CN113594658A - 接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构 - Google Patents

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Abstract

一种接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，包括：由上而下依次堆叠设置的第一至第三衬底、设置于第一衬底与第二衬底之间的第一地平面、设置于第三衬底上表面的第二地平面、均匀接地共面波导单元、梯形渐变接地共面波导单元、均匀微带线单元、梯形渐变微带线单元和悬置微带线单元。本发明通过由接地共面波导、微带线、悬置微带线、多段导带等腰梯形渐变结构以及等腰梯形开槽结构的组合，在不增加衬底层数和不附加机械转接结构的情况下，实现了具有较大工作带宽的接地共面波导到悬置微带线的过渡结构，满足三维集成电路中信号宽带、低损耗传输和电路探针测试的需求。

Description

接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构
技术领域
本发明涉及的是一种三维集成电路领域的技术，具体是一种接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构。
背景技术
悬置微带线技术是指对微带线下衬底或基板进行挖空并空气填充的传输结构。由于空气的相对介电常数近似为1，悬置微带线不但可以使介质损耗显著减小，还可以适当增加传输线尺寸，从而降低电路特性对加工容差的灵敏度。在三维集成电路中，悬置微带线通常位于顶层，用于实现高性能的集成无源器件和集成天线。为使用探针进行测试，悬置微带线需要与同样位于顶层的接地共面波导进行连接。在三维集成电路中，接地共面波导单元与悬置微带线单元的结构和尺寸有显著差异，相连接会引入很大的不连续性，影响过渡结构以及整个传输网络的工作带宽。但现有悬置微带线的过渡结构集中于悬置微带线和传统金属波导之间的过渡，而金属波导体积大且需要额外的机械结构与悬置微带线相连，不适用于三维集成电路。
发明内容
本发明针对现有三维集成电路中不同类型传输线的宽带低损耗过渡转接与协同设计的不足，提出一种接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，在不增加衬底层数和不附加机械转接结构的情况下，实现了较大的工作带宽，满足三维集成电路中信号传输和电路探针测试的需求。通过接地共面波导和微带线的多段过渡结构匹配接地共面波导和悬置带状线，为悬置微带线提供了测试与集成条件。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，包括：由上而下依次堆叠设置的第一至第三衬底、设置于第一衬底与第二衬底之间的第一地平面、设置于第三衬底上表面的第二地平面、均匀接地共面波导单元、梯形渐变接地共面波导单元、均匀微带线单元、梯形渐变微带线单元和悬置微带线单元。
所述的悬置微带线单元包括：由上而下依次设置的悬置微带线导带、位于第二衬底对应悬置微带线导带下方的空气腔以及位于第三衬底的上表面的悬置微带线地面。
所述的悬置微带线导带包括：由上而下依次设置的导带上表面金属条、连接上表面和下表面金属条的金属化通孔阵列以及导带下表面金属条。
所述的均匀接地共面波导单元包括：设置于第一衬底的上表面的均匀接地共面波导导带、对称设置于接地共面波导导带两侧的矩形地电极以及设置于第一衬底与第二衬底之间的均匀接地共面波导地面。
所述的梯形渐变接地共面波导单元包括：设置于第一衬底上表面的等腰梯形接地共面波导导带、对称设置于等腰梯形接地共面波导导带两侧的梯形地电极以及设置于第一衬底与第二衬底之间的梯形渐变接地共面波导地面。
所述的矩形地电极与梯形地电极相连为多边形结构，构成接地共面波导两侧地电极。
所述的均匀微带线单元包括：位于第一衬底上表面的均匀微带线导带以及设置于第一衬底与第二衬底之间的均匀微带线地面。
所述的梯形渐变微带线单元包括：位于第一衬底上表面的等腰梯形微带线导带、位于第一衬底与第二衬底之间的等腰梯形开槽结构以及位于第三衬底上表面的梯形渐变微带线地面。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带、梯形渐变接地共面波导单元的等腰梯形接地共面波导导带、均匀微带线单元的均匀微带线导带、梯形渐变微带线单元的等腰梯形微带线导带与悬置微带线单元的悬置微带线导带的导带上表面金属条依次相连。
所述的第一地平面上对应梯形渐变微带线单元的位置设有等腰梯形开槽结构。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导地面、梯形渐变接地共面波导单元的梯形渐变接地共面波导地面与均匀微带线单元的均匀微带线地面依次相连构成第一地平面。
所述的梯形渐变微带线单元的梯形渐变微带线地面与悬置微带线单元的悬置微带线地面依次相连构成第二地平面。
所述的第二地平面与第一地平面通过金属化通孔阵列相连。
技术效果
本发明作为三维集成电路中便于探针测试的接地共面波导与低损耗的悬置微带线之间的宽带过渡结构，实现了三维集成电路中悬置微带线的可测试与集成转接结构。与现有技术相比，本发明显著降低了接地共面波导和悬置微带线间过渡结构的反射系数和插入损耗，具有覆盖微波和毫米波频段的宽频低损耗响应特性。
附图说明
图1为本发明整体结构的三维视图及正视图和侧视图；
图中：a为三维视图、b为正视图、c为侧视图；
图2为本发明的结构分层示意图；
图中：a为第一衬底及其上方金属示意图、b为第一和第二衬底中间的金属示意图、c为第二和第三衬底及两者间的金属地示意图；
图3为本发明用于性能验证的背对背结构的俯视图；
图4为本发明用于性能验证的背对背结构的S11和S12仿真、测试响应对比图。
图中：1第一衬底、2第二衬底、3第三衬底、4均匀接地共面波导导带、5接地共面波导两侧地电极、5-1矩形地电极、5-2梯形地电极、6第一地平面、6-1均匀接地共面波导地面、6-2梯形渐变接地共面波导地面、6-3均匀微带线地面、7金属化通孔阵列、8等腰梯形接地共面波导导带、9均匀微带线导带、10等腰梯形微带线导带、11等腰梯形开槽结构、12悬置微带线导带、12-1导带上表面金属条、12-2导带下表面金属条、12-3连接上表面和下表面金属条的金属化通孔阵列、13空气腔、14第二地平面、14-1梯形渐变微带线地面、14-2悬置微带线地面。
具体实施方式
如图1、图2所示，为本实施例涉及一种接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，包括：由上而下依次堆叠设置的第一至第三衬底1～3，依次设置的均匀接地共面波导单元、梯形渐变接地共面波导单元、均匀微带线单元、梯形渐变微带线单元和悬置微带线单元。
所述的悬置微带线单元包括：由上而下依次设置的悬置微带线导带12、位于第二衬底对应悬置微带线导带12下方的空气腔13以及位于第三衬底3的上表面的悬置微带线地面14-2。
所述的悬置微带线导带12包括：上而下依次设置的导带上表面金属条12-1、连接上表面和下表面金属条的金属化通孔阵列12-3、导带下表面金属条12-2。
所述的均匀接地共面波导单元包括：设置于第一衬底1的上表面的均匀接地共面波导导带4、对称设置于接地共面波导导带4两侧的矩形地电极5-1以及设置于第一衬底1与第二衬底2之间的均匀接地共面波导地面6-1。
所述的梯形渐变接地共面波导单元包括：设置于第一衬底1上表面的等腰梯形接地共面波导导带8、对称设置于等腰梯形接地共面波导导带8两侧的梯形地电极5-2以及设置于第一衬底1与第二衬底2之间的梯形渐变接地共面波导地面6-2。
所述的均匀接地共面波导单元、均匀微带线单元以及悬置微带线单元的特性阻抗均为50Ω标准特性阻抗，用于减小导带宽度变化引起的不连续性。
所述的均匀微带线单元包括：位于第一衬底1上表面的均匀微带线导带9以及设置于第一衬底1与第二衬底2之间的均匀微带线地面6-3。
所述的梯形渐变微带线单元包括：位于第一衬底1上表面的等腰梯形微带线导带10、位于第一衬底1与第二衬底2之间的等腰梯形开槽结构11、位于第三衬底3上表面的梯形渐变微带线地面14-1。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带4、梯形渐变接地共面波导单元的等腰梯形接地共面波导导带8、均匀微带线单元的均匀微带线导带9、梯形渐变微带线单元的等腰梯形微带线导带10与悬置微带线单元的悬置微带线导带12的导带上表面金属条12-1依次相连。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导地面6-1、梯形渐变接地共面波导单元的梯形渐变接地共面波导地面6-2与均匀微带线单元的均匀微带线地面6-3依次相连为设置于第一衬底与第二衬底之间的第一地平面6，所述的第一地平面6上对应梯形渐变微带线单元的位置设有等腰梯形开槽结构11。
所述的梯形渐变微带线单元的梯形渐变微带线地面14-1与悬置微带线单元的悬置微带线地面14-2依次相连为位于第三衬底上表面的第二地平面14，第二地平面14与第一地平面6通过金属化通孔阵列7相连。
所述的均匀接地共面波导单元的矩形地电极5-1与梯形渐变接地共面波导单元的梯形地电极5-2相连为多边形结构，构成接地共面波导两侧地电极5。
如图3所示，为相对设置的一对接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，中间用一段悬置微带线进行连接，通过该结构对接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构进行测试。如图可见，第一到第三衬底1～3厚度各为h，相对介电常数为εr，金属层厚度为t，均匀接地共面波导导带4的宽度为w，等腰梯形接地共面波导导带8的上下底长度分别为w和wc，梯形高度为l1，均匀微带线导带9的宽度为wc，长度为l2，等腰梯形微带线导带10的上下底长度分别为wc和w1，梯形高度为l3；矩形地电极5-1与均匀接地共面波导导带4的间距为a；梯形地电极5-2与等腰梯形接地共面波导导带8的最远间距为ad；等腰梯形开槽结构11的上下底边长分别为w2和w3，梯形高度为l3，w3大于w1。
所述的均匀接地共面波导单元的特性阻抗
Figure BDA0003207011730000041
其中：K(k)是第一类完全椭圆积分，椭圆积分的模数为
Figure BDA0003207011730000042
和
Figure BDA0003207011730000043
和
Figure BDA0003207011730000044
是椭圆积分的余模数；接地共面波导的有效相对介电常数
Figure BDA0003207011730000045
考虑到有限导体厚度的接地共面波导等效导带宽度wec＝w+Δ，等效槽宽ae＝a-Δ，
Figure BDA0003207011730000046
所述的均匀微带线单元的特性阻抗
Figure BDA0003207011730000047
Figure BDA0003207011730000048
微带线的有效相对介电常数
Figure BDA0003207011730000049
Figure BDA0003207011730000051
考虑有限导体厚度的微带线等效导带宽度
Figure BDA0003207011730000052
所述的悬置微带线的特性阻抗
Figure BDA0003207011730000053
Figure BDA0003207011730000054
考虑有限导体厚度的悬置微带线等效导带宽度
Figure BDA0003207011730000055
位于第一衬底1与第二衬底2之间的悬置微带线单元的悬置微带线导带12的导带下表面金属条12-2和等腰梯形开槽结构11之间的缝隙具有寄生效应，等效为并联接地的电容；梯形渐变微带线单元的等腰梯形微带线导带10由于下方第一地面6相对位置具有等腰梯形开槽结构11，具有寄生效应，等效为串联电感。等效并联电容与等效串联电感相互平衡抵消，有效拓宽了过渡结构的工作带宽。
本实施例中，所述的第一衬底1和第二衬底2的厚度h为192μm，相对介电常数εr为5.9，金属厚度t为10μm。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带4的宽度w为163.4μm，两侧槽宽a为60μm，等腰梯形接地共面波导导带8的梯形长度l1为350μm，下底长度wc为298μm，两侧槽宽ad为191.6μm，等腰梯形开槽结构11的上底长度w2为200μm，下底长度w3为790μm，连接上表面和下表面金属条的金属化通孔阵列12-3的通孔直径d2为85μm，连接接地共面波导两侧地电极5、第一地平面6以及第二地平面14的金属化通孔阵列7的通孔直径d1为178μm，所述的均匀微带线单元的均匀微带线导带9的宽度wc为298μm，长度l2为200μm，所述的等腰梯形微带线导带10的梯形高度为l3为700μm，下底长度w1为600μm，悬置微带线导带12的导带上表面金属条12-1和导带下表面金属条12-2的宽度w1为600μm，长度l4为7mm。
如图4所示，所述的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构的背对背结构的测试、仿真S11和S12曲线吻合度很高，测试结果表明：在DC到50GHz范围内，插入损耗低于0.2dB，反射系数低于-13.5dB。
结果表明，本实施例中的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构可在DC到50GHz的宽频带内提供优秀匹配性能和很低的插入损耗。
与现有技术相比，本装置通过由接地共面波导、微带线、悬置微带线、多段导带等腰梯形渐变结构以及等腰梯形开槽结构的组合，实现了接地共面波导到悬置微带线的优秀宽带过渡，在不增加衬底层数和不附加机械转接结构的情况下，满足三维集成电路中信号宽带、低损耗传输和电路探针测试的需求，为接地共面波导、悬置微带线传输结构的一体化集成、协同设计与测试验证提供了基础。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，其特征在于，包括：由上而下依次堆叠设置的第一至第三衬底、设置于第一衬底与第二衬底之间的第一地平面、设置于第三衬底上表面的第二地平面、均匀接地共面波导单元、梯形渐变接地共面波导单元、均匀微带线单元、梯形渐变微带线单元和悬置微带线单元；
所述的悬置微带线单元包括：由上而下依次设置的悬置微带线导带、位于第二衬底对应悬置微带线导带下方的空气腔以及位于第三衬底的上表面的悬置微带线地面；
所述的均匀接地共面波导单元包括：设置于第一衬底的上表面的均匀接地共面波导导带、对称设置于接地共面波导导带两侧的矩形地电极以及设置于第一衬底与第二衬底之间的均匀接地共面波导地面；
所述的梯形渐变接地共面波导单元包括：设置于第一衬底上表面的等腰梯形接地共面波导导带、对称设置于等腰梯形接地共面波导导带两侧的梯形地电极以及设置于第一衬底与第二衬底之间的梯形渐变接地共面波导地面；
所述的均匀微带线单元包括：位于第一衬底上表面的均匀微带线导带以及设置于第一衬底与第二衬底之间的均匀微带线地面；
所述的梯形渐变微带线单元包括：位于第一衬底上表面的等腰梯形微带线导带、位于第一衬底与第二衬底之间的等腰梯形开槽结构以及位于第三衬底上表面的梯形渐变微带线地面。
2.根据权利要求1所述的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，其特征是，所述的悬置微带线导带包括：由上而下依次设置的导带上表面金属条、连接上表面和下表面金属条的金属化通孔阵列以及导带下表面金属条。
3.根据权利要求1所述的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，其特征是，所述的矩形地电极与梯形地电极相连为多边形结构，构成接地共面波导两侧地电极。
4.根据权利要求1所述的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，其特征是，所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带、梯形渐变接地共面波导单元的等腰梯形接地共面波导导带、均匀微带线单元的均匀微带线导带、梯形渐变微带线单元的等腰梯形微带线导带与悬置微带线单元的悬置微带线导带的导带上表面金属条依次相连。
5.根据权利要求1所述的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，其特征是，所述的第一地平面上对应梯形渐变微带线单元的位置设有等腰梯形开槽结构。
6.根据权利要求1所述的接地共面波导到悬置微带线的宽带过渡结构，其特征是，所述的第二地平面与第一地平面通过金属化通孔阵列相连。
7.一种悬置微带线测试结构，其特征在于，包括相对设置的一对如权利要求1～6中任一所述的宽带过渡结构。
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