CN116190965A - 一种慢波朗格耦合器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种慢波朗格耦合器芯片。包括金属耦合线、端口连接线、金属通孔、金属连线、金属条带、金属栅条和金属地，其中金属耦合线和端口连接线相连并位于金属地的上方，金属耦合线通过金属通孔及金属连线相连；金属条带采用叉指结构，其位于金属耦合线下侧并通过金属通孔与耦合线连接；金属地开槽，金属栅条位于金属耦合线、金属连线及金属条带的下侧，并处于金属地开槽的中心。本发明实现了朗格耦合器性能，且易于调整耦合线的特征阻抗，更重要的是，该耦合器具有慢波效应，解决了朗格耦合器芯片面积大、加工成本高、在片实现难等问题。

Description

一种慢波朗格耦合器芯片

技术领域

本发明涉及新一代通信技术领域，尤其涉及一种慢波朗格(Lange)耦合器芯片。

背景技术

随着新一代通信技术的发展，通信系统的工作频率越来越高，对高性能无源器件的设计提出更高要求。在微波毫米波集成电路系统中，尤其是在平衡式放大器、倍频器、移相器等微波毫米波集成电路模块中，90°定向耦合器有着不可或缺的作用。朗格耦合器作为90°定向耦合器的一种，具有大带宽、低损耗等优势，广泛应用于微波毫米波集成电路中。然而受其结构原理所限，朗格耦合器核心部分长度为工作频率的四分之一波长，占用面积大。同时，由于高节点集成电路工艺的介质层变薄，高性能的朗格耦合器设计难度变大，传统的微带耦合线型朗格耦合器在工艺限制下会遇到回波损耗高、插损高、相位平衡度差等问题。

慢波传输线是一种具有慢波效应的特殊传输线，通过在传输线上周期性附加电容与电感，能够减缓传输信号的相速，使其在相同的电长度时，物理长度比普通微带线更短。慢波传输线能够有效减小无源器件面积，实现集成电路的小型化，因此在微波毫米波集成电路中具有广泛的应用空间。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对微波毫米波集成电路中传统朗格耦合器设计遇到的面积大、实现难等问题，提出了一种慢波朗格耦合器芯片，优化了朗格耦合器在集成电路中的性能，减小了尺寸，提高了电路的集成度，且易于调整其特征阻抗。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种慢波朗格耦合器芯片以金属地为基板，在金属地中间开槽，在该开槽内设置金属栅条，在金属栅条上设置金属条带，在金属条带上设置金属耦合线和金属连线，所述金属条带通过金属通孔与金属耦合线连接；

所述金属耦合线包括第一金属耦合线、第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线和第五金属耦合线；端口连接线包括第一端口连接线、第二端口连接线、第三端口连接线和第四端口连接线；金属连线包括第一金属连线、第二金属连线和第三金属连线。

所述第一金属耦合线、第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线和第五金属耦合线(5)按序依次排布在一个平面上，第一金属耦合线与第五金属耦合线仅为其他金属耦合线长度的一半，第一金属耦合线的外端与第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线的一端对齐，第五金属耦合线的外端与第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线的另一端对齐；第三金属耦合线在中点处通过金属通孔和第一金属连线与第一金属耦合线内端第五金属耦合线内端相连，在第三金属耦合线两端分别与第一金属耦合线和第五金属耦合线直接相连；所述第二金属耦合线在两端分别通过金属通孔和第二金属连线、第三金属连线与第四金属耦合线相连。

所述端口连接线共有四条，所述端口连接线共有四条，分别作为朗格耦合器输入端、直通端、耦合端和隔离端；所述端口连接线分别与金属耦合线的两端直接相连并位于金属地的上方，其中，第一端口连接线与第二金属耦合线的一端相连，第二端口连接线分别与第三金属耦合线和第五金属耦合线的一端相连，第三端口连接线与第四金属耦合线的一端相连，第四端口连接线分别与第一金属耦合线和第三金属耦合线的一端相连。

所述金属条带是一种多层叉指型结构，由金属层相互交错形成。

所述金属栅条由多根金属细条组成并呈周期性分布，所述金属栅条位于金属地同层或金属地与金属条带之间，所述金属栅条与金属地相连接或悬空。

所述金属条带、金属通孔和金属栅条构成慢波单元，在金属耦合线下侧呈周期性或非周期性分布；第一金属耦合线、第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线和第五金属耦合线下侧均有相同或不同周期的所述慢波单元结构。

所述慢波朗格耦合器的慢波效应随金属条带宽度的增大而增大，随金属条带层数的增多而增大，随金属栅条长度的增大而增大。

所述慢波朗格耦合器金属耦合线的耦合强度随金属栅条的增长而增大。

所述慢波朗格耦合器金属耦合线的特性阻抗随金属栅条的增长而增大，随金属条带宽度的增大而减小，随金属条带层数的增多而减小。

所述慢波朗格耦合器金属耦合线的物理长度小于工作频率的四分之一波长对应的物理长度。

有益效果：本发明的优点在于提供了一种慢波朗格耦合器芯片，由金属耦合线、端口连接线、金属连线、金属通孔、金属条带、金属栅条和金属地组成。其中金属条带为多层叉指型结构，位于金属耦合线下侧，通过金属通孔与金属耦合线垂直相连，在不影响耦合线耦合性能的情况下引入了慢波效应所需要的电容；金属栅条和金属地的开槽在不影响信号传输、不导致信号向衬底泄露的情况下增大了地回流路径，引入了慢波效应所需要的电感；在金属条带、金属栅条、开槽金属地的共同作用下，耦合线的相速实现降低，产生了慢波效应。同时，通过对金属条带、金属栅条、开槽金属地的调整，可以突破在部分工艺限制下传统微带耦合线的性能，实现朗格耦合器中金属耦合线所需的耦合强度和阻抗。上述慢波朗格耦合器与传统朗格耦合器相比，通过新结构引入的电容电感实现了慢波效应，从而使得朗格耦合器中四分之一波长的耦合线可以用物理长度更短的耦合线代替，在实现小型化的同时能够提高耦合器性能，解决了耦合器在射频集成电路中芯片面积大、加工成本高、在片实现难等问题。

附图说明

图1为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器结构示意图；

图2(a)为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器正视图；

图2(b)为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器俯视图；

图3为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器与传统朗格耦合器的大小对比图；

图4(a)为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器的S参数仿真幅值示意图；

图4(b)为本发明中一个实施例的传统微带朗格耦合器的S参数仿真幅值示意图；

图5为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器和传统微带朗格耦合器的直通端和耦合端之间的相位差仿真结果对比图；

图6为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器结构示意图；

图7(a)为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器的S参数仿真幅值示意图；

图7(b)为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器的直通端和耦合端之间的相位差仿真结果示意图；

图8为本发明中一个实施例的慢波朗格耦合器结构示意图。

图中有：第一金属耦合线1、第二金属耦合线2、第三金属耦合线3、第四金属耦合线4、第五金属耦合线5、第一端口连接线6、第二端口连接线7、第三端口连接线8、第四端口连接线9、第一金属连线10、第二金属连线11、第三金属连线12、金属条带13、金属通孔14、金属栅条15、金属地16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更进一步的解释，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

本实施例提供一种慢波朗格耦合器芯片，如图1、图2所示。由图示，包括金属耦合线、端口连接线、金属通孔14、金属连线、金属条带13、金属栅条15和金属地16，其中，金属耦合线包括第一金属耦合线1、第二金属耦合线2、第三金属耦合线3、第四金属耦合线4和第五金属耦合线5，端口连接线包括第一端口连接线6、第二端口连接线7、第三端口连接线8和第四端口连接线9，金属连线包括第一金属连线10、第二金属连线11和第三金属连线12；

所述第一金属耦合线1、第二金属耦合线2、第三金属耦合线3、第四金属耦合线4和第五金属耦合线5按序依次排布，第一金属耦合线1与第五金属耦合线5仅为其他金属耦合线长度的一半，第一金属耦合线1与第二金属耦合线2、第三金属耦合线3、第四金属耦合线4的一端对齐，第五金属耦合线5与第二金属耦合线2、第三金属耦合线3、第四金属耦合线4的另一端对齐；第三金属耦合线3在中点处通过金属通孔14和第一金属连线10与第一金属耦合线1和第五金属耦合线5相连，在两端分别与第一金属耦合线1和第五金属耦合线5直接相连；所述第二金属耦合线2在两端通过第二金属连线11、第三金属连线12和金属通孔14均与第四金属耦合线4相连；

所述端口连接线共有四条，可分别作为朗格耦合器输入端、直通端、耦合端和隔离端；所述端口连接线与金属耦合线直接相连并位于金属地16的上方，其中，第一端口连接线6与第二金属耦合线2的一端相连，第二端口连接线7与第五金属耦合线5的一端相连，第三端口连接线8与第四金属耦合线4的一端相连，第四端口连接线9与第一金属耦合线1的一端相连；

所述金属条带13位于金属耦合线下侧并通过金属通孔14与金属耦合线连接；

所述金属地16开槽，金属栅条15位于金属耦合线、金属连线及金属条带13的下侧，并处于金属地16开槽的中心。

具体地，所述金属条带13是一种多层叉指型结构，由金属相互交错形成，为耦合线的慢波效应提供所需的电容。所述金属栅条15由多根金属细条组成并呈周期性分布，所述金属栅条15位于金属地16同层或金属地16与金属条带13之间，所述金属栅条15与金属地16相连接或悬空，为耦合线的慢波效应提供所需的电感。特别需要说明的是，若各个单元长度不等，即按非周期规律级联，依然可以为慢波朗格耦合器带来慢波效应。

所述金属条带13、金属通孔14和金属栅条构成的慢波单元在金属耦合线下侧呈周期性或非周期性分布；第一金属耦合线1、第二金属耦合线2、第三金属耦合线3、第四金属耦合线4和第五金属耦合线5下侧均有相同或不同周期的所述单元结构。

进一步地，所述慢波朗格耦合器的慢波效应随金属条带13宽度的增大而增大，随金属条带13层数的增多而增大，随金属栅条15长度的增大而增大。

进一步地，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的耦合强度和特性阻抗，除与金属耦合线本身的线宽、间距相关外，还与金属条带13及金属栅条15的尺寸相关，在设计中可根据需求调整上述结构尺寸，以达到设计要求。

所述慢波朗格耦合器金属耦合线的物理长度小于工作频率的四分之一波长对应物理长度。

进一步地，上述慢波朗格耦合器可采任意可满足多层金属的工艺实现，可应用于包括但不限于CMOS在内的各种半导体工艺、LTCC等多种工艺。

在一个实施例中，在相同工艺、相同频段下，慢波朗格耦合器较传统朗格耦合器面积显著缩小，且能够在加工限制下实现更优的性能，如图3。所述慢波朗格耦合器和传统微带朗格耦合器的幅度仿真结果如图4；所述慢波朗格耦合器和传统微带朗格耦合器的两输出端口相位差仿真结果如图5。其中，图4(a)横坐标表示频率，纵坐标表示慢波朗格耦合器S参数的幅值；图4(b)横坐标表示频率，纵坐标表示传统微带朗格耦合器S参数的幅值；图5横坐标表示频率，纵坐标表示慢波朗格耦合器和传统微带朗格耦合器直通端和耦合端之间的相位差。

本例中，慢波朗格耦合器在110-170GHz频率范围内，直通端和耦合端的插入损耗小于1.4dB，不平衡度小于0.5dB，回波损耗优于12dB，隔离度大于13dB；在110-170GHz频率范围内，直通端和耦合端相位差为90°±5°。

在一个实施例中，通过将金属栅条15长度设置得较长，提高了慢波效应及金属耦合线的耦合强度，同样实现了耦合器性能。所述慢波朗格耦合器以较长的栅条实现更大的慢波效应，使其金属耦合线长度大大缩短，在某些电路设计中有其独特的优势。所述长金属栅条15的慢波朗格耦合器基本结构如图6所示，其幅相仿真结果如图6。其中，图7(a)横坐标表示频率，纵坐标表示S参数的幅值；图7(b)横坐标表示频率，纵坐标表示朗格耦合器直通端和耦合端之间的相位差。

在一个实施例中，两个慢波朗格耦合器共用栅条，调整线长、线间距等参数，同样实现了耦合器的正常性能。所述慢波朗格耦合器通过金属栅条15复用，更大程度上节约了面积、提高了集成度。所述金属栅条15复用的慢波朗格耦合器基本结构如图8所示。

基于上述慢波朗格耦合器的基本结构和数个实施例，本发明所述的慢波朗格耦合器在实现朗格耦合器的基本性能的基础之上，通过加入金属条带13、金属通孔14、金属栅条15和开槽金属地16形成的慢波结构，引入了慢波效应，在实现小型化的同时突破了传统微带耦合线在一些工艺中受到的限制。本发明所述的方法结构较为简洁，调整较为灵活，实现较为容易，为微波毫米波集成电路中朗格耦合器的小型化设计提供了解决方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，该耦合器芯片以金属地(16)为基板，在金属地(16)中间开槽，在该开槽内设置金属栅条(15)，在金属栅条(15)上设置金属条带(13)，在金属条带(13)上设置金属耦合线和金属连线，所述金属条带(13)通过金属通孔(14)与金属耦合线连接；

所述金属耦合线包括第一金属耦合线(1)、第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)和第五金属耦合线(5)；端口连接线包括第一端口连接线(6)、第二端口连接线(7)、第三端口连接线(8)和第四端口连接线(9)；金属连线包括第一金属连线(10)、第二金属连线(11)和第三金属连线(12)。

2.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述第一金属耦合线(1)、第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)和第五金属耦合线(5)按序依次排布在一个平面上，第一金属耦合线(1)与第五金属耦合线(5)仅为其他金属耦合线长度的一半，第一金属耦合线(1)的外端与第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)的一端对齐，第五金属耦合线(5)的外端与第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)的另一端对齐；第三金属耦合线(3)在中点处通过金属通孔(14)和第一金属连线(10)与第一金属耦合线(1)内端第五金属耦合线(5)内端相连，在第三金属耦合线(3)两端分别与第一金属耦合线(1)和第五金属耦合线(5)直接相连；所述第二金属耦合线(2)在两端分别通过金属通孔(14)和第二金属连线(11)、第三金属连线(12)与第四金属耦合线(4)相连。

3.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述端口连接线共有四条，所述端口连接线共有四条，分别作为朗格耦合器输入端、直通端、耦合端和隔离端；所述端口连接线分别与金属耦合线的两端直接相连并位于金属地(16)的上方，其中，第一端口连接线(6)与第二金属耦合线(2)的一端相连，第二端口连接线(7)分别与第三金属耦合线(3)和第五金属耦合线(5)的一端相连，第三端口连接线(8)与第四金属耦合线(4)的一端相连，第四端口连接线(9)分别与第一金属耦合线(1)和第三金属耦合线(3)的一端相连。

4.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述金属条带(13)是一种多层叉指型结构，由金属层相互交错形成。

5.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述金属栅条(15)由多根金属细条组成并呈周期性分布，所述金属栅条(15)位于金属地(16)同层或金属地(16)与金属条带(13)之间，所述金属栅条(15)与金属地(16)相连接或悬空。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述金属条带(13)、金属通孔(14)和金属栅条(15)构成慢波单元，在金属耦合线下侧呈周期性或非周期性分布；第一金属耦合线(1)、第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)和第五金属耦合线(5)下侧均有相同或不同周期的所述慢波单元结构。

7.根据权利要求6所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器的慢波效应随金属条带(13)宽度的增大而增大，随金属条带(13)层数的增多而增大，随金属栅条(15)长度的增大而增大。

8.根据权利要求7所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的耦合强度随金属栅条(15)的增长而增大。

9.根据权利要求8所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的特性阻抗随金属栅条(15)的增长而增大，随金属条带(13)宽度的增大而减小，随金属条带(13)层数的增多而减小。

10.根据权利要求9所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的物理长度小于工作频率的四分之一波长对应的物理长度。

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