之上”可以指一层与另一层直接接触。然而，也可以在它们之间形成中间层。另外，当参考底表面使用时，可以相对于部件的外部表面使用“形成于之上”。因此，“形成在底表面上”的层可能比其所形成在的层更靠近部件的外部。
顶部保护层可以形成在基础基板和微带的顶表面上或覆盖基板(如果存在)的顶表面上。底部保护层可以沿着耦合器的底表面暴露，例如形成在基础基板的底表面上。可以使用光刻技术以留下接触垫可以通过其而沉积的开口或窗口的方式形成底部保护层，例如通过电镀。
保护层可以包括聚合材料，比如聚酰亚胺、SiNO、Al2O3、SiO2、Si3N4、苯并环丁烯或玻璃。在这样的实施例中，保护层的厚度可以在约1微米至约300微米的范围内。
薄膜耦合器可配置为表面安装在诸如印刷电路板(PCB)的基础表面上，使得基础基板的底表面与PCB连接。具体地，薄膜耦合器可配置成用于栅格阵列型表面安装。例如，薄膜耦合器可以配置成用于接点栅格阵列(LGA)型安装、球栅阵列(BGA)型安装或任何其他合适类型的栅格阵列型表面安装。
不管具体配置如何，本发明人已经发现，通过选择性地控制薄膜部件和过孔的生产，可以实现高频耦合器，其耦合因子在约28GHz时大于约-30dB并且适用于栅格阵列安装。例如，在一些实施例中，耦合因子可以在约28GHz时大于约-25dB，并在一些实施例中在约28GHz时大于约-20dB，例如19.9dB。
耦合器也可以适于在宽范围的高频上耦合。例如，耦合器在从约18GHz到约32GHz时的耦合因子可以大于约-35dB或更高，在一些实施例中，在从约18GHz到约32GHz时大于约-30dB，在一些实施例中在从约18GHz到约32GHz时大于约-25dB。另外，在一些实施例中，耦合器在从约10GHz到约70GHz时的耦合因子可以大于约-35dB，在一些实施例中在从约10GHz到约70GHz时大于约-30dB，在一些实施例中在从约10GHz到约70GHz时大于约-25dB。
耦合器的其他性能特征可能是期望的，包括回波损耗、插入损耗和隔离因子。例如，耦合器可以具有低回波损耗，这是期望的，因为回波损耗表示被耦合器反射回的信号的一部分。在一些实施例中，回波损耗可以在从约10GHz到约70GHz时小于-15dB，在一些实施例中在从约20GHz到约32GHz时小于约-20dB，在一些实施例中在从约21GHz至约32GHz时小于约-25dB，在一些实施例中在从约22GHz至约32GHz时小于约-30dB。在一些实施例中，回波损耗在约28GHz时可以小于约-35dB。
耦合器可具有接近零的插入损耗，这表明信号通过耦合器的传输线而基本未受影响。插入损耗在从约18GHz到约32GHz时可以大于约-1dB，在一些实施例中，在从约18GHz到约32GHz时大于约-0.75dB，在一些实施例中，在从约18GHz到约32GHz时大于约-0.6dB。在一些实施例中，插入损耗在从约10GHz到约70GHz时可以大于约-1dB，在一些实施例中，在从约10GHz到约70GHz时大于约-0.75dB，在一些实施例中，在从约10GHz到约70GHz时大于约-0.6dB。
耦合器还可以具有在从约18GHz到约32GHz时小于约-25dB的隔离因子，在一些实施例中，在从约18GHz到约32GHz时小于约-30dB。另外，在一些实施例中，耦合器可具有在从约10GHz到约70GHz时小于约-25dB的隔离因子，在一些实施例中，在从约10GHz到约70GHz时小于约-30dB。在一些实施例中，隔离因子在约28GHz时可以小于约-35dB，在一些实施例中，在约28GHz时小于约-40dB，在一些实施例中，在约28GHz时小于约-45dB。
耦合器包括设置在基础基板的顶表面上的一对微带。微带的至少一部分可以沿着耦合长度彼此基本平行地布置。可以选择耦合长度以获得包括耦合因子的耦合器的期望性能特征。不受理论的束缚，当耦合长度等于λ/4或与之成比例(例如是λ/4的倍数)时，通常可以优化耦合器的性能特性，其中λ是耦合器的传播通过基础基板和/或覆盖基板的所需工作频率的波长。微带的耦合长度可以等于λ/4或与之成比例。另外，过孔的长度可以等于λ/4或与之成比例。
通过具有介电常数εr的材料的波长λ可以计算如下：
Figure BDA0002726044790000061
其中C代表真空中的光速，f代表频率。
在一些实施例中，基础基板材料和/或覆盖基板材料的介电常数可以在约0.1至约50的范围内，如根据ASTM D2520-13在25℃的工作温度和28GHz的频率下确定，在一些实施例中为约0.5至约20，在一些实施例中为约1至约20，在一些实施例中为约5至约15，例如约9。
在一些实施例中，耦合长度可在约0.1mm至约3.8mm的范围内，在一些实施例中为约0.2mm至约3mm，在一些实施例中为约0.3mm至约2.8mm，在一些实施例中为约0.3mm至约1.5mm。例如，在一些实施例中，耦合长度可以约等于0.9mm，对应于约28GHz的λ/4和如根据ASTM D2520-13在25℃的工作温度和28GHz的频率下确定的介电常数为约9的介电材料。
微带的平行部分可以由间隙距离间隔开。可以选择间隙距离以获得耦合器的期望性能特征例如(期望阻抗)和实施的特定部件材料。间隙距离的范围可以从约50微米(μm)到约750μm，在一些实施例中为约100μm到约700μm，在一些实施例中为约300μm到约600μm，例如200μm。
微带的宽度也可以在约50μm至约500μm的范围内，在一些实施例中约100μm至约400μm，在一些实施例中为约200μm至约300μm，例如约250μm。
微带可以被一个或多个接地平面屏蔽。接地平面(例如基础接地平面和/或覆盖接地平面)可以基本平行于微带，并且间隔开基板(例如基础基板和/或覆盖基板)的厚度。基板的厚度可以在约50μm至约500μm的范围内，在一些实施例中为约100μm至约400μm，在一些实施例中为约200μm至约300μm，例如约250μm。在一些实施例中，基板的厚度可以选择为近似等于微带的宽度。
过孔还可配置为有助于耦合器的优异耦合特性。过孔可以将微带的相应端部(例如在基础基板的顶表面上)与相应的接触垫(例如在基础基板的底表面上)连接。如上所述，可以形成通过基础基板的过孔。因此，过孔的长度可以等于基础基板的厚度。过孔的长度可以选择为等于λ/4或与之成比例，这可以有助于耦合器的优异耦合特性。
在一些实施例中，耦合器可包括与薄膜微带接触的至少一个粘合层。粘合层可以是或包括适于改善薄膜微带与相邻层(比如基础基板、覆盖基板和/或保护层(例如聚合物层))之间的粘附性的各种材料。作为示例，粘合层可以包括Ta、Cr、TaN、TiW、Ti或TiN中的至少一种。例如，粘合剂层可以是或包括钽(Ta)(例如钽或其氧化物或氮化物)。不受理论的束缚，可以选择粘合层的材料以克服诸如晶格失配和残余应力的现象。
粘合层可具有各种合适的厚度。例如，在一些实施例中，粘合层的厚度可以在约100埃到约1000埃的范围内，在一些实施例中为从约200埃到约800埃，在一些实施例中为从约400埃到约600埃。
耦合器可以具有紧凑的形式。例如，在一些实施例中，耦合器的长度和宽度中的每个可以小于约5.0mm，在一些实施例中小于约3.5mm，在一些实施例中小于约2.5mm。例如，在一些实施例中，耦合器的长度和宽度中的每个可以在约0.5mm至约5mm的范围内，在一些实施例中为从约1mm至约4mm，在一些实施例中为从约2.5mm至约3.5mm。
尽管耦合器的形式紧凑，但在一些实施例中，可以将耦合器配置为用于栅格阵列型安装。例如，过孔可有助于耦合器至PCB的栅格阵列型安装。栅格阵列安装的示例性类型包括球形栅格阵列和接点栅格阵列。例如，在一些实施例中，过孔可以与设置在耦合器的底表面上的相应接触垫电连接。基础接地平面也可以设置在耦合器的底表面上。接触垫和基础接地平面可以在基础基板的底表面上提供电连接，使得可以使用栅格阵列型安装来表面安装耦合器。
网格阵列型安装可提供显著优势。例如，可以更有效地执行将耦合器安装到PCB上，从而降低组装成本。另外，与替代性安装选择相比，可以减少与形成高频表面可安装耦合器相关的制造成本。在一些实施例中，所描述的配置还可保护电触头(例如接触垫和基础接地平面)免于电短路，因为所有电触头可在耦合器下方或在覆盖基板下方被遮盖并受到保护。另外，基础接地平面可以沿着耦合器总面积的很大一部分提供附接。这可能会导致耦合器和PCB之间的物理连接更牢固。
图1A示出了根据本公开各方面的薄膜耦合器100的一实施例的俯视图。图1B示出了沿着图1A中的截面A-A的截面图。薄膜耦合器100可以包括基础基板102和一对微带104。基础基板可以具有顶表面106，并且微带104可以形成在基础基板102的顶表面106上。基础基板102在纵向方向103上还可以具有长度(在图1A中由Ls表示)，在与纵向方向103垂直的横向方向105上具有宽度(在图1A中以Ws表示)。基础基板102在垂直于纵向方向103和横向方向105中的每个的Z方向107上还可以具有厚度(在图1A中由Ts表示)。
微带104中的一个可以用作传输线，而微带104中的另一个可以用作耦合线。微带104的至少一部分可以沿着耦合长度(在图1A中由Lc表示)基本彼此平行地布置。在一些实施例中，耦合长度Lc可以与λ/4成比例，其中λ表示耦合器的期望工作频率。微带104也可以具有宽度(在图1A中由Wm表示)。微带104可以布置成使得在微带104之间形成间隙(在图1A中由Gm表示)。微带104之间的电磁相互作用可以引起信号通过微带104之一(传输线)以感应微带104中的另一个(耦合线)中的信号。
覆盖基板108可以覆盖基础基板102的顶表面106和形成在顶表面106上的微带104中的每个。为了清楚起见，在图1A中省略了覆盖基板108，使得基础基板102的顶表面106可见。然而，覆盖基板108在图1B中可见。覆盖基板108可以通过与其他导电物体接触来保护微带104免受电短路。覆盖基板108可以进一步保护微带104免受磨损或冲击的损害。另外，覆盖基板108可以提供用于标记耦合器100的合适位置，包括例如性能规格/特性、端口标签等。
可以形成从顶表面106穿过基础基板102至底表面110的过孔114。过孔114可以将一对微带104的相应端与形成在基础基板102的底表面110上的接触垫116电连接。例如，每个微带104可以具有与相应过孔114电连接的输入端和输出端。过孔114可以将微带104之一的输入端或输出端电连接到相应的接触垫116，使得接触垫116充当耦合器100的电端口。
尽管在图1A和1B中未示出，应当理解，接触垫116可以配置成用于栅格阵列安装。例如，可以将导电材料设置在接触垫116上，以进行接点栅格阵列或球形栅格阵列型表面安装。导电材料可以包括铜、镍、铝、钯、金、银、铂、铅、锡、这些材料的合金或者适合作为焊料材料的任何其他合适的导电物质。在安装期间，可以将耦合器100布置在期望位置并加热成使得焊料熔化，从而形成与安装表面(例如PCB)的电连接。
可以在基础基板102的底表面110上形成基础接地平面112。这样，基础接地平面112可以与微带104间隔开基础基板102的厚度(在图1A中由Ts表示)。基底接地平面112可以与微带104大致平行。基础基板102的厚度可以选择成对微带104产生期望的屏蔽效果和/或选择成产生耦合器100的期望的响应特性。
基础接地平面112可以在纵向方向103(或横向方向105)上位于过孔114之间，使得接触垫116是基础接地平面112的相邻拐角。另外，在一些实施例中，基础接地平面112可以基本延伸基础基板102的所有长度或宽度。例如，基础接地平面112的尺寸可以确定为使得接地平面112可以在接触垫116之间延伸而不直接接触接触垫116。例如，在一些实施例中，接地平面112可以基本延伸到基础基板102的底表面110的边缘。这可以提供可将耦合器100表面安装的更大表面，从而提供机械上更坚固的附接。
图2A和2B示出了以上参照图1A和1B描述的薄膜耦合器的实施例的透视图。为了清楚起见，省略了覆盖基板108。为了清楚起见，仅示出了基础基板102的底表面。
图3A示出了根据本公开各方面的包括覆盖接地平面118的薄膜耦合器100的另一实施例的俯视图。为了清楚起见，省略了覆盖基板108。图3B示出了沿图3A的截面A-A的截面图。图3C示出了为了清楚起见省略了覆盖基板108的透视图。仅示出了基础基板102的底表面110。
耦合器100通常可以如以上参考图1A、1B、2A和2B所述地配置。另外，耦合器100可以包括覆盖接地平面118，其可以形成在覆盖基板108的顶表面120上。覆盖基板108可以在Z方向107上具有厚度(在图3B中表示为Tcover)。这样，覆盖接地平面118可以在Z方向107上与微带104间隔开覆盖基板108的厚度。覆盖接地平面118可以与微带104和/或基础接地平面112大致平行。覆盖基板108的厚度可以选择成对微带104产生期望的屏蔽效果和/或选择成产生耦合器100的期望的响应特性。
覆盖接地平面118可以各种方式与基础接地平面112电连接。例如，在一些实施例中，一个或多个接地过孔122可以延伸穿过基础基板102和覆盖基板108，并且将覆盖接地平面118与基础接地平面112电连接。例如，一对接地过孔122可以对称地布置在微带104的任一侧。在其他实施例中，单个接地过孔122可以将覆盖接地平面118与基础接地平面112电连接。
然而，在其他实施例中，覆盖接地平面118可以通过侧壁连接、城堡型连接或任何其他合适类型的电连接而电连接至基础接地平面112和/或基础基板102的底表面110。例如，可以形成从覆盖接地平面118延伸到基础接地平面112或基础基板102的底表面110的侧壁连接。可以通过溅射或任何其他合适的沉积技术在沿Z方向107延伸的基础基板102和/或覆盖基板108的表面上形成侧壁连接。作为另一示例，可以通过在沿切割线切割基板102、108之前沿切割线在基板102、108中钻孔来形成城堡型连接，以形成单独的耦合器100。可以使用溅射或任何其他合适的沉积技术在所得的城堡形表面上形成导电层。
覆盖接地平面112可以提供多个优点。例如，覆盖接地平面112可以提供微带104的附加电磁屏蔽。例如，这可以减少来自环境无线电波的电磁干扰量。
应当理解，基于公开的实施例，附加的组合和变型是可能的。例如，耦合器可以部分地配置成用于栅格阵列型安装。例如，单个过孔或一对过孔可以将微带的一端或两端与基础基板的底表面上的相应接触垫连接。微带的另一端可以使用任何其他合适的方式进行电连接，包括导电城堡、焊锡丝等。
图4示出了根据本公开各方面的耦合器的多个实施例的各种表面的示意图。对于标记为A-H的每个实施例，“PAD1”的阴影部分表示形成基础接地平面和接触垫的基础基板的底表面上的薄膜层。“PAD2”的阴影部分表示形成微带的基础基板的顶表面上的薄膜层。“VIA”示出了过孔在基础基板中的位置。“LGA”的阴影部分示出了在基础接地平面和接触垫上形成的一层导电材料的形状，以利于耦合器的接点栅格阵列型表面安装。
参照图5，本公开的各方面涉及一种用于制造配置成用于阵列型表面安装的高频耦合器的方法200。通常，本文将参考以上参照图1-3描述的薄膜耦合器100来描述方法200。然而，应当理解，所公开的方法200可以用任何合适的薄膜耦合器来实现。另外，为了说明和讨论的目的，尽管图5描绘了以特定顺序执行的步骤，但本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开的本领域技术人员将理解，可以各种方式省略、重新布置、组合和/或改变本文公开的方法的各个步骤，而不背离本公开的范围。
参照图5，在(202)，方法200可以包括形成至少一个通透孔，其从单块基础基板的顶表面延伸到单块基础基板的底表面。例如，可以使用激光钻孔或任何其他合适的方法来形成通孔。另外，应当理解，可以在基础基板片材上形成多个耦合器，可以切割基础基板片材以形成单独的耦合器。
在(204)，该方法可以包括在整块基础基板的顶表面上沉积第一薄膜微带和第二薄膜微带。例如，在一些实施例中，可以使用添加技术(例如溅射、化学镀等)在基础基板上形成具有适当厚度的导电金属层。可以将光刻丝网沉积在导电金属层上。然后可以使用任何合适的蚀刻技术去除铜层的部分以产生用于微带的期望图案。然后可以使用第二蚀刻步骤来去除光刻丝网。可以使用各种合适的蚀刻技术，包括使用反应性气体(例如氧气、氯气、三氯化硼)的等离子体进行的干法蚀刻。
第一和第二薄膜微带中的每个的尺寸和间隔可以设置为提供期望的性能特征。例如，耦合器可以具有在从约18GHz到约32GHz时大于约-30dB的耦合因子和/或具有在约28GHz时大于约-30dB的耦合因子。微带沿其基本彼此平行的耦合长度(在图1A中由Lc表示)的尺寸可被确定为产生期望的特性。例如，在一些实施例中，该长度可以等于约λ/4或λ/8，其中λ表示耦合器的期望工作频率(例如28GHz)，如上所述。
在(206)，该方法可以包括在至少一个通透孔内沉积导电过孔材料，以形成将第一薄膜微带或第二薄膜微带中的至少一个与单块基础基板的底表面上的接触垫电连接的至少一个过孔。例如，在一些实施例中，沉积导电过孔材料可以包括溅射、化学镀或任何其他合适的薄膜沉积过程。在一些实施例中，这可以与在(204)的微带的沉积同时进行。
在一些实施例中，方法200还可以包括在单块基础基板的底表面上形成基础接地平面。在(204)，可以与上述关于形成微带所描述的类似方式来形成基础接地平面。在一些实施例中，可以在可在(204)用于形成微带的上述相同的薄膜形成步骤(例如沉积、光刻、蚀刻)期间形成基础接地平面。在一些实施例中，方法200还可包括，在基础接地平面和/或适于栅格阵列型安装的单块基础基板的底表面上的接触垫上形成导电材料层(例如焊料、锡、铅、金、其合金或任何其他合适的导电材料)。
图6A示出了具有传输线302和耦合线304的耦合器300的实施例的示意图。信号可以在端口1处输入并直接传输至传输线302的端口2。耦合器300在端口3处的耦合线304中产生耦合信号。端口4通常接地。
图6B表示在从18GHz到32GHz的频率范围上根据本公开各方面的耦合器的实施例的理论上计算的S-参数。如本领域中所理解，S-参数用以下形式的下标表示：Sab。下标值a和b表示与S-参数相关的端口号，从而每个S-参数都可以理解为代表由于在端口b处输入的信号而在端口a处产生的信号。如本领域所理解，S-参数通常被称为：
S-参数 名称
S<sub>11</sub> 回波损耗
S<sub>21</sub> 插入损耗
S<sub>31</sub> 耦合因子
S<sub>41</sub> 隔离因子
参考图4B，理论耦合因子S31在从约18GHz到约32GHz时大于约-30dB，在一些实施例中，在从约18GHz到约32GHz时大于约-25dB。在28GHz时的理论耦合因子为-19.84dB，其大于-20dB。
另外，理论回波损耗S11在从约22GHz到约32GHz时小于约-30dB。理论回波损耗S11在从约18GHz到约32GHz时也小于-15dB。通常需要低回波损耗，因为回波损耗代表了反射回源端口(端口1)的信号部分。
插入损耗S21在从约18GHz到约32GHz时大于约-0.75dB。插入损耗接近于零表示信号的幅度由于耦合器而在端口2处基本不受影响。最后，理论隔离因子S41在从约18GHz到约32GHz时小于约-30dB，并且在从约22GHz到约28.5GHz时小于约-45dB。
应用
所公开的耦合器可以在适用于5G频率或相关仪表或设备的基站电路中找到特定的应用。其他应用可以包括智能手机、信号中继器(例如小基站)、中继站、雷达、射频识别(RFID)装置以及采用高频无线电信号的任何其他合适装置。
基站电路可以配置为发送、接收或以其他方式处理5G无线电信号。基站电路可以包括信号源部件，例如射频发射器、接收器或其部件(例如混频器、放大器、调制器等)。耦合器可以与信号源部件可操作地连接。耦合线可用于将耦合信号提供给单独部件(例如用于监视或控制信号源部件)。例如，耦合线可以将耦合信号提供给与射频发射器的放大器相关的反馈控制环。
示例
证明了形成紧凑高频耦合器的能力，该耦合器在约28Ghz时具有大于约-30dB的耦合因子，并且其适用于栅格阵列表面安装。
如本领域中已知，电子设备的外壳尺寸可以表示为四位数代码(例如2520)，其中前两位数字是设备的长度，单位为毫米(或百分之一英寸)，而后两位数字是设备的宽度，单位为毫米(或百分之一英寸)。常见的公制外壳尺寸可能包括2012、1608和0603。
生产3216公制外壳尺寸(1206英制外壳尺寸)耦合器。耦合器(和基础基板)的长度约为3.2毫米(0.125英寸)，宽度约为1.6毫米(0.06英寸)。返回到图1A，耦合长度(由Lc表示)为约1.25mm。在微带之间形成的间隙(在图1A中由Gm表示)为约500微米。微带的宽度(在图1A中由Wm表示)为约254微米。过孔的直径约为300微米。微带和基础接地平面的厚度分别为约3微米。基础基板的厚度为约254微米。
在从27.2GHz至29.8GHz时测量耦合、回波损耗、插入损耗和方向性：
表1：由于3216公制外壳尺寸(1206英制外壳尺寸)耦合器的S-参数
Figure BDA0002726044790000131
Figure BDA0002726044790000141
如表1所示，1206英制外壳尺寸耦合器在28GHz时的耦合因子为-19.84dB，其大于约-30dB。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以实践本发明的这些和其他修改和变化。另外，应当理解，各个实施例的各方面可以全部或部分互换。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并且无意于限制在所附权利要求中进一步描述的本发明。

Claims (25)

1.一种高频表面可安装耦合器，包括：
单块基础基板，其具有顶表面、底表面、沿纵向方向的长度和沿与纵向方向垂直的横向方向的宽度；
第一薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上，该第一微带具有输入端和输出端；
第二薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上，该第二微带具有输入端和输出端；以及
至少一个过孔，其从单块基础基板的顶表面延伸穿过单块基础基板至底表面，该至少一个过孔与第一微带或第二微带的输入端或输出端中的至少一个电连接；
其中，所述耦合器在约28GHz时的耦合因子大于约-30dB。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述耦合器在从约10GHz到约70GHz时的耦合因子大于约-30dB。
3.根据权利要求1所述的耦合器，还包括至少一个接触垫，其设置在所述基础基板的底表面上，所述至少一个接触垫与所述至少一个过孔电连接。
4.根据权利要求1所述的耦合器，还包括基础接地平面，其设置在所述单块基础基板的底表面上。
5.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述基础基板的长度和宽度中的每个小于约7mm。
6.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述耦合器还包括设置在所述基础基板的底表面上的四个接触垫，并且其中，所述至少一个过孔包括：
第一过孔，其将第一薄膜微带的输入端电连接到四个接触垫中的第一接触垫；
第二过孔，其将第一薄膜微带的输出端电连接到四个接触垫中的第二接触垫；
第三过孔，其将第二薄膜微带的输入端电连接到四个接触垫中的第三接触垫；以及
第四过孔，其将第二薄膜微带的输出端电连接到四个接触垫中的第四接触垫。
7.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述耦合器配置成用于栅格阵列型安装。
8.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述基础基板包括陶瓷材料。
9.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述基础基板包括蓝宝石。
10.根据权利要求1所述的耦合器，还包括覆盖基板，其布置在所述基础基板的顶表面上。
11.根据权利要求10所述的耦合器，还包括覆盖接地平面，其布置在所述覆盖基板的顶表面上。
12.根据权利要求10所述的耦合器，其中，所述覆盖接地平面与基础接地平面电连接。
13.根据权利要求12所述的耦合器，其中，所述至少一个过孔包括延伸穿过所述基础基板和覆盖基板中的每个的接地过孔，接地过孔将所述覆盖接地平面与基础接地平面电连接。
14.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述至少一个过孔包括一对过孔，并且其中，所述基础接地平面沿纵向方向或横向方向之一在所述一对过孔之间延伸。
15.根据权利要求1所述的耦合器，还包括沿着所述耦合器的外部暴露的聚合物保护层。
16.根据权利要求1所述的耦合器，还包括与所述第一薄膜微带或第二薄膜微带中的至少一个接触的粘合层。
17.一种用于形成高频表面可安装耦合器的方法，该方法包括：
形成至少一个通透孔，其从单块基础基板的顶表面延伸至单块基础基板的底表面；
在单块基础基板的顶表面上沉积第一薄膜微带和第二薄膜微带，第一和第二薄膜微带中的每个的尺寸和间隔被确定为使得耦合器在约28GHz时的耦合因子大于-30dB；以及
在至少一个通透孔内沉积导电过孔材料，以形成将第一薄膜微带或第二薄膜微带中的至少一个与单块基础基板的底表面上的接触垫电连接的至少一个过孔。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述单块基础基板的底表面上形成基础接地平面。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，形成所述至少一个通透孔包括激光钻出所述至少一个通透孔。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括将覆盖基板布置在所述基础基板的顶表面的顶部上。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括在所述覆盖基板的顶表面上沉积覆盖接地平面。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括形成至少一个接地通透孔，其从所述覆盖基板的顶表面延伸至所述基础基板的底表面。
23.一种高频表面可安装耦合器，包括：
单块基础基板，其具有顶表面、底表面、沿纵向方向的长度、沿与纵向方向垂直的横向方向的宽度以及沿与纵向方向和横向方向中的每个垂直的Z方向的厚度；
第一薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上，该第一微带具有输入端和输出端；
第二薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上，该第二微带具有输入端和输出端；并且
其中，所述第一薄膜微带的至少一部分和第二薄膜微带的至少一部分沿着耦合长度在第一方向上彼此平行地延伸，并且其中，所述耦合长度在从约0.2mm到约3.8mm的范围内。
24.根据权利要求23所述的耦合器，其中，所述第一薄膜微带和第二薄膜微带中的每个在垂直于所述第一方向的第二方向上具有各自的宽度，并且所述第一和第二薄膜微带的宽度中的每个在从约50微米到约500微米的范围内。
25.一种基站电路，包括：
信号源部件；
与信号源部件可操作地连接的高频表面可安装耦合器，该耦合器包括：
单块基础基板，其具有顶表面、底表面、沿纵向方向的长度和沿与纵向方向垂直的横向方向的宽度；
第一薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上，该第一微带具有输入端和输出端；
第二薄膜微带，其设置在单块基础基板的顶表面上，该第二微带具有输入端和输出端；以及
至少一个过孔，其从单块基础基板的顶表面延伸穿过单块基础基板至底表面，该至少一个过孔与第一微带或第二微带的输入端或输出端中的至少一个电连接；
其中，所述耦合器在约28GHz时的耦合因子大于约-30dB。
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