CN114421106A - 一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，属于毫米波及太赫兹频段系统集成封装技术领域，由三层通过销钉和销钉孔配合连接的金属块堆叠而成，上层金属块与中层金属块之间依次设置K接头输入接口、两个相互隔离的芯片腔和第一H面过渡探针，中层金属块与下层金属块之间依次设置第二H面过渡探针、倍频腔和输出波导，第一H面过渡探针与第二H面过渡探针通过设置于中层金属块内的第一垂直波导连接。本发明在一个金属块腔体内实现微波毫米波到太赫兹波的倍频放大，缩短传播路径，大幅减小太赫兹收发前端的体积，对加工工艺要求不高，芯片通过微组装工艺放置到芯片腔中的，可单独测试和重复使用，拆卸方便，便于测试维修。

Description

一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构
技术领域
本发明属于毫米波及太赫兹频段系统集成封装技术领域，具体涉及一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构。
背景技术
在太赫兹频段的组件设计中，由于太赫兹波频率很高，各种电磁兼容问题突出，同时高频芯片的稳定性较差，所以往往采用金属块腔体封装进行组件设计，金属块腔体将各个部件隔离，增加系统稳定性。金属块腔体加工工艺要求不高，拆卸方便，设计难度不大，是目前普遍采用的太赫兹电路封装形式。而太赫兹收发系统常常采用多个金属模块级联的方式实现，一般单个模块中只放一个芯片或只实现一种功能，所以需要多个通过直波导连接的模块，导致常规太赫兹系统前端的收发链路体积过大，系统较为复杂。
目前来看，小型化、集成化的太赫兹系统是发展的必然要求和热点方向。作为太赫兹系统的必要组成部分，高度集成化、小型化的太赫兹收发前端是十分具有研究和应用价值的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，通过垂直级联结构在一个金属块腔体内实现微波毫米波到太赫兹波的倍频放大，缩短传播路径，减小传输损耗。
本发明所采用的技术方案如下：
一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，由三层通过销钉和销钉孔配合连接的金属块堆叠而成；上层金属块与中层金属块之间依次设置K接头输入接口、两个相互隔离的芯片腔和第一H面过渡探针，中层金属块与下层金属块之间依次设置第二H面过渡探针、倍频腔和输出波导，第一H面过渡探针与第二H面过渡探针通过设置于中层金属块内的第一垂直波导连接。
进一步地，所述第一H面过渡探针和第二H面过渡探针的波导口连接处具有钉床结构，以构成电磁带隙结构，防止场泄露。
进一步地，所述K接头输入接口与相邻的芯片腔通过用于放置直微带或共面波导的凹槽连接，第一H面过渡探针与相邻的芯片腔通过用于放置直微带或共面波导的凹槽连接。
进一步地，两个芯片腔之间通过设置两个凸起金属枝节实现相互隔离，两个凸起金属枝节之间区域用于放置直微带或共面波导。
进一步地，所述芯片腔可根据需求通过微组装工艺放置倍频芯片或功放芯片，倍频腔用于放置倍频电路基片。
进一步地，所述K接头输入接口为微波毫米波信号输入端，输出波导为太赫兹信号输出端。
进一步地，所述输出波导的端口设计为波导法兰，便于与外部结构连接。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，通过垂直级联结构在一个金属块腔体内实现微波毫米波到太赫兹波的倍频放大，与传统多个金属模块级联的太赫兹收发前端相比，减少金属模块之间的过渡结构数量，缩短传播路径，大幅减小太赫兹收发前端的体积；
2、优选地，本发明在相邻两层金属块之间的H面过渡探针的波导口连接处设计有钉床结构，以构成电磁带隙结构，防止因装配误差导致的场泄露，减小传输损耗；
3、基于本发明提出的太赫兹收发前端多层集成封装结构，还可设计小型化、集成化的太赫兹系统的接收链路和发射链路，只需使用1或2个金属腔体即可实现太赫兹收发链路，大幅减小系统体积；
4、各层金属块可用传统的CNC(数控机床)工艺加工，不依赖于其他先进的加工手段，加工相对简单，对工艺要求不高，并且芯片通过微组装工艺放置到芯片腔中的，可以单独测试和重复使用，拆卸方便，便于测试维修，在太赫兹系统的设计中有较好的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的太赫兹收发前端多层集成封装结构的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的太赫兹收发前端多层集成封装结构的上层金属块和中层金属块的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的太赫兹收发前端多层集成封装结构的中层金属块的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的太赫兹收发前端多层集成封装结构的中层金属块和下层金属块的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的具有钉床结构的第一H面过渡探针和第二H面过渡探针的结构示意图；
附图中各标记的说明如下：
1：上层金属块；2：中层金属块；3：K接头输入接口；4：第一芯片腔；5：第二芯片腔；6：第一H面过渡探针；7：垂直波导；8：下层金属块；9：第二H面过渡探针；10：倍频腔；11：输出波导；12：钉床结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种应用于500GHz工作频率的太赫兹收发系统的小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，结构如图1～4所示，由上层金属块1、中层金属块2和下层金属块8堆叠而成，之间通过销钉和销钉孔配合连接，整体构成一个金属模块。
所述上层金属块1与中层金属块2之间依次设置K接头输入接口3、第一芯片腔4、第二芯片腔5和第一H面过渡探针6；如图3所示，第一芯片腔4和第二芯片腔5之间通过设置两个相同的凸起金属枝节实现相互隔离，凸起金属枝节的顶部与芯片腔(第一芯片腔4、第二芯片腔5)的顶部的距离小于1/4λ，凸起金属枝节在信号传输方向的长度尺寸为1/2λ～λ，能有效将第一芯片腔4和第二芯片腔5隔离，凸起金属枝节的宽度尺寸需满足：两个凸起金属枝节之间留出的位置刚好能放置用于连接第一芯片腔4和第二芯片腔5的50Ω微带线或共面波导，并且两个凸起金属枝节的另一端对齐芯片腔(第一芯片腔4、第二芯片腔5)的侧面，不留缝隙。
所述第一芯片腔4内通过微组装工艺放置六倍频芯片，第二芯片腔5内通过微组装工艺放置功放芯片，并在两个凸起金属枝节之间区域放置50Ω微带线或共面波导；K接头输入接口3与第一芯片腔4之间设置凹槽，并在其中放置50Ω直微带或共面波导；第二芯片腔5与第一H面过渡探针6之间设置凹槽，并在其中设置50Ω直微带或共面波导；K接头输入接口3、第一芯片腔4、第二芯片腔5和第一H面过渡探针6再通过跳金丝与对应50Ω直微带或共面波导连接。
所述中层金属块2与下层金属块8之间依次设置第二H面过渡探针9、倍频腔10和输出波导11，第一H面过渡探针6与第二H面过渡探针9通过设置于中层金属块2内的垂直波导7连接；倍频腔10内放置三倍频电路基片；输出波导11为标准波导WR3.4，其端口设计为波导法兰，便于与外部结构连接。
所述第一H面过渡探针6和第二H面过渡探针9的波导口连接处具有钉床结构，如图5所述，以构成电磁带隙结构，防止场泄露。
本实施例所述太赫兹收发前端多层集成封装结构的工作原理为：外部13.333～14.5GHz的微波毫米波信号从K接头输入接口3输入，经第一芯片腔4内的六倍频芯片转换为80～87GHz信号，再通过第二芯片腔5内的功放芯片放大为100mW输出功率的80～87GHz信号；100mW输出功率的80～87GHz信号依次经第一H面过渡探针6、垂直波导7、第二H面过渡探针9传输至倍频腔10内的三倍频电路基片，100mW的输出功率驱动三倍频电路基片，获得3mW输出功率的240～260GHz信号，通过输出波导11输出。
基于本实施例所述太赫兹收发前端多层集成封装结构，在太赫兹收发前端多层集成封装结构的后端再接一个具有次谐波混频器的金属模块，用于500GHz系统混频发射，作为发射链路，上变频输出480～520GHz信号，也可以用于次谐波混频器的本振源，作为接收链路，实现下变频接收。此时，发射链路和接收链路均只需要两个金属模块即可实现，大幅减小了太赫兹系统体积。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，由三层通过销钉和销钉孔配合连接的金属块堆叠而成；上层金属块与中层金属块之间依次设置K接头输入接口、两个相互隔离的芯片腔和第一H面过渡探针，中层金属块与下层金属块之间依次设置第二H面过渡探针、倍频腔和输出波导，第一H面过渡探针与第二H面过渡探针通过设置于中层金属块内的第一垂直波导连接。
2.根据权利要求1所述小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，所述第一H面过渡探针和第二H面过渡探针的波导口连接处具有钉床结构，以构成电磁带隙结构。
3.根据权利要求1所述小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，所述K接头输入接口与相邻的芯片腔通过用于放置直微带或共面波导的凹槽连接，第一H面过渡探针与相邻的芯片腔通过用于放置直微带或共面波导的凹槽连接。
4.根据权利要求1所述小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，两个芯片腔之间通过设置两个凸起金属枝节实现相互隔离，两个凸起金属枝节之间区域用于放置直微带或共面波导。
5.根据权利要求1所述小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，所述芯片腔根据需求放置倍频芯片或功放芯片，倍频腔用于放置倍频电路基片。
6.根据权利要求1所述小尺寸低损耗的太赫兹收发前端多层集成封装结构，其特征在于，所述K接头输入接口为微波毫米波信号输入端，输出波导为太赫兹信号输出端。
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