專利名稱：一種蘭格耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耦合器，特別是涉及一種用于MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit,中文名為單片微波集成電路)平衡放大器 的蘭格耦合器。
背景技術(shù)：
眾所周知，蘭格耦合器是廣泛用于平衡放大器結(jié)構(gòu)中，且其相比 于其它耦合器，采用該蘭格耦合器所構(gòu)成的平衡放大器能夠得到更寬 的帶寬，能夠很好的改善輸入、輸出端口的匹配狀況，并且能夠得到 很好的輸入、輸出駐波比，以及穩(wěn)定性的提高。同時，該種基于蘭格 耦合器基礎(chǔ)上的平衡放大器亦改善了放大器的線性度，使之ldB壓 縮點改善3dB，三階交調(diào)改善3dB。
在較低頻段中，由于蘭格耦合器的尺寸比較大， 一般都是采用微 帶線來制作指條，然后再利用金絲跳線去互連各指條，參閱圖1中所 示，該蘭格耦合器需要四段金絲跳線2去連接各指條11，并且每段 金絲跳線2的壓點都是在指條11上，因此，則需要要求指條11的寬 度必須滿足金絲壓點的尺寸要求，所以該種情況下的指條寬度W — 般都是在50pm以上。
然而，在較高頻段中，比如在Ka波段，由于蘭格耦合器的指條 寬度和指條間距都非常之小，所以如再采用金絲跳線來實現(xiàn)各指條間 的互連則是不大可能，因此對應(yīng)用于該頻段中的蘭格耦合器則一般都
3是采用介質(zhì)隔離或者借助空氣橋技術(shù)來實現(xiàn)各指條間的互連。
對于采用介質(zhì)隔離的方法，該種蘭格耦合器的指條為分別位于兩 個平面上，其中間為采用介質(zhì)進行隔離。但由于在位于上述兩平面的
指條與介質(zhì)間會形成MIM (Metal-Insulator-Metal，中文名為金屬-絕 緣層-金屬)電容，而該MIM電容則是會影響到蘭格耦合器的性能。 因此，為了減輕對蘭格耦合器的影響， 一般情況下都是采用低介電常 數(shù)的介質(zhì)來進行隔離，然而，在商用MMIC工藝中， 一般都是采用 Si3N4 (介電常數(shù)為7.2)的介質(zhì)來進行隔離，其厚度為0.2jim左右， 會形成較大的MIM電容，所以在商用的MMIC工藝中，采用介質(zhì)隔 離的方法來制作蘭格耦合器是不足取的。
而對于基于空氣橋技術(shù)的蘭格耦合器而言，則通常是采用一次布 線(薄金屬)來制作長尺寸的指條，而采用二次布線(厚金屬)來制 作短尺寸的空氣橋來作為指間互連線，由于長尺寸的指條是用薄金屬 制作，短尺寸的指間互連線是采用厚金屬制作，因此，該種結(jié)構(gòu)的蘭 格耦合器可以保證工藝的精度。但是由于其中的一次布線會增加蘭格 耦合器的電阻性損耗，所以對于應(yīng)用于微波/毫米波平衡式寬帶低噪 聲放大器的蘭格耦合器而言，由于蘭格耦合器的損耗是直接與噪聲系 數(shù)的惡化程度相關(guān)，因此，在上述技術(shù)下，會嚴(yán)重影響到微波/毫米 波平衡式寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)并使得其惡化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了減小蘭格耦合器的損耗以及蘭格耦合器對微波/毫米 波平衡式寬帶低噪聲放大器之噪聲系數(shù)的影響，本發(fā)明提出了一種用 于MMIC平衡放大器中的新結(jié)構(gòu)的蘭格耦合器。
本發(fā)明所述之蘭格耦合器為分別采用不同厚度的金屬層來制作指條以及指條間的互連線，即所述指條為采用二次布線(厚金屬)制 作，所述指條間的互連線為采用一次布線(薄金屬)制作，由此來降
低蘭格耦合器的電阻性損耗；又，且在該所述指條與指條間互連線的
連接處為采用刻孔加以連接，并且在該所述指條與指條之間互連線的 交叉處則是采用空氣橋跨越，從而既保證了工藝的精度，也亦避免了
指條與互連線之間產(chǎn)生MIM電容，進而也使得該所述蘭格耦合器所 應(yīng)用的微波/毫米波平衡式寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)之惡化程度 得到了降低。
此外，本發(fā)明所述蘭格耦合器亦根據(jù)MMIC工藝規(guī)則和蘭格耦 合器性能優(yōu)化折衷指條寬度和指間距。
與現(xiàn)有的蘭格耦合器結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所述蘭格耦合器的損耗以 及其對微波/毫米波平衡式寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)的惡化程度 亦都得到了明顯降低。


圖1為采用金絲跳線連接的蘭格耦合器的視圖2為本發(fā)明蘭格耦合器的立體視圖3為本發(fā)明蘭格耦合器的平面視圖4為基于空氣橋技術(shù)的傳統(tǒng)蘭格耦合器仿真結(jié)果視圖5為本發(fā)明蘭格耦合器仿真結(jié)果視圖6為基于空氣橋技術(shù)的傳統(tǒng)蘭格耦合器損耗仿真視圖7為本發(fā)明蘭格耦合器損耗仿真視圖8為W=13pm， S = 7pm的蘭格耦合器損耗仿真結(jié)果視圖9為W二llpm， S-9nm的蘭格耦合器損耗仿真結(jié)果視圖10為基于本發(fā)明蘭格耦合器的24—40GHz微波/毫米波平衡式寬帶低噪聲放大器增益測試結(jié)果視圖11為基于本發(fā)明蘭格耦合器的24—40GHz微波/毫米波平衡式
寬帶低噪聲放大器輸入駐波比測試結(jié)果視圖12為基于本發(fā)明蘭格耦合器的24—40GHz微波/亳米波平衡 式寬帶低噪聲放大器輸出駐波比測試結(jié)果視圖13為基于本發(fā)明蘭格耦合器的24—40GHz微波/毫米波平衡 式寬帶低噪聲放大器噪聲系數(shù)測試結(jié)果視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖以及具體實施例來對本發(fā)明所述蘭格耦合器作迸 一步詳細的說明。
參見圖2中所示，本發(fā)明所述蘭格耦合器為分別采用不同厚度的 金屬層來制作指條25以及指條25間的互連線26， g卩，對于所述指 條25，其為采用二次布線(厚金屬)進行制作，然而對于所述指條 25間的互連線26，則其為采用一次布線(薄金屬)來進行制作；又， 且在該所述指條25與指條25之間互連線26的連接處采用刻孔28加 以連接，以及在上述指條25與上述指條25之間的互連線26的交叉 處采用空氣橋27跨越，因此，通過采用上述結(jié)構(gòu)，從而可實現(xiàn)對蘭 格耦合器的損耗的減小，同時，也避免了指條25與指條25間互連線 26之間產(chǎn)生MIM電容，進而也使得該所述蘭格耦合器對微波/毫米波 平衡式寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)之惡化程度得到了降低。
此外，本發(fā)明所述蘭格耦合器可根據(jù)MMIC工藝規(guī)則和蘭格耦 合器性能對所述指條寬度和指條間距進行優(yōu)化折衷，且該所述蘭格耦 合器可為一 3dB正交耦合器。
另，本發(fā)明所述蘭格耦合器的指條25數(shù)目可為多個，以及所述MMIC工藝為至少包括兩層金屬布線。
再參閱圖2中所示，本發(fā)明所述蘭格耦合器以包括五個指條數(shù)， 以及以所述MMIC工藝為包括第一層(圖中未示)和第二層(圖中 未示)的兩層金屬布線的蘭格耦合器為例。其中，該圖中所示的五個 指條25中三個為長指條，兩個為短指條，還有指條25之間的互連線 26，且該所述互連線26為用以連接各指條25。
如圖3所示，25即是指條；26即是指間互連線；指條25與指條 25之間互連線26的交叉處為采用空氣橋27跨越；指條25與指條間 互連線26的連接處采用刻孔28加以連接。其中，所述指條25為采 用二次布線(厚金屬)制作，并位于上層，而所述指條25之間的互 連線26為采用一次布線(薄金屬)制作，且其為位于下層，即該互 連線26為位于上述指條25的下面層；以及所述空氣橋27則是利用 二次布線層的指條25彎曲跨越指條間的互連線26制成，即該所述指 條25與所述互連線26為不接觸，且在該互連線26的表層為覆蓋有 一層起鈍化作用的介質(zhì)薄層。
再見圖3中所示，在該所述蘭格耦合器中，其為包括四個端口， 且該端口分別是端口 21，端口 22，端口 23以及端口 24，其中，端 口21為一輸入端口；端口22為耦合輸出端口；端口23為一直接輸 出端口以及端口 24為一隔離端口，且該端口 24通常為連接一 50Q 的電阻(圖中未示)到地。
結(jié)合上述，如果該所述蘭格耦合器為用于功率分配，則所謂之射 頻信號可從輸入端口 21輸入，自耦合輸出端口 22和直接輸出端口 23輸出，且在耦合輸出端口 22和直接輸出端口 23處得到兩路等幅 的正交信號；如果上述蘭格耦合器為用于功率合成，則與該蘭格耦合 器用于功率分配時的情況相反，即，兩路等幅的正交信號為分別自耦
7合輸出端口 22和直接輸出端口 23輸入，并且該在輸入端口 21輸出 的信號幅度等于耦合輸出端口 22和直接輸出端口 23的信號幅度之 和。
另外，以應(yīng)用于Ka波段(24GHz 40GHz)的蘭格耦合器為例 (本發(fā)明不限于此頻段)，其根據(jù)MMIC工藝設(shè)計規(guī)則的要求如下 即
二次布線線條間距》8nm;
刻孔最小尺寸4fimX4pm;
一次布線與二次布線線條的交疊尺寸》2)im;
空氣橋?qū)挾确秶鷁m 20pm，空氣橋長度^^m。
因此，在滿足性能和確保加工精度的前提下，本發(fā)明之所述蘭格 耦合器亦可根據(jù)上述MMIC工藝規(guī)則和蘭格耦合器性能對指條寬度 和指條間距進行優(yōu)化折衷，即其可對所述指條寬度W和指間距S進 行加寬。
在上述實施例中，上述指條25寬度W取12(im，指條25間間距 S取8pm，指條25長度取750nm，指條25之間互連線26的寬度取 S^im，指條25與指條25之間互連線26的連接處所采用的刻孔28之 大小取4nmX4pm，以及空氣橋27尺寸取20|iimX 16nm，由此，便
可得到本發(fā)明中所述的損耗小以及對微波/毫米波平衡式寬帶低噪聲 放大器之噪聲系數(shù)的惡化程度明顯有降低的蘭格耦合器。
此外，參見圖4和圖5中所示，其分別為采用傳統(tǒng)方法的蘭格耦 合器經(jīng)過電磁場仿真所得到的S參數(shù)仿真結(jié)果和本發(fā)明所述蘭格耦 合器經(jīng)過電磁場仿真所得到的S參數(shù)仿真結(jié)果，另，亦根據(jù)總體損耗 公式
S_loss = dB(mag(S(l ,2)) + mag(S(1,3))) - 3
8從上述可見，較之采用傳統(tǒng)方法的蘭格耦合器，本發(fā)明所述之蘭
格耦合器的損耗要小0.3dB，可參見圖6和圖7中所示。
如果對上述指條25寬度W和指條25間距S的尺寸拉偏再仿真， 即取
(1) 當(dāng)W為13pm， S為7pm時，仿真得到的損耗結(jié)果如圖8
所示；
(2) 當(dāng)W為llpm， S為9pm時，仿真得到的損耗結(jié)果如圖9
所示；
對比圖7、圖8和圖9可見，在考慮工藝偏差土lpm的情況下， 本發(fā)明所述之蘭格耦合器的衰減量變化很小，且較之傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的蘭格 耦合器衰減要小。
另外，通過本發(fā)明所示圖10、圖ll、圖12和圖13中可見，由 本發(fā)明所述之蘭格耦合器所構(gòu)成的24 40GHz微波/毫米波平衡式寬 帶低噪聲放大器明顯可得到良好的駐波比和噪聲系數(shù)。
以上所述實施方式僅為本發(fā)明的最優(yōu)實施例，本發(fā)明不限于上述 實施例，對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理的前提 下對它所做的任何顯而易見的改動，都屬于本發(fā)明的構(gòu)思和所附權(quán)利 要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1. 一種蘭格耦合器，其包括指條以及用以連結(jié)各指條的互連線，其特征在于該所述指條以及指條間的互連線為分別采用不同厚度的金屬層制作，即所述指條為采用二次布線厚金屬制作，指條間互連線則為采用一次布線薄金屬制作，且指條與指條間互連線的連接處為采用刻孔加以連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述蘭格耦合器，其特征在于所述指條與 指條間互連線的交叉處為采用空氣橋跨越。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述蘭格耦合器，其特征在于，所述空氣橋 為利用指條彎曲跨越指條間的互連線制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述蘭格耦合器，其特征在于所述指條之 間的互連線為位于指條下層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述蘭格耦合器，其特征在于所述指條的 指數(shù)至少包括4指條。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述蘭格耦合器，其特征在于所述蘭格耦合器為3dB正交耦合器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蘭格耦合器，其應(yīng)用于MMIC平衡放大器，且該蘭格耦合器基于MMIC工藝設(shè)計，由指條以及指條間的互連線構(gòu)成，其中，指條為采用二次布線厚金屬制作，指條間的互連線為采用一次布線薄金屬制作；另，該指條間的互連線為位于指條的下層，且該指條與指條間的互連線之連接處為采用刻孔加以連接，以及指條與指條間的互連線之交叉處為采用空氣橋跨越技術(shù)，因此，采用此結(jié)構(gòu)進而減小了寄生電容的影響。本發(fā)明所述蘭格耦合器相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的蘭格耦合器，能明顯降低損耗，并且由該結(jié)構(gòu)的蘭格耦合器所構(gòu)成的微波/毫米波平衡式寬帶低噪聲放大器可在寬頻帶范圍內(nèi)同時得到良好的噪聲系數(shù)和輸入、輸出駐波比。
文檔編號H01P5/00GK101453045SQ20071017887
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者劉訓(xùn)春, 張宗楠, 郝明麗, 黃清華 申請人:北京中科新微特科技開發(fā)有限公司