CN113178671A - 一种太赫兹单片电路过渡结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹单片电路过渡结构，应用于太赫兹单片电路封装技术领域，针对现有技术存在的回波变差，损耗变大的问题，本发明通过将倒置微带线与放大器芯片进行连接，与传统的金丝键合连接形式相比，本发明的倒置微带线结构省去了跳金丝在高频段因寄生效应产生的不利影响，做到了无跳线连接；与倒置共面波导过渡结构相比，本发明的倒置微带线结构减少了需要涂抹导电胶的次数和部位，极大的降低了人工装配难度，同时能够保证与单片电路实现稳定可靠且无失配的连接。

Description

一种太赫兹单片电路过渡结构

技术领域

本发明属于太赫兹单片电路封装技术领域，特别涉及一种太赫兹单片电路过渡结构。

背景技术

频率为100GHz～1THz、波长为3mm～30μm的电磁波称为太赫兹波,在频谱上位于微波与红外光波之间，因而兼有两种波谱的双重特点。与较低频段的微波相比，它们的特点是：1、利用的频谱范围宽，信息容量大。2、易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。3、穿透等离子体的能力强。4、多普勒频移大，测速灵敏度高。亚毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。

单片电路封装技术是片上放大电路与各种模块化设备对接的关键技术，而传统的微波单片电路主要采用金丝或者金带跳线进行封装，然后连接微带-波导过渡探针至波导腔体实现芯片-过渡结构-波导的信号转换，这种跳线连接方式引入的不连续性较大，特别是太赫兹频段，金丝跳线形式的芯片封装技术已经不能保证良好的传输特性，主要表现在高损耗，高反射，并且由于太赫兹芯片尺寸较小，跳线形式的过渡结构无法保证良好的重复性和一致性。面对传统封装技术无法完成良好的信号过渡的问题，目前解决的方法主要有：1.采用片上天线直接向波导结构辐射的方法完成片上信号-导波信号的转换，然而这种方法完成的片上电路装配前完全无法进行片上测试，这对模块的成品率构成了巨大的威胁，并且片上天线对单片工艺有更高更复杂的要求，并不适用于所有工艺线；2.采用倒置共面波导的方式，通过涂抹导电胶实现过渡结构与单片电路之间的连接，并且需要在6处准确涂抹导电胶，但是由于太赫兹单片电路两端的标准射频GSG(地-信号-地)pad尺寸较小(如G波段的pad尺寸为30μm×50μm)，且GSG之间的缝隙也很窄(大约15-20μm)，加之目前装配基本上是人工操作，人工涂抹导电胶很容易产生涂抹位置不准确以及导电胶用量不恰当的问题，从而使得倒置共面波导过渡结构与单片电路稳定连接的误差率很大。同时由于导电胶在高温烘烤凝固的过程中容易发生扩散，引使得单片电路的输入输出端阻抗发生变化，进而造成倒置共面波导过渡结构与单片电路连接失配，主要表现在于回波变差，损耗变大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种太赫兹单片电路过渡结构，通过倒置微带线实现过渡结构与太赫兹单片电路之间的无跳线连接，保证连接匹配可靠的同时极大的降低了人工装配的难度。

本发明采用的技术方案为：一种太赫兹单片电路过渡结构，包括两个倒置微带线结构，输入波导与输出波导分别通过一个倒置微带线结构与单片电路连接；

所述倒置微带线结构包括：介质基片，以及位于介质基片上的E面探针、阻抗匹配线、高阻线、50Ohm倒置微带线、末端金属pad，所述E面探针、高阻线、阻抗匹配线、50Ohm倒置微带线、末端金属pad依次连接。

还包括：输入端减高波导2、输出端减高波导8；记两个倒置微带线结构为：第一倒置微带线结构、第二倒置微带线结构；

输入波导通过输入端减高波导与第一倒置微带线结构连接，所述第一倒置微带线结构的E面探针位于输入端减高波导内，第一倒置微带线结构的末端金属pad通过导电胶与单片电路连接；输出波导通过输出端减高波导与第二倒置微带线结构连接，所述第二倒置微带线结构的E面探针位于输出端减高波导内，第二倒置微带线结构的末端金属pad通过导电胶与单片电路连接。

所述单片电路包括两个S pad，其中一个S pad与第一倒置微带线结构的末端金属pad连接，另一个S pad与第二倒置微带线结构的末端金属pad连接。

第一倒置微带线结构的末端金属pad与第二倒置微带线结构的末端金属pad的尺寸小于单片电路的S pad尺寸。

还包括：输入端屏蔽腔、输出端屏蔽腔；第一倒置微带线结构放置于输入端屏蔽腔中，第二倒置微带线结构放置于输出端屏蔽腔中。

还包括单片电路腔，所述单片电路正放于单片电路腔中。

本发明的有益效果：过渡结构与单片电路之间的连接方式，采用倒置微带线的方式可在实现无跳线与单片电路互连的同时降低人工装配的难度。同时该结构不限于单片电路的尺寸，通过适当改变末端金属pad的尺寸，可以适用于不同频段不同尺寸的单片电路；本发明提出的结构具有无须金丝跳线、保留单片电路在片测试能力、装配难度低等特点，在太赫兹单片电路封装技术中具有良好的应用前景；本发明的结构具备以下优点：

1、与传统的金丝键合连接形式相比，这种倒置微带线结构省去了跳金丝在高频段因寄生效应产生的不利影响，做到了无跳线连接；

2、由于目前倒置过渡结构与单片电路之间通常是通过人工涂抹导电胶进行连接，因而与倒置共面波导过渡结构相比，本发明只需要在倒置微带线与太赫兹单片电路之间两处涂抹导电胶，因此在保证连接匹配可靠的同时极大的降低了人工装配的难度，同时能够保证与单片电路实现稳定可靠且无失配的连接。

附图说明

图1为倒置微带线结构俯视图；

图2为倒置微带线结构应用于无源结构的模型；

图3为图2模型中的50Ohm的石英共面波导传输线；

图4为图2模型的S参数仿真结果；

图5为倒置微带线结构在放大器芯片封装中的应用图示；

图6为单片电路示意图。

附图标记：1为输入波导，2为输入端减高波导，3为倒置微带线结构，4为输入端屏蔽腔，5为单片电路，6为单片电路腔，7为输出端屏蔽腔，8为输出端减高波导，9为输出波导，10为E面探针，11为阻抗匹配线，12为高阻线，13为50Ohm倒置微带线，14为末端金属pad，15为介质基片，16为标准射频GSG(地-信号-地)pad，17为50Ohm的石英共面波导传输线，18为标准射频GSG pad(地-信号-地)16中的S pad，19为50Ohm的石英共面波导传输线的信号线，20为50Ohm的石英共面波导传输线两端的地线。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，本发明的倒置微带线结构包括：由E面探针10、阻抗匹配线11、高阻线12、50Ohm倒置微带线13、末端金属pad14、介质基片15构成；E面探针10、阻抗匹配线11、高阻线12、50Ohm倒置微带线13、末端金属pad14都位于同一介质基片15上。

E面探针10的作用是将信号从波导高效的耦合到平面电路；由于单片电路两端的标准射频GSG(地-信号-地)pad16的阻抗一般为50Ohm，因此阻抗匹配线11、高阻线12的作用在于将E面探针10的输入阻抗匹配到50Ohm的倒置微带线13；末端金属pad14作为与单片电路S pad18连接的部分，其宽度最好小于S pad18的宽度，长度最好不覆盖S pad18的末端，其目的在于尽量降低因导电胶的扩散而影响单片电路的输入输出端阻抗，同时降低人工装配难度。

本领域技术人员应知单片电路两端的标准射频GSG(地-信号-地)pad16，包括三个pad，分别为两侧的G pad与中间的S pad，其中G pad用于表示地pad，S pad用于表示信号pad。

本实施例对倒置微带线结构在太赫兹单片电路中的过渡性能进行验证：

如图2所示为倒置微带线结构在无源结构中的应用，如图3所示为50Ohm的石英共面波导传输线，包括中间的信号线19与两端的地线20，倒置微带线结构通过导电胶与50Ohm的石英共面波导传输线17的信号线19相连，如图4所示为图2在HFSS中的S参数图示，S21表示无源结构的插入损耗，S11、S22分别是两个端口的回波损耗，在110-170GHz内，回波损耗优于17.5dB，大部分频段优于20dB，插入损耗在0.5dB以内，仿真结果表明，倒置微带线结构不仅损耗较小，且工作带宽较宽，过渡性能优良。

图5为倒置微带线结构在单片电路中的设计，与倒置共面波导不同之处在于该结构只需与单片电路两端的S pad18相连即可实现信号的顺利传输，从而极大的降低了人工装配的难度。具体包括：输入波导1、输入端减高波导2、输出端减高波导8、倒置微带线结构3、输入端屏蔽腔4、输出端屏蔽腔7、单片电路5、单片电路腔6、输出波导9；

倒置微带线结构3的E面探针10位于减高波导2或7中，其末端金属pad14位于单片电路腔6中；

如图6所示，单片电路5两端含有标准射频GSG(地-信号-地)pad16，倒置微带线结构3包含的末端金属pad14与标准射频GSG(地-信号-地)pad16中的S pad18相连。

倒置微带线结构3固定于屏蔽腔4/7内，单片电路5正放固定于单片电路腔6内。

波导尺寸由单元电路5的工作频率决定，如单元电路5工作于220GHz，则波导尺寸为1.092mm×0.546mm，末端金属pad14的尺寸由单元电路5的尺寸决定。

本发明采用的倒置微带线可在实现无跳线与单片电路5互连的同时降低人工装配的难度。同时该结构不限于单片电路5的尺寸，通过适当改变末端金属pad14的尺寸，可以适用于不同频段不同尺寸的单片电路5。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，包括两个倒置微带线结构，输入波导与输出波导分别通过一个倒置微带线结构与单片电路连接；

所述倒置微带线结构包括：介质基片，以及位于介质基片上的E面探针、阻抗匹配线、高阻线、倒置微带线、末端金属pad，所述E面探针、高阻线、阻抗匹配线、倒置微带线、末端金属pad依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，还包括：输入端减高波导2、输出端减高波导8；记两个倒置微带线结构为：第一倒置微带线结构、第二倒置微带线结构；

输入波导通过输入端减高波导与第一倒置微带线结构连接，所述第一倒置微带线结构的E面探针位于输入端减高波导内，第一倒置微带线结构的末端金属pad通过导电胶与单片电路连接；输出波导通过输出端减高波导与第二倒置微带线结构连接，所述第二倒置微带线结构的E面探针位于输出端减高波导内，第二倒置微带线结构的末端金属pad通过导电胶与单片电路连接。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，所述单片电路包括两个S pad，其中一个S pad与第一倒置微带线结构的末端金属pad连接，另一个S pad与第二倒置微带线结构的末端金属pad连接。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，第一倒置微带线结构的末端金属pad与第二倒置微带线结构的末端金属pad的尺寸小于单片电路的S pad尺寸。

5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，还包括：输入端屏蔽腔、输出端屏蔽腔；第一倒置微带线结构放置于输入端屏蔽腔中，第二倒置微带线结构放置于输出端屏蔽腔中。

6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，还包括单片电路腔，所述单片电路正放于单片电路腔中。

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