CN113156375B - 毫米波相控阵t/r组件无源调相芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，工艺要求低，加工难度小，且性能稳定。本发明通过下述技术方案实现：在半导体介质长边两侧设相向对称微带线，每条微带线的自由端都设有对外射频压点和对内射频压点，每个对外射频压点通过微带线与一个对内射频压点相连，并且微带线的外射频压点按线等距平行排列在半导体介质长边的两侧，每条微带线相位路径提供不同的相位数值。接收状态情况下，T/R组件无源调相芯片从外部电路射频接口接收到外部天线的毫米波信号，通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，发射状态情况下，将经过处理的毫米波信号通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，经由外部天线发射。

Description

毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片
技术领域
本发明总体上涉及半导体领域无源器件连接起来构成应用于无源毫米波频段的功能电路，更具体地，涉及一种采用金丝键合更改信号传输相位的毫米波无调相芯片。
技术背景
毫米波为真空波长从0.1～1.0cm的电磁波，其对应的频率范围从30～300GHz。与红外、可见光等频段相比，毫米波具备更好的穿透性，可轻易穿透雪、烟、尘等等，具备极端环境下的全天候工作能力。相比于低频射频频段，毫米波波长更短，可以获得更好的分辨率，其所需的天线尺寸也更小，有利于小型化。随着高速宽带无线通信、汽车辅助驾驶、安检、医学检测等应用领域的快速发展，近年来毫米波在民用领域也得到了广泛的研究和应用。目前，6GHz以下的黄金通信频段，已经很难得到较宽的连续频谱，严重制约了通信产业的发展。毫米波相对于微波频段，毫米波有其自身的特点。相比之下，毫米波兼具了微波和光波两者的综合优点，例如频谱宽、分辨率高、穿透力强、抗干扰能力强、可全天候的工作等等，而且毫米波频段有大量潜在的未被充分利用的频谱资源。首先，毫米波具有更短的工作波长，可以有效减小器件及系统的尺寸；其次，频段宽、传输特性好，毫米波有着丰富的频谱资源，可以胜任未来超高速通信的需求。此外，由于波长短，毫米波用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。对于毫米波雷达而言，有源相控阵天线工作在毫米波频段，是毫米波雷达系统的核心组件。相控阵通过控制天线阵列各个接收通路的相移值，实现了天线波束的电扫描。相比于天线的机械扫描，相控阵摆脱了机械转动部件，在鲁棒性方面有很大提升，同时降低了成本。由于不同接收通路的信号相干叠加，而噪声不相干，具备N个接收通路的相控阵可提高信噪比N倍。对于相控天线阵列而言，相控阵每个天线单元都对应着一个发射或接收通道。这些通道组合起来称为T/R组件。T/R组件是有源相控阵天线的关键部件，很大程度上决定其性能优劣。例如，T/R组件各通道间的幅相一致性则直接影响有源相控阵天线阵面辐射能量的幅相一致性，进而影响有源相控阵天线的角度指向精度以及副瓣等性能。与之相对，射频移相直接在混频器之前的射频信号通路插入移相器，移相器引入的噪声和损耗直接影响信噪比，设计时需对其进行补偿。但本振移相的布局较为复杂，芯片上需要集成多个混频器，同时有射频接收信号和本振信号两个毫米波信号在芯片上传输，时钟布局网络复杂。收发合一的T/R组件包括发射支路、接收支路、射频转换开关、移相器等。每个T/R组件既有发射高功率放大器、滤波器、限幅器，又有低噪声放大器、衰减器、移相器，由此可见，T/R组件具有复杂的电路结构，其一致性问题已成为其关键问题。
目前，解决T/R组件一致性问题的主要办法是对每个通道进行严格地筛选，更换不合格通道的元器件，这种办法会导致T/R组件反复进行器件更换，既增加了成本又导致组件可靠性的下降，还存在在更换器件过程中导致整个T/R组件报废的风险。为实现有源相控阵天线的波束扫描功能，T/R组件各通道本身具备电调移相功能，可以利用此功能解决T/R组件的一致性问题，但这种方法不适合批量化生产的T/R组件，因为不同的T/R组件各通道的相位情况均不相同，意味着不同的T/R组件需要不同的控制程序，这种个体差异化会极大地限制批量化生产。此外，还可以通过增加额外的电调幅相控制芯片对T/R组件通道间的一致性进行提升，但电调幅相控制芯片往往成本较高，且需要额外的供电、控制接口、控制程序，在某些对成本要求较高或T/R组件空间紧张的情况下无法实现。并且频段越高的毫米波雷达芯片，对晶体管的截止频率要求也越高，从而需要更先进的工艺节点，成本也愈加昂贵。频率越高，封装的信号完整性要求越高，封装的成本也越高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种工艺要求小，加工难度不大，性能稳定的毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片。
本发明的上述目的及优点可以通过以下方案予以实现。一种毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，包括：镶嵌在无源调相芯片中的半导体介质1，位于半导体介质1底面的背地2，其特征在于：在半导体介质1长边两侧设有相向对称微带线，每条微带线的自由端都设有对外射频压点3和对内射频压点4，每个对外射频压点3均通过一段微带线与一个对内射频压点4相连，并且微带线的外射频压点3按线等距平行排列在半导体介质1长边的两侧，其中，呈“1”字型的相位路径的中心哑铃微带7、12两边分别对称排列指向芯片中心线,并向半导体介质1两侧宽边延伸的至少两条呈“Z”型微带线，且呈“Z”型微带线以芯片长边中心线为中心左右镜像对称，每条微带线相位路径提供不同的相位数值，第一相位路径Z 型微带线5、10上的对外射频压点3通过金丝键合连接外部电路的射频接口，对内射频压点 4通过金丝键合相互连接，其余相位路径微带线使用时与第一条相位路径微带线5、10的使用相类似，在所有相位路径微带线中，只能同时通过选择一种相位路径通过金丝键合连接外部电路的射频接口工作，接收状态情况下，T/R组件无源调相芯片从外部电路的射频接口接收到外部天线的毫米波信号，通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，发射状态情况下，将经过处理的毫米波信号通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，经由外部天线发射。
本发明相比于现有技术有如下有益效果：
本发明采用镶嵌在无源调相芯片中的半导体介质1，位于半导体介质1底面的背地2，结构紧凑而又性能稳定，芯片为无源芯片，由于背面全部为金属，表面只有简单的微带电路，对工艺要求不高，加工难度不大，因此成本较低。通过每条微带线的自由端都设有对外射频压点3和对内射频压点4，每个对外射频压点3均通过一段微带线与一个对内射频压点4相连，芯片上的传输线与键合线协同配合，实现最小尺寸。并且调整相位数值无需更换元器件且操作简单。调整相位数值通过使用不同的相位路径实现，而使用不同的相位路径，无需更换器件，只需更改金丝键合的方式，因此本发明芯片调整相位数值无需更换元器件、操作简单、无需供电、控制接口、控制程序。
本发明采用呈“1”字型的相位路径的中心哑铃微带线12两边分别对称排列指向芯片中心线,并向半导体介质1两侧宽边延伸的至少两条呈“Z”型微带线，且呈“Z”型微带线以芯片长边中心线为中心左右镜像对称，每条微带线相位路径提供不同的相位数值，每条相位路径中的两条微带线工作时通过金丝相连，不工作时不通过金丝相连，因此当某条相位路径工作时，其余相位路径中均不含有金丝即属于断开状态，不会实现微通路。避免了相位路径间距很近，相互干扰较为严重，相邻的其余相位路径会实现微通路，导致芯片性能不稳定的缺陷。
附图说明
图1是本发明毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片透视图；
图2是图1的线路选择原理示意图；
图中：1为半导体介质；2为背地；3为对外射频压点；4为对内射频压点；5、10为第一相位路径Z型微带线；6、11为第二相位路径Z型微带线；7、12中心哑铃微带线；8、13为第一反向Z相位路径微带线；9、14为第二反向Z相位路径半微带线。
具体实施方式
参阅图1-图2。在以下描述的优选实施例中，一种毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，包括：镶嵌在无源调相芯片中的半导体介质1，位于半导体介质1底面的背地2。在半导体介质1长边两侧设有相向对称微带线，每条微带线的自由端都设有对外射频压点3和对内射频压点4，每个对外射频压点3均通过一段微带线与一个对内射频压点4相连，并且微带线的外射频压点3按线等距平行排列在半导体介质1长边的两侧，其中，呈“1”字型的相位路径的中心哑铃微带7、12两边分别对称排列指向芯片中心线,并向半导体介质1两侧宽边延伸的至少两条呈“Z”型微带线，且呈“Z”型微带线以芯片长边中心线为中心左右镜像对称，每条微带线相位路径提供不同的相位数值，第一相位路径Z型微带线5、10上的对外射频压点3通过金丝键合连接外部电路的射频接口，对内射频压点4通过金丝键合相互连接，其余相位路径微带线使用时与第一条相位路径微带线5、10的使用相类似，在所有相位路径微带线中，只能同时通过选择一种相位路径通过金丝键合连接外部电路的射频接口工作，接收状态情况下，T/R组件无源调相芯片从外部电路的射频接口接收到外部天线的毫米波信号，通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，发射状态情况下，将经过处理的毫米波信号通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，经由外部天线发射。
在可选的实施例中，半导体介质1可以是硅基半导体材料也可以是化合物半导体。
对外射频压点3以及对内射频压点4的大小可根据不同的半导体工艺线灵活选择。
微带线5-14的特性阻抗可根据不同的应用环境设置，长度可根据具体的期望移相数值具体设置。
中心哑铃微带线7、12两边对称了第一相位路径Z型微带线5、10、第二相位路径Z型微带线6、11、第一反向Z相位路径微带线8、13和第二反向Z相位路径半微带线9、14。
第二相位路径Z型微带线6、11的Z型桥接边拐角靠近第一相位路径Z型微带线5、10的Z型桥接边的拐角，同理，第一反向Z相位路径微带线8、13Z型桥接边拐角靠近第二反向Z相位路径半微带线9、14的Z型桥接边的拐角。
参阅图2。外部电路的射频接口通过键合金丝连接中心哑铃微带线7、12对外射频压点且中心哑铃微带线7、12的对内射频压点也通过金丝相连，形成相位路径1，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第二相位路径Z型微带线6、11对外射频压点且第二相位路径Z型微带线6、11的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径2，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第一相位路径Z型微带线5、10对外射频压点且第一相位路径Z型微带线5、 10的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径3，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第一反向相位路径Z型微带线8、13对外射频压点且第一反向相位路径Z型微带线8、13 的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径4，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第二反向相位路径Z型微带线9、14对外射频压点且第二反向相位路径Z型微带线9、14的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径5。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，包括：镶嵌在无源调相芯片中的半导体介质(1)，位于半导体介质(1)底面的背地(2)，其特征在于：在半导体介质(1)长边两侧设有相向对称微带线，每条微带线的自由端都设有对外射频压点(3)和对内射频压点(4)，每个对外射频压点(3)均通过一段微带线与一个对内射频压点(4)相连，并且微带线的对外射频压点(3)按线等距平行排列在半导体介质(1)长边的两侧，其中，呈“1”字型的相位路径的中心哑铃微带线(7、12)两边分别对称排列指向芯片中心线,并向半导体介质(1)两侧宽边延伸的至少两条呈“Z”型微带线，且呈“Z”型微带线以芯片长边中心线为中心左右镜像对称，每条微带线相位路径提供不同的相位数值，第一相位路径Z型微带线(5、10)上的对外射频压点(3)通过金丝键合连接外部电路的射频接口，对内射频压点(4)通过金丝键合相互连接，其余相位路径微带线使用时与第一相位路径Z型微带线(5、10)的使用相同，在所有相位路径微带线中，只能同时通过选择一种相位路径通过金丝键合连接外部电路的射频接口工作，接收状态情况下，T/R组件无源调相芯片从外部电路的射频接口接收到外部天线的毫米波信号，通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，发射状态下，将经过处理的毫米波信号通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，经由外部天线发射；
中心哑铃微带线(7、12)两边对称了第一相位路径Z型微带线(5、10)、第二相位路径Z型微带线(6、11)、第一反向Z相位路径微带线(8、13)和第二反向Z相位路径半微带线(9、14)；
外部电路的射频接口通过键合金丝连接中心哑铃微带线(7、12)对外射频压点且中心哑铃微带线(7、12)的对内射频压点也通过金丝相连，形成相位路径1，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第二相位路径Z型微带线(6、11)对外射频压点且第二相位路径Z型微带线(6、11)的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径2，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第一相位路径Z型微带线(5、10)对外射频压点且第一相位路径Z型微带线(5、10)的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径3，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第一反向Z相位路径微带线(8、13)对外射频压点且第一反向Z相位路径微带线(8、13)的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径4，外部电路的射频接口通过键合金丝连接第二反向Z相位路径半微带线(9、14)对外射频压点且第二反向Z相位路径半微带线(9、14)的对内射频压点也通过金丝相连形成相位路径5。
2.如权利要求1所述的毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，其特征在于：第二相位路径Z型微带线(6、11)的Z型桥接边拐角靠近第一相位路径Z型微带线(5、10)的Z型桥接边的拐角，同理，第一反向Z相位路径微带线(8、13)Z型桥接边拐角靠近第二反向Z相位路径半微带线(9、14)的Z型桥接边的拐角。
3.如权利要求1所述的毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，其特征在于：半导体介质(1)为硅基半导体材料或化合物半导体。
4.如权利要求1所述的毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，其特征在于：对外射频压点(3)以及对内射频压点(4)的大小可根据不同的半导体工艺线灵活选择。
5.如权利要求1所述的毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，其特征在于：微带线(5-14)的特性阻抗可根据不同的应用环境设置，长度可根据具体的期望移相数值具体设置。
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