CN117277969A - 一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，高功率表贴式倍频器包括从输入到输出端依次连接的输入匹配网络、二极管芯片、输出阻抗匹配网络、直流电压输入端口，输入匹配网络用于限制倍频信号的流向，抑制倍频信号流向输入端，使其只能从输出端流出，输入匹配网络采用三阶L型枝节的结构；二极管芯片用于实现信号的倍频，设置二极管芯片处的同轴线内导体向上延伸出两个台面，二极管芯片通过梁氏引线正向贴装到所述台面上，二极管芯片与外导体连接形成接地；输入匹配网络用于匹配输入端到特征阻抗及调整输出信号在输入端开路；输出阻抗匹配网络用于调节输入信号，使之在输出端开路及匹配输出端到特征阻抗；直流电压输入端口用于添加直流偏压至二极管芯片。

Description

一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，毫米波/太赫兹频段受到了越来越广泛的关注。太赫兹波的传输是太赫兹波通信系统研究的一个重要组成部分，由于太赫兹频段具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性，太赫兹频段将成为未来无线通信链路发展的重要应用频段，太赫兹通信也受到广泛的关注。
随着太赫兹频段成为未来通信链路发展的重要应用频段，针对太赫兹通信系统中重要的组成器件：倍频器的研究也愈发深入。不仅是器件的设计，其加工工艺也是建立太赫兹通信系统所面临的难题之一。毫米波太赫兹器件因为其频段过高，导致其相应的物理尺寸较小，使得传统加工工艺无法满足器件加工的精度需求。
就传统工艺而言，大多数波导器件采用数控加工技术(CNC)进行加工制造。为满足加工需要，波导器件通常被从中间剖开，分成两片进行加工，最后用螺钉进行组装。然而，CNC工艺处理具有微小结构的器件并不容易，除了对削磨精度的要求极高外，器件被剖分后，其接触面还需要保证良好的表面平整度，以及精准的定位。这些因素使CNC工艺加工波导器件的成本显著上升，并不适合大规模加工应用。
在近些年，一些新兴的微加工技术逐渐涌现，能够在部分方面改善传统工艺的不足，如SU-8光刻胶技术，深硅蚀刻(DRIE)技术等。例如SU-8光刻胶工艺由多层材料增材建设实现器件加工，相比于传统工艺，其器件尺寸较小，符合未来微型太赫兹通信系统的需求；再比如深硅刻蚀技术，采用化学溶液刻蚀硅材料形成完整的波导结构，这样相比于传统工艺精度更高，也更加适合太赫兹器件的加工。当然，这些工艺仍存在各自难以避免的问题，需要在其优点与缺点中折衷考虑。
在同一时期，3-D打印技术是微波器件加工的一种很有前景的方法。3-D打印技术是通过逐层建模来实现复杂的三维结构，这就能够实现器件的一体化，从而可以减少装配误差带来的器件性能损失。这项技术不仅仅停留在理论阶段，在近些年已经有学者采用立体光刻技术(SLA)实现100GHz以上波导器件的设计与加工。SLA技术是可以生产具有良好表面完整性的波导器件的3-D打印技术，但它使用的是塑料进行加工，而塑料的热稳定性和机械稳定性都不如金属。而且，一般3-D打印技术还需要完成电镀的工序，这也就导致器件形状发生改变，进而产生具有较大的中心频偏移量和插入损耗。
毫米波/太赫兹技术领域的另一个挑战便是高功率太赫兹源的实现。目前来说太赫兹频段射线产生的方法分为2种：第一种方法是使用光电子技术将光学频率转换成太赫兹频率，即由半导体的激发产生连续或脉冲的太赫兹辐射；第二种方法是使用频率倍增器，将电子设备的工作频率从毫米波增加到太赫兹范围。基于光电子组合的方法在太赫兹无线通信系统中的应用往往受制于光学元件，不利于芯片的集成化和小型化，因此，目前应用较多的是基于倍频器的通信系统。由于使用肖特基二极管制作的倍频器有着相对较低的成本、较小的体积和可以在室温下工作等优点，所以得到了广泛的应用。
在传统倍倍频器的设计中，二极管芯片都是后期贴装到介质片上的。一方面，二极管芯片贴装后的位置经常与仿真模型间存在一定的偏差，导致性能上的恶化；另一方面，应用于太赫兹频率的二极管尺寸会很小，这也增加了贴装的难度和成本。在采用了将二极管集成到介质基片上的改进方法之后，可以消除第一部分的装配误差，但是由于介质基片的机械强度较弱，在装配时又是插在波导腔体中，所以形状容易发生翘曲，这会影响到其上的二极管和平面辅助电路的性能，造成性能恶化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的设计方法，旨在设计一种性能优良、体积小、加工成本较低、能够大规模应用的高功率倍频器结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，包括从输入到输出端依次连接的输入匹配网络、二极管芯片、输出阻抗匹配网络、直流电压输入端口；输入匹配网络用于限制倍频信号的流向，抑制倍频信号流向输入端，使其只能从输出端流出，输入匹配网络采用三阶L型枝节的结构，实现输入端的后级电路与输入端口之间的阻抗匹配；二极管芯片用于实现信号的倍频，设置二极管芯片处的同轴线内导体延伸出两个台面，二极管芯片通过梁氏引线正向贴装在所述台面上，二极管芯片与外导体通过金线键合连接形成接地；输出阻抗匹配网络用于调节倍频信号，使之在输入端开路；直流电压输入端口用于实现添加电路直流偏压。
进一步的，三阶L型枝节的结构在170GHz左右10％的频率产生带外抑制零点，用于提高阻带抑制性能。
进一步的，输入匹配网络的第1阶谐振器枝节内导体与第3阶谐振器内导体位于输入匹配网络的同一侧，第2阶谐振器枝节内导体位于输入匹配网络的另一侧。
进一步的，二极管芯片设置三对反向并联的二极管对实现平衡结构。
进一步的，输入匹配网络采用两侧串联高低阻抗线的形式实现，低阻抗线等效为电容，高阻抗线等效为电感。
进一步的，输出阻抗匹配网络采用串联高低阻抗线的形式实现，低阻抗线等效为电容，高阻抗先等效为电感。
进一步的，同轴线内导体外侧设置外导体，在外导体和同轴线内导体之间沿着长度方向间隔布置介质支撑条。
进一步的，外导体上开设有释放孔，所述释放孔用于辅助洗胶，释放孔的长度、宽度和高度相同。
进一步的，芯片上设置梁氏引线，所述梁氏引线用于外接直流偏压。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明可以有效地解决传统设计思路上存在的不足之处。由于相关的辅助电路是由铜构成的微同轴线实现的，所以具有很好的机械稳定性和较小的尺寸，同时二极管集成于介质基板上，能够有效防止传统倍频器芯片的二极管贴装误差；采用三阶输入匹配网络，与传统的阶跃阻抗低通滤波器相比，在保证对倍频信号抑制性能更好的同时能够实现更短的电长度，可以进一步减小辅助电路产生的功率损耗，更好的实现倍频信号在输入端开路的效果。
进一步的，二极管芯片是通过梁氏引线正向贴装到延伸出来的同轴线内导体组成的预留焊盘上的，芯片通过金线键合的方式直接与外导体接触，有效增强了散热的同时还可以清晰地看到焊盘位置，避免焊接导致的电路短路或错焊；同时反向并联的二极管对可以实现平衡结构，从而抵消了全部的偶次谐波分量，只剩下奇次谐波分量，提升了信号功率的利用效率；通过引出梁氏引线，连接到直流偏压端口，就能够实现在同样的输入功率下，达到更高的输出效率，以驱动后续更大规模的的电路。
综上所述，与传统的在波导和平面电路上实现所有辅助电路的设计思路相比，本发明设计的倍频器具有更少的装配误差、更好的机械稳定性、更小的尺寸、易拆卸更换和更高输出效率的优点。此外，由于三维金属微加工工艺具有可批量生产的优点，所以本发明设计的倍频器可用于大规模的实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术方案，下面将对实施例或现有技术方案中所使用的附图作简单介绍。需要注意的是，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本发明将以三维金属微加工工艺和肖特基二极管为基础，设计一种高功率的倍频器，能够为未来的毫米波/太赫兹领域的倍频器发展提供一定的借鉴意义。
图1为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工工艺的矩形同轴线的示意图，(a)为矩形同轴线横截面的示意图，(b)为支撑悬空内导体的介质条的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工工艺的输入匹配网络的示意图，(a)为输入匹配网络的整体示意图，(b)和(c)为输入匹配网络的内导体的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的二极管芯片部分的示意图，(a)为二极管芯片部分的整体示意图，(b)为该部分内导体的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的输出端阻抗匹配网络的示意图，(a)为阻抗匹配网络的整体示意图，(b)为阻抗匹配网络的整体另一视角示意图，(c)为阻抗匹配网络的内导体的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的直流偏压端口内导体的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的整体示意图；
图中，1-输入匹配网络，2-二极管芯片，3-输出阻抗匹配网络，4-直流电压输入端口，5-释放孔，6-梁氏引线。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰完整的描述。需要注意的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度方向”和“垂直方向”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不能认定为所指示的元件或者装置是特定的方位。
本发明实施例第一方面设计了一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，包括从输入到输出端依次连接的输入匹配网络1、二极管芯片2、输出阻抗匹配网络3、直流电压输入端口4；输入匹配网络1用于限制倍频信号的流向，抑制倍频信号流向输入端，使其只能从输出端流出，输入匹配网络采用三阶L型枝节的结构；二极管芯片2用于实现信号的倍频，设置二极管芯片2处的同轴线内导体向上延伸出两个台面，二极管芯片2通过梁氏引线正向贴装到所述台面上，二极管芯片2与外导体通过金线键合连接形成接地；阻抗匹配网络1用于实现后面电路与输入端口之间的阻抗匹配；输出阻抗匹配网络3用于调节倍频信号，使之在输入端开路；直流电压输入端口4用于实现添加电路直流偏压。
本发明信号依次从输入匹配网络1输入，经过二极管芯片2，从输出阻抗匹配网络3输出，直流电压输入端口4输入电压。
在本发明实施例的描述中，所给出的结构尺寸为优选参数，参照本发明实施例，修改各个部件的尺寸参数可以进一步得到实际所需的性能。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工工艺的矩形同轴线的示意图，(a)为矩形同轴线横截面的示意图，(b)为支撑悬空内导体的介质条的示意图。
本发明采用的基于三维金属微加工工艺的矩形同轴传输线具有8层的拓扑结构，如图1(a)所示，第一层和第八层为矩形同轴线外导体的上下壁，第二层至第七层构成了矩形同轴线外导体的侧壁，矩形同轴线的内导体位于第四第五层，每一层的厚度除了H2＝100μm，还有H1＝50μm，外导体的宽度为L1＝450μm，内导体的宽度为L2＝209μm(根据不同的阻抗需要内导体的宽度可以为不同值，本发明所用阻抗为50Ω)，加上侧壁厚度之后外导体的宽度为L3＝650μm。此外，由于内导体在外导体中悬空设置，通过添加周期性的介质支撑条将内导体和外导体相对固定连接，通常两个支撑条的间距为700μm，其厚度为H2＝20μm。图1(b)展示了支撑条的俯视图，其对应的具体尺寸分别为L4＝450μm，L5＝30μm，W1＝150μm，W2＝100μm。
图2为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工工艺的输入匹配网络的示意图，其中，图2(a)为输入匹配网络的整体示意图，图2(b)和图2(c)为输入匹配网络的内导体的示意图。
输入匹配网络1的设计思路在采用三阶L型枝节的结构，等效替换了传统设计思路中的低阻抗线部分，通过对枝节长度及宽度的调节控制带外抑制的范围。本申请设计的输入匹配网络仅有三阶谐振器，设计为L型可以降低枝节延伸的长度，有效提高结构强度，该结构可以在170GHz左右10％的频率产生一个带外抑制零点。优化后的输入匹配网络的具体尺寸如下：输入匹配网络的第1阶谐振器枝节内导体的宽度为W16＝124μm，长度为L14＝229μm，转向后内导体宽度为L15＝124μm，长度为W9＝226μm，第2阶谐振器枝节内导体的宽度为W15＝141μm，长度为L13＝185μm，转向后内导体宽度为L12＝140μm，长度为W12＝241μm，第3阶谐振器枝节内导体的宽度为W17＝118μm，长度为L16＝187μm，转向后内导体宽度为L17＝118μm，长度为W7＝97μm，第1阶谐振器枝节内导体与第3阶谐振器内导体的间距为W8＝991μm，第2阶谐振器枝节内导体与低阻抗线的间距为W11＝713μm，第2阶谐振器枝节内导体与高阻抗线的间距为W13＝705μm。第1阶谐振器外导体长度为L7＝396μm，宽度为W5＝589μm，第2阶谐振器外导体长度为L7＝360μm，宽度为W5＝576μm，第3阶谐振器外导体长度为L7＝351μm，宽度为W5＝581μm，第1阶谐振器外导体和第3阶谐振器外导体位置关系为W5＝531μm。
图3为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的二极管芯片部分的示意图。
二极管芯片2是单独加工的，所以需要留出贴装位置，可以将内导体向上延伸形成两个台面，二极管芯片2通过梁氏引线6正向贴在所述台面上即可。二极管芯片2延伸出本体的部分与外导体连接；增加二极管芯片2的散热通道，可以提高倍频器的散热性能。本发明设计有三对反向并联的二极管芯片来实现倍频功能，如图3所示。本发明还通过设计梁氏引线6添加直流偏压，提高倍频器的输出效率，直流偏压通过侧面同轴线内导体向上延伸形成台面连接梁氏引线得到。该部分的总长度为W19＝726μm，共用的侧壁厚度为W20＝176μm，三层延伸台面具体尺寸为：第1层长度为W21＝150μm，宽度为L20＝209μm，高度为H8-H7＝150μm，第2层长度为W20＝100μm，宽度为L20＝209μm，高度为H7＝100μm，第3层长度为W20＝100μm，宽度为L19＝176μm，高度为H7＝50μm。第3层和第2层宽度差为2×L18＝33μm。
图4为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的输出端，输出阻抗匹配网络的示意图，图4(a)为阻抗匹配网络的整体示意图，图4(b)为阻抗匹配网络的内导体的示意图。
为了将输出阻抗匹配至特征阻抗，同时调节低频信号在输出端保持开路，本发明通过添加一段串联的高低阻抗线来实现阻抗匹配功能，从而改善倍频器输出匹配，提高倍频器的输出功率。输出阻抗匹配网络及释放孔的具体尺寸为：输出阻抗匹配网络总长度为W24＝1628μm，低阻抗线的总长度为W26＝649μm，低阻抗线的宽度为L22＝400μm，高度为H10＝250μm，高阻抗线的总长度为W25＝979μm，高阻抗线的宽度为L21＝190μm，高度为H9＝150μm。释放孔的长度、宽度和高度均一致为W22＝200μm，释放孔间隔距离为W23＝300μm。
图5为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的直流偏压输入示意图，直流电压输入端口采用同轴线内导体向上延伸出的台面与二极管芯片相接，延伸台面具体尺寸为：直流电压输入端长度为W28＝1500μm，宽度为L25＝209μm，高度为H14＝150μm，台面第1层高度为H13＝250μm，第2层长度为W27＝100μm，宽度为L20＝176μm，高度为H12＝50μm，第1层和第2层宽度差为2×L24＝33μm。
图6为本发明实施例提供的一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器的整体示意图。
以上为对本发明所提供的一种基于三维金属微加工的超宽带表贴式倍频器的设计方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，包括从输入到输出端依次连接的输入匹配网络(1)、二极管芯片(2)、输出阻抗匹配网络(3)、直流电压输入端口(4)；输入匹配网络用于限制倍频信号的流向，抑制倍频信号流向输入端，使其只能从输出端流出，输入匹配网络采用三阶L型枝节的结构，用于实现输入端的后级电路与输入端口之间的阻抗匹配；二极管芯片(2)用于实现信号的倍频，设置二极管芯片(2)处的同轴线内导体延伸出两个台面，二极管芯片(2)通过梁氏引线正向贴装在所述台面上，二极管芯片(2)与外导体通过金线键合连接形成接地；输出阻抗匹配网络(3)用于调节倍频信号，在输入端开路；直流电压输入端口(4)用于实现添加电路直流偏压。
2.根据权利要求1所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，三阶L型枝节的结构在170GHz左右10％的频率产生带外抑制零点。
3.根据权利要求2所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，输入匹配网络(1)的第1阶谐振器枝节内导体与第3阶谐振器内导体位于输入匹配网络(1)的同一侧，第2阶谐振器枝节内导体位于输入匹配网络(1)的另一侧。
4.根据权利要求1所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，二极管芯片(4)设置三对反向并联的二极管对实现平衡结构。
5.根据权利要求1所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，输入匹配网络(1)采用两侧串联高低阻抗线的形式实现，低阻抗线等效为电容，高阻抗线等效为电感。
6.根据权利要求1所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，输出阻抗匹配网络(3)采用串联高低阻抗线的形式实现，低阻抗线等效为电容，高阻抗先等效为电感。
7.根据权利要求1所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，同轴线内导体外侧设置外导体，在外导体和同轴线内导体之间沿着长度方向间隔布置介质支撑条。
8.根据权利要求7所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，外导体上开设有释放孔(5)，所述释放孔(5)用于辅助洗胶，释放孔(5)的长度、宽度和高度相同。
9.根据权利要求1所述的基于三维金属微加工的高功率表贴式倍频器，其特征在于，芯片上设置梁氏引线(6)，所述梁氏引线(6)用于外接直流偏压。
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