一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器的制作方法

1.本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器。


背景技术：

2.混合环耦合器可以实现射频信号的等幅同相或反相输出，也可以将两路信号合成为和信号或差信号，是电路与系统中必不可少的关键器件，被广泛地用于微波电路当中，例如平衡混频器，推拉放大器，倍频器，天线馈电等。如图1所示，传统的混合环耦合器，由三段λ/4分支线以及一段3λ/4分支线组成一个单环，进行单片集成设计时往往尺寸较大，需要进行小型化设计，然而在半导体工艺，特别是
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体工艺中，由于工艺仅包含两到三层金属层并且衬底底层金属地不可以用来任意地设计电路，这极大地限制了多层结构的小型化集成应用。若引入空气桥实现传输线的交叉以实现小型化需求，则破坏了耦合器电路的完全平面化，提高了加工工艺的要求，同时在太赫兹频段，因空气桥的引入也会恶化传输性能，从而影响耦合器的工作带宽。且
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体工艺中，传输线线宽难以做到很细，通过微带传输线折线方式实现小型化设计效果不佳，在太赫兹频段对微带传输线多次折线也会影响耦合器的工作带宽。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，包括衬底，所述衬底的下表面覆盖金属层，上表面制作微带线电路结构；所述微带线电路结构包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线，其中，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别为端口阻抗匹配微带线，第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线构成双层环形结构混合环；所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别垂直分布于微带线电路结构的四个方向。
5.进一步地，所述第一微带线作为整体电路的输入端口，与所述第五微带线和第八微带线相连；所述第四微带线作为第一输出端口，与所述第五微带线和第六微带线相连；所述第二微带线作为第二输出端口，与所述第七微带线和第八微带线相连；所述第三微带线作为隔离输出端口，与所述第六微带线和第七微带线相连。
6.进一步地，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线的宽度和长度均相同；所述第五微带线、第六微带线和第七微带线均为λ/4分支线，具有相同的长度；所述第八微带线为3λ/4分支线。
7.进一步地，所述第五微带线由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；所述第六微带线由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧
拐角和一条直线段组成；所述第七微带线由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；通过调节其中任意一条直线段的长度实现对应微带线的长度的调节；所述第八微带线依次由一条直线段、1个1/2圆环、一条直线段、1个3/4圆环、一条直线段、1个1/2圆环和一段直线段组成，通过调节其中任意一条直线段的长度以实现第八微带线的长度调节。
8.本发明的有益效果是：本发明通过双层环形结构设计，实现了耦合器电路的完全平面化，使得混合环尺寸相较于传统单环结构尺寸减少58％；端口阻抗匹配微带线垂直分布于外侧环形结构中心线的四个方向，便于后续的端口引出及版图布局，并在保证端口位置不变的情况下，通过调节任意相邻两端口间传输线长度，进一步拓宽耦合器的工作带宽。本发明的太赫兹单片集成小型化环形耦合器具有尺寸小、易加工、性能佳、拓展性好等特点，在诸多电路与电子系统中具有很好的应用优势。
附图说明
9.图1为传统的混合环耦合器的结构示意图；
10.图2为实施例1中一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器的结构示意图；
11.图3为实施例2中一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器的结构示意图；
12.图4为实施例2中第一微带线处的端口被激励时的匹配、隔离、耦合以及传输系数的仿真结果曲线图；
13.图5为实施例2中第三微带线处的端口被激励时的匹配、隔离、耦合以及传输系数的仿真结果曲线图；
14.图6为实施例2中输出端口幅度和相位不平衡的仿真结果曲线图
15.图中，其中，1-衬底，2-底部金属层；3-微带线电路结构；4-第一微带线；5-第二微带线；6-第三微带线；7-第四微带线；8-第五微带线；9-第六微带线；10-第七微带线；11-第八微带线；12-第一直线段；13-第一90
°
圆弧拐角；14-第二直线段；15-第三直线段；16-第二90
°
圆弧拐角；17-第四直线段；18-第五直线段；19-第三90
°
圆弧拐角；20-第六直线段；21-第七直线段；22-第一1/2圆环；23-第八直线段；24-3/4圆环；25-第九直线段；26-第二1/2圆环；27-第十直线段。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，结合附图和实施例，对本发明进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明保护范围。
17.实施例1
18.本发明提供了一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，包括衬底1，所述衬底1的下表面覆盖金属层2；所述衬底1的上表面制作微带线电路结构3。
19.如图2所示，所述微带线电路结构3包括第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6、第四微带线7、第五微带线8、第六微带线9、第七微带线10和第八微带线11，其中，所述第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6和第四微带线7分别为端口阻抗匹配微带线，第五微带
线8、第六微带线9、第七微带线10和第八微带线11成双层环形结构混合环。所述第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6和第四微带线分别垂直分布于微带线电路结构3的四个方向。通过双层环形结构设计，使得混合环尺寸相较于传统单环结构尺寸减少58％。在保证端口位置不变的情况下，可通过调节第五微带线8、第六微带线9、第七微带线10和第八微带线11的长度，以实现耦合器更宽的工作频率范围。
20.所述第一微带线4作为整体电路的输入端口，与所述第五微带线8和第八微带线11相连；所述第二微带线5作为第一输出端口，与所述第五微带线8和第六微带线9相连；所述第四微带线7作为第二输出端口，与所述第七微带线10和第八微带线11相连；所述第三微带线6作为隔离输出端口，与所述第六微带线9和第七微带线10相连。所述第一微带线4和第三微带线6平行对齐，所述第二微带线5和第四微带线7平行对齐。
21.所述第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6和第四微带线7的宽度和长度均相同。所述第五微带线8、第六微带线9和第七微带线10均为λ/4分支线，具有相同的理论长度，所述第五微带线8、第六微带线9和第七微带线10构成微带线电路结构的外环结构；所述第八微带线11为3λ/4分支线，构成微带线电路结构的内环结构。通过外环结构和内环结构构成双层环形结构，如此设计使太赫兹单片集成小型化环形耦合器具有最大工作带宽时第五微带线8、第六微带线9和第七微带线10的实际长度偏离λ/4，同时使所述第八微带线11的实际长度偏离3λ/4。
22.所述第五微带线8由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；所述第六微带线9由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；所述第七微带线10由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；通过调节其中任意一条直线段的长度实现对应微带线的长度的调节。所述第八微带线11依次由一条直线段、1个1/2圆环、一条直线段、1个3/4圆环、一条直线段、1个1/2圆环和一条直线段组成，通过调节其中任意一条直线段的长度以实现第八微带线11的长度调节。
23.本发明提供的一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器的工作过程如下：
24.当第一微带线4的端口被激励时，准tem模式波沿着第一微带线4传输，在环形结中分为两路，分别向第五微带线8和第八微带线11传输，在第二微带线5处的第一输出端口和第四微带线7处的第二输出端口的信号幅度相等，相位相差180
°
，第一输出端口和第二输出端口输出一组差分信号。沿着第五微带线8、第六微带线9传输的电磁波，与沿着第七微带线10、第八微带线11传输的电磁波在第三微带线6处相位相差180
°
相互抵消，所以第三微带线6的输出端口被隔离。
25.当第三微带线6的端口被激励时，准tem模式波沿着第三微带线6传输，在环形结中分为两路，分别向第六微带线9和第七微带线10传输，在第二微带线5处的第一输出端口和第四微带线7处的第二输出端口的信号幅度相等，相位相同，输出一组等幅同相信号；沿着第五微带线8、第六微带线9传输的电磁波，与沿着第七微带线10、第八微带线11传输的电磁波在第一微带线4处相位相差180
°
相互抵消，所以微带线1的输出端口被隔离。
26.当作合路器使用时，输入信号施加在第二微带线5处的第一输出端口和第四微带线7处的第二输出端口，沿着第六微带线9和第七微带线10传输，在第三微带线6的端口输出两路信号的和；沿着第五微带线8和第八微带线11传输，到达第一微带线4处的两路输入信
号相位相差180
°
，电磁波相互抵消，在第一微带线4的端口输出两路信号的差。
27.实施例2
28.目前太赫兹器件及其单片集成电路已经是射频领域的研究热点之一，为了满足未来小型化太赫兹集成电路的设计需求，本发明展示了基于太赫兹单片集成小型化环形耦合器实施例。
29.所述衬底1选用gaas衬底，介电常数12.9，厚度50um，介质损耗0.001，工作中心频率135ghz。利用
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体工艺来实现，工艺成熟，一致性好；具有结构紧凑、尺寸小、端口分布规则、宽带范围内幅度不平衡和相位不平衡特性良好等特点。
30.如图3所示，本发明提供了一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，包括衬底1，所述衬底1选用gaas衬底；所述衬底1的下表面覆盖金属层2，作为微带线电路结构3的地回路；所述衬底1的上表面制作微带线电路结构3。
31.所述第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6和第四微带线7处的端口的特征阻抗均为50ω。所述第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6和第四微带线7的线宽均为35um，长度任意，在本实施例中长度均为70um。
32.所述第五微带线8、第六微带线9和第七微带线10均为λ/4分支线，具有相同的线宽和理论长度；在本实施例中，线宽均为13um，理论长度均为190um。所述第八微带线11为3λ/4分支线，线宽为13um，理论长度为570um。
33.所述第五微带线8依次由第一直线段12、第一90
°
圆弧拐角13和第二直线段14组成，其中，第一直线段12和第二直线段14的长度为70um，第一90
°
圆弧拐角13的半径为45um；所述第六微带线9依次由第三直线段15、第二90
°
圆弧拐角16和第四直线段17组成，其中，第三直线段15和第四直线段17的长度为10um，第二90
°
圆弧拐角16的半径为105um；所述第七微带线10依次由第五直线段18、第三90
°
圆弧拐角19和第六直线段20组成，其中，第五直线段18和第六直线段20的长度为40um，第三90
°
圆弧拐角19的半径为75um；所述第八微带线11依次由第七直线段21、第一1/2圆环22、第八直线段23、3/4圆环24、第九直线段25、第二1/2圆环26和第十直线段组成，其中，所述第七直线段21和第八直线段23平行且长度均为10um，所述第九直线段25和第十直线段平行且长度均为65um，3/4圆环24的半径为74um，第一1/2圆环22和第二1/2圆环26的半径为27um。所述第五微带线8、第六微带线9、第七微带线10和第八微带线11中各个部分的线宽均为13um。本发明中，半径均指圆环或圆弧拐角的外径。
34.如图4和图5所示，在中心频率为135ghz下，实施例中第一微带线4处的端口和第三微带线6处的端口被激励时的回波损耗、隔离度和传输损耗等参数：
35.当第一微带线4处的端口被激励时，在100ghz到163.3ghz频率内其回波损耗小于-10db；当第三微带线6处的端口被激励时，在105ghz到170ghz频率范围内其回波损耗小于-10db；在122.1ghz到170ghz频率范围内，第一微带线4处的端口与第三微带线6处的端口之间的隔离度大于20db；在117.6ghz到168.3ghz范围内，第一微带线4处的端口与第二微带线5处的端口之间的传输损耗s21、第一微带线4处的端口与第四微带线7处端口之间的传输损耗s41幅值均在-3.5
±
1db。
36.图6为实施例的幅度、相位不平衡仿真结果。如左轴，在126.6ghz到165.8ghz频率范围内幅度不平衡||s21|-|s41||及||s23|-|s43||均小于0.5db。右轴为本实施例的相位不平衡曲线，在120.2ghz到147.7ghz频率范围内相位不平衡度为180
±7°
。整个实施例的尺
寸大小为0.37mm
×
0.37mm
×
0.05mm，具有小型化和集成化特点，基于半导体工艺的单片集成小型化环形耦合器，可以采用集成电路技术进行加工，具有低成本、小尺寸、一致性好等优势，具有广阔的应用前景。
37.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

技术特征：
1.一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，其特征在于，包括衬底(1)，所述衬底(1)的下表面覆盖金属层(2)，上表面制作微带线电路结构(3)；所述微带线电路结构(3)包括第一微带线(4)、第二微带线(5)、第三微带线(6)、第四微带线(7)、第五微带线(8)、第六微带线(9)、第七微带线(10)和第八微带线(11)，其中，所述第一微带线(4)、第二微带线(5)、第三微带线(6)和第四微带线(7)分别为端口阻抗匹配微带线，第五微带线(8)、第六微带线(9)、第七微带线(10)和第八微带线(11)成双层环形结构混合环；所述第一微带线(4)、第二微带线(5)、第三微带线(6)和第四微带线(7)分别垂直分布于微带线电路结构(3)的四个方向。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，其特征在于，所述第一微带线(4)作为整体电路的输入端口，与所述第五微带线(8)和第八微带线(11)相连；所述第二微带线(5)作为第一输出端口，与所述第五微带线(8)和第六微带线(9)相连；所述第四微带线(7)作为第二输出端口，与所述第七微带线(10)和第八微带线(11)相连；所述第三微带线(6)作为隔离输出端口，与所述第六微带线(9)和第七微带线(10)相连。3.根据权利要求1所述的一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，其特征在于，所述第一微带线(4)、第二微带线(5)、第三微带线(6)和第四微带线(7)的宽度和长度均相同；所述第五微带线(8)、第六微带线(9)和第七微带线(10)均为λ/4分支线，具有相同的理论长度；所述第八微带线(11)为3λ/4分支线。4.根据权利要求1所述的一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，其特征在于，所述第五微带线(8)由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；所述第六微带线(9)由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；所述第七微带线(10)由1/4圆环组成或依次由一条直线段、一段90
°
圆弧拐角和一条直线段组成；通过调节其中任意一条直线段的长度实现对应微带线的长度的调节；所述第八微带线(11)依次由一条直线段、1个1/2圆环、一条直线段、1个3/4圆环、一条直线段、1个1/2圆环和一条直线段组成，通过调节其中任意一条直线段的长度以实现第八微带线(11)的长度调节。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹单片集成小型化环形耦合器，衬底的下表面覆盖金属层，衬底的上表面制作微带线电路结构；微带线电路结构8条微带线，其中，第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别为端口阻抗匹配微带线，第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线构成双层环形结构混合环；第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别垂直分布于微带线电路结构的四个方向；通过双层环形结构设计，使得混合环尺寸相较于传统单环结构尺寸减少58％。该双层环形结构，在保证端口位置不变的情况下，通过调节任意相邻两个端口之间微带线长度，以实现更宽频率范围内的幅相平衡，同时规则的端口布局也有利于在该环形耦合器的基础上进行的单片集成电路小型化设计。合器的基础上进行的单片集成电路小型化设计。合器的基础上进行的单片集成电路小型化设计。


技术研发人员：韩欣丽 余显斌 卢驰
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/9/14