CN114335959B - 基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器，包括第一阶TSV电感组件，第一阶TSV电感组件通过第一阶电容组件连接第二阶TSV电感组件，第二阶电感组件还连接第二阶电容组件。本发明提供的结构既能减小功分器的面积，同时又提高了功分器的紧凑性。
Description
技术领域
本发明属于三维集成电路技术领域，涉及一种基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器。
背景技术
随着科技的不断进步，无线射频识别技术得到了极快的发展，产品种类日益丰富，应用也越来越广泛，己涉及到人们日常生活的各个方面。功分器是射频前端的重要部件和研究热点之一，它将输入功率分成相等的或者不等的记录功率，在微波系统中，需要将发射功率按照一定比例分配到各个发射单元中，比如相控阵雷达等等，因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响到整个系统的能量分配和传输。而Wilkinson功分器不仅具有良好的幅度相位特性，而且设计简洁，是功率合成，天线阵列，混频器等微波电路设计中的重要部件，但传统的Wilkinson功分器只能工作在指定的频率或者其奇次谐波处。设计在任意两个或者多个频段同时工作的功分器，不仅可以有效减小电路体积，并且对降低插入损耗,改善噪声性能特性等有突出贡献。因此研究双频Wilkinson功分器具有重要的理论价值,同时也满足实际应用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器，双频功分器较之前的单频功分器，性能上提高了很多，同时结合TSV技术来实现的结构，面积减小，损耗降低，最终效果也变好了。
本发明所采用的技术方案是，基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器，包括第一阶TSV电感组件，第一阶TSV电感组件通过第一阶电容组件连接第二阶TSV电感组件，第二阶电感组件还连接第二阶电容组件。
本发明的特点还在于：
第一阶TSV电感组件包括并联设置的TSV电感L1和TSV电感L2，第一阶电容组件包括隔离电容C1和隔离电容C2；TSV电感L1和TSV电感L2的一端连接隔离电容C1，TSV电感L1和TSV电感L2的另一端依次连接隔离电容C2和隔离电阻R1。
第二阶TSV电感包括并联设置的TSV电感L3和TSV电感L4，第二阶电容组件包括隔离电容C3和隔离电容C4；TSV电感L3和TSV电感L4的一端连接隔离电容C3，TSV电感L3和TSV电感L4的另一端依次连接隔离电容C4和隔离电阻R2。
TSV电感L1、TSV电感L2、TSV电感L3及TSV电感L4的结构相同，均包括若干个TSV，各TSV的上端通过上层RDL依次首尾相接，各TSV的下端通过下层RDL依次首尾相接，各TSV电感均呈螺旋状绕制。
本发明的有益效果是：本发明设计该功分器采用的TSV电感结构，具有高电感密度、高集成度和高品质因数的特点。TSV电感器的显著优点是占地面积最小、电感密度高和介质损耗低，且它具有较高的自谐振频率。此外，TSV电感器的磁通量与片上水平金属线平行，因此它不需要像二维平面结构电感器那样使用图案化接地屏蔽(PGS)技术来降低电磁干扰。最后，可以作为三维集成的转接板，使芯片通过该基板上的RDL层进行互联,并通过TSV垂直互联进行层间信号传输，进一步实现高集成度的三维叠层封装。减小尺寸，降低功耗，减小信号的延迟。
附图说明
图1是本发明基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器的集总式电路图；
图2是本发明基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器的立体图；
图3是本发明基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器中TSV的结构示意图；
图4为本发明基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器在HFSS(High FrequencyStructure Simulator，高频结构仿真)的仿真曲线图。
图中，1.铜柱，2.二氧化硅层，3.输入端，4.输出端A，5.输出端B，6.上层RDL，7.下层RDL。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器，结构如图1、2所示，是将传统的功分器在单频点实现，转化成在一个低频点和一个高频点实现，同时，将电感采用TSV技术来实现。首先将传统的微带线结构拓展为双频结构，通过奇偶模分析法，得到第一阶和第二阶微带线的特性阻抗，以及隔离电阻。之后再利用矩阵分析法将第一阶和第二阶的微带线转化为电感电容的形式，至此便得到了宽带双频功分器的集总式电路图。要想得到性能较好的功分器，还需在仿真软件上进行仿真。首先，在ADS里仿真集总式电路图，获得该结构S参数图，并进行调整，获得性能较好的功分器之后，便在HFSS软件里仿真出3D结构。第一阶的电感值为5.4nH,输入端的电容为0.9pF，第一阶的隔离部分由并联的电容和电阻组成，电容为0.45pF，隔离电阻为147Ω，第二阶的电感值为4.68nH，第二阶输入端的电容为0.9pF，第二阶的隔离部分由0.45pF的电容和154Ω的电阻组成。4.68nH的TSV电感高度为84um。
本发明基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器，包括第一阶TSV电感组件，第一阶TSV电感组件通过第一阶电容组件连接第二阶TSV电感组件，第二阶电感组件还连接第二阶电容组件。第一阶TSV电感组件包括并联设置的TSV电感L1和TSV电感L2，第一阶电容组件包括隔离电容C1和隔离电容C2；TSV电感L1和TSV电感L2的一端连接隔离电容C1，TSV电感L1和TSV电感L2的另一端依次连接隔离电容C2和隔离电阻R1。隔离电容C1还连接输入端3；第二阶TSV电感包括并联设置的TSV电感L3和TSV电感L4，第二阶电容组件包括隔离电容C3和隔离电容C4；TSV电感L3和TSV电感L4的一端连接隔离电容C3，TSV电感L3和TSV电感L4的另一端依次连接隔离电容C4和隔离电阻R2。隔离电容R2的两端分别连接输出端口A4和输出端口B5。TSV电感L1、TSV电感L2、TSV电感L3及TSV电感L4的结构相同，均包括若干个TSV，各TSV的上端通过上层RDL6依次首尾相接，各TSV的下端通过下层RDL7依次首尾相接。各所述TSV电感均呈螺旋状绕制。
TSV的结构如图3所示，包括铜柱1，铜柱1的外圈设有二氧化硅层2；铜柱1的半径为4.7um，二氧化硅层2厚度为0.3um，二氧化硅层2的高度为78um，TSV的环间距为40um，RDL的距离为30um，匝数为8。5.4nH的TSV电感高度为84um，铜的半径为4.7um，二氧化硅厚度为0.3um，二氧化硅的高度为78um，TSV的环间距为40um，RDL的距离为30um，匝数为6。0.9pF的电容极板的大小为245um*245um，中间二氧化硅的厚度为0.8um。0.45pF的电容极板的大小为170um*170um，中间二氧化硅的厚度为1.4um。
L1和L2是第一阶的电感，电感值为5.4nH。L3和L4是第二阶的电感，电感值为4.68nH。第一阶的输入端的电容C1为0.9pF，隔离电阻R1为147Ω，电容C2为0.45pF；第二阶的输入端的电容C3为0.9pF，隔离电阻R2为154Ω，电容C4为0.45pF。
TSV是在通孔内由内到外依次为电镀铜柱、绝缘层和阻挡层。绝缘层的作用是将硅板和填充的导电材料之间进行隔离绝缘，材料通常选用二氧化硅。由于铜原子在TSV制造工艺流程中可能会穿透二氧化硅绝缘层，导致封装器件产品性能的下降甚至失效，一般用化学稳定性较高的金属材料在电镀铜和绝缘层之间加工阻挡层。
宽带化、小型化、低功耗一直是微波射频电路的研究热点,传统的Wilkinson功分器带宽有限，只有10％的带宽，拓扑结果也有以1/4波长直微带线构成头型结构，频率增高时，面积响应的减小。微带间的耦合也相互影响比较大。而且随着超宽带天线，超宽带滤波器等超宽带器件的不断深入，对超宽带的功分器的需求也在不断增加。两个或者多个频段同时工作的功分器件，不仅可以有效减小电路体积，并且对降低插损、改善噪声特性等有突出贡献。因此研究双频Wilkinson功分器具有重要的理论价值和实用意义。
本发明中的功分器采用硅基衬底，与现有普遍的硅工艺产品相兼容。
本发明中的功分器是微波电路中用于将输入信号功率分成多路输出的重要功能器件,是组成微波和无线网络的核心器件之一，能在较大的带宽范围获得较高隔离度的Wilkinson功分器，适用范围更广。
从图4中可以看出，S11是回波损耗，S21是传输损耗，S23是隔离性能,S11在低频点的值为-35dB，在高频点的值为-43dB。通过对比单频的功分器可以看出输入端的匹配性能好。S21在低频点的值为-3.2Db,在高频点的值为-2.8dB，可以看出S21作为表示从输入端到输出端损耗的参数，越接近-3dB，分频效果好，传输损耗小，事实证明，确实很接近-3dB。S23作为用来表示输出端隔离性能的参数，在低频点的值为-34dB,在高频点的值为-35dB，通过对比单频功分器可以看出，该双频功分器隔离性能好，两个分频信号之间的干扰小。
Claims (1)
1.基于TSV的宽带双频Wilkinson功分器，其特征在于：包括第一阶TSV电感组件，第一阶TSV电感组件通过第一阶电容组件连接第二阶TSV电感组件，第二阶TSV电感组件还连接第二阶电容组件；
所述第一阶TSV电感组件包括并联设置的TSV电感L1和TSV电感L2；
第一阶电容组件包括隔离电容C1和隔离电容C2；TSV电感L1和TSV电感L2的一端连接隔离电容C1，TSV电感L1和TSV电感L2的另一端依次连接隔离电容C2和隔离电阻R1；
所述第二阶TSV电感组件包括并联设置的TSV电感L3和TSV电感L4；
第二阶电容组件包括隔离电容C3和隔离电容C4；TSV电感L3和TSV电感L4的一端连接隔离电容C3，TSV电感L3和TSV电感L4的另一端依次连接隔离电容C4和隔离电阻R2；
所述TSV电感L1、TSV电感L2、TSV电感L3及TSV电感L4的结构相同，均包括若干个TSV，各TSV的上端通过上层RDL依次首尾相接，各TSV的下端通过下层RDL依次首尾相接；
各所述TSV电感均呈螺旋状绕制。
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