專利名稱：基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-λ/4毫米波諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于硅技術(shù)的毫米波振蕩源發(fā)生裝置，尤其是涉及一種基于硅 工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-A/4毫米波諧振器。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，微波波段頻譜資源已不堪重負(fù)，進(jìn)一步 開發(fā)、利用比微波頻段有更大帶寬、更大通信容量的毫米波頻譜資源甚為迫切。 近年來(lái)，對(duì)于毫米波波段應(yīng)用的研究(如短距離大容量無(wú)線通信系統(tǒng)、傳感器 網(wǎng)絡(luò)、車輛防撞系統(tǒng)等)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。特別是對(duì)于60GHz頻段，美國(guó) FCC(Federal Communication Commissions)已將57誦64GHz頻段作為工業(yè)、科學(xué)、 醫(yī)療(ISM)應(yīng)用頻段，日本和歐洲也已開放59-62GHz頻段。
毫米波射頻集成電路前端傳統(tǒng)上主要基于化合物半導(dǎo)體如砷化鎵、磷化銦 等。近年來(lái)隨著RFCMOS， SiGe BiCMOS的進(jìn)步，現(xiàn)代先進(jìn)的SiGe雙極晶體管 截至頻率已超過200GHz，毫米波集成電路前端己可基于硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這使得毫 米波射頻前端電路與數(shù)字信號(hào)處理等電路集成到同一硅基片上成為可能，從而 實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，顯著地降低成本，使基于硅技術(shù)的通信、網(wǎng)絡(luò)與雷達(dá)裝置同目 前的移動(dòng)通信設(shè)備一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶。
目前基于硅技術(shù)的毫米波射頻集成電路研究的薄弱環(huán)節(jié)之一是射頻振蕩器 功率輸出較小， 一般都在10dBm(10mW)量級(jí)，對(duì)于毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)中的基 站以及毫米波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)而言，很多情況下不能滿足應(yīng)用需求。針對(duì)這一問 題，本發(fā)明公開一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TMourA/4毫米波諧振器，可以將振
蕩器輸出功率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-A/4毫米波諧振器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
該諧振器由硅基片層上的兩個(gè)以上有源電路，封裝層上與有源電路相應(yīng)個(gè)
數(shù)的A74諧振器，金屬圓柱，工作在TM010模的包括第一導(dǎo)電金屬板、圓柱波 導(dǎo)和第二導(dǎo)電金屬板構(gòu)成的圓柱波導(dǎo)諧振器和用于功率輸出的矩形波導(dǎo)組成； 每個(gè)有源電路的兩個(gè)輸出端a、 b與對(duì)應(yīng)諧振器的兩個(gè)開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個(gè)諧振器的兩個(gè)短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器在第一 導(dǎo)電金屬板上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板上的槽縫實(shí)現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)裝 配在第一、第二導(dǎo)電金屬板之間，矩形波導(dǎo)的一個(gè)矩形壁和圓柱波導(dǎo)外壁相交， 相交的公共部分去除以實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和圓柱波導(dǎo)的能量耦合。 本發(fā)明具有的有益的效果是
該三維結(jié)構(gòu)TM,-V4諧振器中的A/4諧振器做成三維結(jié)構(gòu)，適合于在基于 硅工藝的封裝層面上實(shí)現(xiàn)；構(gòu)成X/4諧振器的差分傳輸線與基片表面垂直，也即 與基片表面平行分布的電源線、信號(hào)線正交，相互耦合影響小，同時(shí)與傳統(tǒng)二 維差分傳輸線相比，三維結(jié)構(gòu)差分傳輸線遠(yuǎn)離硅基片層，基片損耗影響降低； TNI,圓柱波導(dǎo)諧振器的儲(chǔ)能(或Q值)遠(yuǎn)高于A/4諧振器，故該三維結(jié)構(gòu) TMcl。-A/4諧振器的Q值將可以較傳統(tǒng)A/4諧振器大很多；該三維結(jié)構(gòu)TMo1()-A/4 諧振器可以有效的將多個(gè)A/4諧振器的功率進(jìn)行合成，獲得高于傳統(tǒng)X/4諧振器 輸出功率一個(gè)數(shù)量級(jí)的振蕩輸出。因此，在基于硅工藝的毫米波集成電路領(lǐng)域 具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
圖1是本發(fā)明公開的TMQ1(rA/4諧振器縱剖視圖。
圖2是本發(fā)明中的硅基片上基于反相器對(duì)的有源電路實(shí)現(xiàn)方式。
圖3是本發(fā)明中的硅基片上基于交叉耦合對(duì)的有源電路實(shí)現(xiàn)方式。
圖4是本發(fā)明中的A/4諧振器三維結(jié)構(gòu)圖。
圖5是圖1中A-B剖切的橫剖視圖。
圖6是本發(fā)明中的TM。u)圓柱波導(dǎo)諧振器三維結(jié)構(gòu)圖。
圖7是圖1的線C-D剖切的橫剖視圖。
圖中1、有源電路，2、 諧振器，3、金屬圓柱，4、 TMou)圓柱波導(dǎo)諧 振器，4a、第一導(dǎo)電金屬板，4b、圓柱波導(dǎo)，4c、第二導(dǎo)電金屬板，5、矩形波 導(dǎo)，6、槽縫。
具體實(shí)施例方式
如圖l、圖4、圖5、圖6、圖7所示，本發(fā)明由硅基片層上的兩個(gè)以上有 源電路l，封裝層上與有源電路1相應(yīng)個(gè)數(shù)的X/4諧振器2，金屬圓柱3，工作 在TM010模的包括第一導(dǎo)電金屬板4a、圓柱波導(dǎo)4b和第二導(dǎo)電金屬板4c構(gòu)成 的圓柱波導(dǎo)諧振器4和用于功率輸出的矩形波導(dǎo)5組成；每個(gè)有源電路1的兩 個(gè)輸出端a、 b與對(duì)應(yīng)X/4諧振器2的兩個(gè)開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn) 行連接，每個(gè)A/4諧振器2的兩個(gè)短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器4在第一導(dǎo)電金屬板


4a上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板4a上的槽縫6實(shí)現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)5裝配 在第一、第二導(dǎo)電金屬板4a、 4c之間，矩形波導(dǎo)5的一個(gè)矩形壁和圓柱波導(dǎo)4b 外壁相交，相交的公共部分去除以實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)5和圓柱波導(dǎo)4b的能量耦合。 如圖2所示，所述的有源電路1為反相器對(duì)有源電路。 如圖3所示，所述的有源電路1為交叉耦合對(duì)有源電路。 所述的有源電路l個(gè)數(shù)為輸出功率而定，輸出功率越大個(gè)數(shù)越多。 整個(gè)諧振器的工作原理如下
(a) 硅基片上的有源電路1具有負(fù)阻特性，為封裝層中的對(duì)應(yīng)X/4諧振器2 提供能量，也即為整個(gè)TM,-X/4諧振器提供能量；
(b) A74諧振器2的兩個(gè)差分傳輸線與硅基片層上相接的一端開路，與封裝 層中的圓柱波導(dǎo)諧振器4端面相接的一端通過第一導(dǎo)電金屬板4a實(shí)現(xiàn)短路，短 路端的磁力線方向與差分傳輸線短路端兩端點(diǎn)連線垂直，即在圓柱波導(dǎo)諧振器 端面的圓周方向；
(c) 沿該圓周方向在封裝層中的圓柱波導(dǎo)諧振器4與A/4諧振器2相接的端 面，即第一導(dǎo)電金屬板4a的槽縫6，通過磁力線實(shí)現(xiàn)多個(gè)X/4諧振器2和圓柱 波導(dǎo)諧振器4的耦合，激勵(lì)出圓柱波導(dǎo)4b的TM。K)模式振蕩，將所有X/4諧振 器(2)的振蕩同相鎖定，并進(jìn)行功率合成；
(d) 合成后的振蕩信號(hào)功率輸出耦合到矩形波導(dǎo)5進(jìn)行輸出。 下面以工作在60GHz的TM。1Q-A/4諧振器為例，其中有源電路個(gè)數(shù)為2個(gè)，
具體闡述各個(gè)部分的實(shí)施方式。
硅基片上的有源電路1可以采用如圖2所示的反相器對(duì)有源電路方案，該 電路易于起振，并具有較高的效率，也可以采用如圖3所示的交叉耦合對(duì)有源 電路方案，此電路的特性是改變偏置電流即可控制其非線性特性。
在硅基片層和封裝層交界面上，將提供負(fù)阻的兩個(gè)反相器對(duì)電路或兩個(gè)交 叉耦合對(duì)電路兩端a、 b與封裝層上的對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的X/4諧振器2的兩端連接，如 圖1所示，實(shí)現(xiàn)負(fù)阻電路為振蕩部分電路提供能量的功能。
A/4諧振器為X/4差分傳輸線諧振器的簡(jiǎn)稱，由長(zhǎng)度為X/4(X為介質(zhì)中波長(zhǎng)) 的差分傳輸線構(gòu)成， 一端開路， 一端短路。封裝層中的多個(gè)X/4諧振器2的實(shí)現(xiàn) 方法如圖4 (從圖l所示諧振系統(tǒng)底部對(duì)A/4諧振器進(jìn)行觀察的側(cè)視圖)所示。 圖4中，與X/4諧振器2短路面圓柱波導(dǎo)4b的圓周一致的方向開了兩個(gè)槽縫， 在每個(gè)槽縫的兩側(cè)沿圓柱波導(dǎo)4b圓周的徑向放置差分傳輸線的兩個(gè)X/4導(dǎo)體。 在實(shí)際制作加工時(shí)，這兩個(gè)導(dǎo)體可以由封裝層面上的圓柱形金屬過孔構(gòu)成，金屬過孔一端開路，另一端由第一導(dǎo)電金屬板4a短路，如圖4所示，其相應(yīng)的橫 剖視圖如圖5所示。金屬過孔的加工在硅半導(dǎo)體工藝中是容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于 60GHz的振蕩，若封裝介質(zhì)材料相對(duì)介電系數(shù)e^4，則對(duì)應(yīng)為0.625mm，即 差分傳輸線長(zhǎng)度為0.625mm，而差分傳輸線的半徑可以取0.05mm。
差分傳輸線短路端的磁力線方向與差分傳輸線短路端兩端點(diǎn)連線垂直，即 在圓柱波導(dǎo)諧振器4端面的圓周方向。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)X/4諧振器2和圓柱波導(dǎo) 4b的耦合，激勵(lì)出圓柱波導(dǎo)4b的TM,模，如圖4所示，沿圓柱波導(dǎo)4b圓周 方向在封裝層中的圓柱波導(dǎo)諧振器4與A/4諧振器2連接的第一導(dǎo)電金屬板4a 開槽縫6。
圖4中位于兩個(gè)X/4諧振器2中間的金屬圓柱3的作用，是用來(lái)使每個(gè)A/4 諧振器的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布滿足很純的X/4諧振器工作狀態(tài)的。在使用半導(dǎo)體工藝 制作時(shí)，該金屬圓柱3使用沿圓柱一周多個(gè)緊密排列的過孔來(lái)制作。圖4，圖5 中為畫圖方便起見，未用多個(gè)過孔方式表示該金屬圓柱3。
封裝層中的工作于TMou)圓柱波導(dǎo)諧振器4的三維結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，其相 應(yīng)的橫剖視如圖7所示;其中TM,圓柱波導(dǎo)諧振器的圓柱波導(dǎo)壁同樣使用沿圓 周方向等間距排列的多個(gè)金屬過孔來(lái)制作，如圖6所示。當(dāng)圓柱波導(dǎo)工作在TMwo 模時(shí)，只有波導(dǎo)圓周方向的磁場(chǎng)和沿圓柱軸向的電場(chǎng)，因此使用多個(gè)金屬過孔 代替圓柱波導(dǎo)壁是可行的。而且，由于TM,模不是圓柱波導(dǎo)的最低模，使用這 一結(jié)構(gòu)可以抑制其它低次模，使圓柱波導(dǎo)諧振器僅工作在TM,模。圖7中為畫 圖方便起見，未用多個(gè)過孔方式表示該圓柱波導(dǎo)4b。
圖6中TM,圓柱波導(dǎo)諧振器4右側(cè)的矩形波導(dǎo)5是用于將TM(nc諧振器4 中合成的功率進(jìn)行輸出，矩形波導(dǎo)5的一個(gè)矩形壁和圓柱波導(dǎo)4b外壁相交部分 被去除以實(shí)現(xiàn)兩者之間的能量耦合。與TMoK)圓柱波導(dǎo)諧振器4圓柱波導(dǎo)壁的制 作類似，該矩形波導(dǎo)壁也可以使用多個(gè)金屬過孔實(shí)現(xiàn)，以符合半導(dǎo)體制作工藝 要求。圖7中為畫圖方便起見，未用多個(gè)過孔方式表示該矩形波導(dǎo)壁。
TMoH)圓柱波導(dǎo)諧振器的儲(chǔ)能(或Q值)遠(yuǎn)高于V4諧振器，故頻率主要取 決于TM,圓柱波導(dǎo)諧振器的諧振頻率。只要TM,圓柱波導(dǎo)諧振器能穩(wěn)定地工 作，就能同步鎖定兩個(gè)V4振蕩器的振蕩。因?yàn)閳A柱波導(dǎo)諧振器圓周壁使用多個(gè) 過孔制作，使得它只能工作于TM,模，從而確保TMourA/4諧振系統(tǒng)使兩個(gè)A/4 諧振器同步穩(wěn)定地工作于A/4振蕩模式。
權(quán)利要求
1.一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-λ/4毫米波諧振器，其特征在于該諧振器由硅基片層上的兩個(gè)以上有源電路(1)，封裝層上與有源電路(1)相應(yīng)個(gè)數(shù)的λ/4諧振器(2)，金屬圓柱(3)，工作在TM010模的包括第一導(dǎo)電金屬板(4a)、圓柱波導(dǎo)(4b)和第二導(dǎo)電金屬板(4c)構(gòu)成的圓柱波導(dǎo)諧振器(4)和用于功率輸出的矩形波導(dǎo)(5)組成；每個(gè)有源電路(1)的兩個(gè)輸出端a、b與對(duì)應(yīng)λ/4諧振器(2)的兩個(gè)開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個(gè)λ/4諧振器(2)的兩個(gè)短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器(4)在第一導(dǎo)電金屬板(4a)上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板(4a)上的槽縫(6)實(shí)現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)(5)裝配在第一、第二導(dǎo)電金屬板(4a、4c)之間，矩形波導(dǎo)(5)的一個(gè)矩形壁和圓柱波導(dǎo)(4b)外壁相交，相交的公共部分去除以實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)(5)和圓柱波導(dǎo)(4b)的能量耦合。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-X/4毫米波諧 振器，其特征在于所述的有源電路(l)為反相器對(duì)有源電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-X/4毫米波諧 振器，其特征在于所述的有源電路(l)為交叉耦合對(duì)有源電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM010-X/4毫米波諧 振器，其特征在于所述的有源電路(l)個(gè)數(shù)為輸出功率而定，輸出功率越大個(gè)數(shù)越多。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硅工藝的三維結(jié)構(gòu)TM₀₁₀-λ/4毫米波諧振器。兩個(gè)有源電路的兩個(gè)輸出端a、b與對(duì)應(yīng)λ/4諧振器的兩個(gè)開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個(gè)λ/4諧振器的兩個(gè)短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器在第一導(dǎo)電金屬板上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板上的槽縫實(shí)現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)裝配在第一、第二導(dǎo)電金屬板之間，矩形波導(dǎo)的一個(gè)矩形壁和圓柱波導(dǎo)外壁相交，相交的公共部分去除以實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和圓柱波導(dǎo)的能量耦合。本發(fā)明適合于在基于硅工藝的封裝層面上實(shí)現(xiàn)，無(wú)源電路與硅基片上的電源、信號(hào)線耦合小，硅基片的損耗影響小，同時(shí)能夠獲得比傳統(tǒng)λ/4諧振器高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的功率輸出，因此在基于硅工藝的毫米波集成電路中具有應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H01P7/00GK101582531SQ20091010006
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者史治國(guó), 洪少華, 王先鋒, 陳俊豐, 陳抗生 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)