一种基于mems技术的硅基siw毫米波大功率功分器
阅读说明：本技术 一种基于mems技术的硅基siw毫米波大功率功分器 (Silicon-based SIW millimeter wave high-power divider based on MEMS technology ) 是由 朱啸宇 王晔 曹雪松 蔡传涛 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器,包括硅基板,设置于硅基板内的TSV过孔,由TSV过孔构成的SIW结构,设置于SIW内部的TSV过孔,设置于SIW结构与共面波导间的过渡微带,设置于金层上表面的开槽,设置于开槽上的氮化钽电阻,设置于输入输出端口的共面波导,还包括感性金属柱。本发明所公开的基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器具有体积小、加工精度高、易于集成、功率容量大、集成度高、设计自由度高、隔离度高、传输损耗低、回波损耗小等特点,可广泛应用在毫米波频段的大功率合成中。(The invention discloses a silicon-based SIW millimeter wave high-power divider based on an MEMS technology, which comprises a silicon substrate, TSV through holes arranged in the silicon substrate, an SIW structure formed by the TSV through holes, the TSV through holes arranged in the SIW, transition micro-strips arranged between the SIW structure and coplanar waveguides, a groove arranged on the upper surface of a gold layer, a tantalum nitride resistor arranged on the groove, the coplanar waveguides arranged at an input/output port and an inductive metal column. The silicon-based SIW millimeter wave high-power divider based on the MEMS technology has the characteristics of small size, high processing precision, easiness in integration, high power capacity, high integration level, high design freedom, high isolation, low transmission loss, low return loss and the like, and can be widely applied to high-power synthesis of millimeter wave frequency bands.)
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器，属于毫米波功率放大芯片合成技术领域。
背景技术
近年来，由于通信技术的飞速发展，微波及毫米波器件及系统的研究和开发受到了越来越广泛的关注。毫米波具有分辨率高、信息容量大、可利用频谱范围宽、抗干扰能力强等特性，并且由于毫米波波长短，因此对应的器件及系统体积小，更易于集成。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是一种新型微波、毫米波导波结构。这种结构在介质基片中按一定间隔排列多个金属化通孔的结构等效为波导光滑侧壁，从而与上下表面金属围成一个准封闭的导波结构，保持了金属波导的低插损、高功率容量等特点。这种平面集成传输线除了拥有和波导类似的传输特性，还兼有微带传输线的平面集成特性。因此SIW具有传输损耗小、Q值高、体积小、重量轻、结构简单、易于集成等特点，被广泛应用在毫米波电路和高集成度微波电路，诸如功分器、滤波器、环形器等。
微波功率放大器是微波系统中的重要电路部件，广泛应用于无线、基站以及卫星通信系统中。在这些电子领域，单个功率器件由于物理机理和制造工艺的限制，通常需要借助功率合成技术提高发射功率，增大探测和作用距离。相比于常见的Lange电桥，由于电桥的尺寸受波长影响较大，在毫米波段电桥的尺寸过小，无法将端口调整与芯片端口齐平，不便于芯片的合成。而SIW功分器由于其波导类似的传输特性，其端口位置和尺寸有更大的设计自由度。基于SIW的功分器因为其特殊的传输特性在毫米波段表现出了低传输损耗、大功率容量、结构简单等优势。
在传统的SIW功分器结构中多采用印刷电路板(PCB)工艺或低温共烧结陶瓷(LTCC)工艺等，在加入电阻等器件时，需要采用电子装配工艺焊接表贴器件，在大批量装配时增加了一道工序，并且电阻等器件经过标准封装后尺寸大、不易于集成；其次，采用PCB或LTCC工艺加工时，对金属化通孔的孔径和孔间距都有严格的限制，在高频段时金属化通孔的间距无法阻止能量泄露，再叠加工艺制作的公差，将对微波射频性能造成很大的影响；另一方面，介质板或者陶瓷片的导热能力都较弱，在大功率工作条件下无法帮助电阻进行散热。
因此，传统的SIW功分器无法兼顾装配工艺、集成度、加工精度及热传导能力等方面的需求，这都大大限制了其在毫米波及以上频率的大功率合成领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器，满足毫米波SIW功分器的装配工艺、集成度、加工精度及热传导的多方面需求，具有体积小、加工精度高、易于集成、功率容量大、集成度高、设计自由度高、隔离度高、传输损耗低、回波损耗小等优点，具有通用性，可广泛应用于毫米波收发系统中。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器，包括硅基板、构成SIW结构的TSV过孔、感性金属柱、过渡微带、开槽、氮化钽电阻和共面波导；
所述功分器的两个输出端口关于功分器的输入端口对称，SIW结构关于功分器的输入端口对称，输入端口设置于硅基板上表面一侧，两个输出端口设置于与输入端口所在侧相对的另一侧；
所述TSV过孔设置于硅基板内，且TSV过孔连通硅基板的上、下表面，在功分器的一个输入端口和两个输出端口均设置有共面波导，过渡微带设置于SIW结构与共面波导之间，硅基板的上表面覆有金层，所述开槽设置于金层上表面，功分器的两个输出端口关于开槽对称，开槽的其中一端正对输入端口，感性金属柱设置于开槽的另一端与SIW结构的边缘之间，且功分器的两个输出端口关于感性金属柱对称，氮化钽电阻设置于开槽上，氮化钽电阻的两端分别与开槽的两个长边相接触。
作为本发明的一种优选方案，所述SIW结构中与输入端口或输出端口相接的那部分的宽度为W3，W3满足：
式中，Weff为等效为金属波导时的宽度，D为TSV过孔的直径，b为相邻两个TSV过孔的孔中心间距；
SIW结构中TE10模的截止频率为：
式中，c为真空中光速，εr为介质的相对介电常数；
故，设计能够在功分器中传播的毫米波的频率f满足：
式中，分别为TE20、TE01模的截止频率。
作为本发明的一种优选方案，所述TSV过孔通过MEMS技术设置于硅基板内，硅基板的厚度为200um，TSV过孔直径为30um，相邻两个TSV过孔的孔中心间距为100um。
作为本发明的一种优选方案，所述氮化钽电阻采用半导体工艺设置，截面积不大于0.005mm2，厚度为埃米级。
作为本发明的一种优选方案，所述氮化钽电阻通过整面溅射氮化钽金属层然后光刻及光刻后刻蚀来实现氮化钽的图形化。
作为本发明的一种优选方案，所述硅基板的热导率为150W/(m·℃)。
作为本发明的一种优选方案，所述共面波导采用键合金丝的方式与外部连接。
作为本发明的一种优选方案，所述TSV过孔通过刻蚀盲孔、孔内绝缘层和粘附层沉积、深孔电镀和CMP平整化工艺流程放置于硅基板内。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用的SIW结构，通过放置周期性排列的金属柱TSV孔的结构等效为波导光滑侧壁，在毫米波段具有传输损耗小、体积小、结构简单、易于集成等优点。
2、本发明采用的MEMS加工技术，可以实现直径30um、孔间距100um的TSV过孔的放置，大大缩小金属柱间距，在毫米波及以上频段时可以有效防止电磁波泄露，对于高频段的性能保证非常重要。
3、本发明在功分器内部加载感性金属柱，调整过孔位置和排列形状，可以提高端口间隔离度和改善端口的匹配。
4、本发明在功分器表面金层的中心位置开槽，利用半导体工艺增加氮化钽电阻，用于吸收输出端口的反射波，提高端口间隔离度。
5、本发明采用溅射工艺放置氮化钽电阻，截面积不大于0.005mm2，厚度为埃米级，对比常用的片式电阻封装，不仅大大缩小尺寸，无需电子装配工艺，并且阻值的调整更加灵活，可以有效提高制作精度和便于优化功分器的性能。
6、本发明的硅基SIW功分器，采用热导率为150W/(m·℃)的硅基板作为电阻的散热基板。在微波信号反射到电阻并被电阻吸收转化成热量时，在注入20瓦的连续波功率的条件下，电阻可以正常稳定的工作。
7、本发明将SIW结构通过光刻图形化后以电镀的方式实现的图形化金属布线，实现了SIW结构与共面波导间的过渡微带、输入输出端的共面波导图形的放置，采用键合金丝的方式与外部连接，即保证低传输损耗，又方便与芯片集成。这种半导体工艺可以进行最小线宽10um、线间距10um的布线，实现了微米级的布线精度，更有利于毫米波段及更高频段的设计。
8、本发明设计自由度高，多个参数可以进行优化，相比于Lange电桥，更易于与不同尺寸的芯片进行端口匹配、集成和合成，对于GaAs功率放大器芯片以及GaN功率放大器芯片都具有通用性。
附图说明
图1是本发明基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器的结构示意图。
图2是本发明基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器的尺寸示意图。
图3是本发明实施例1的实物图。
图4是本发明实施例2的实物图。
图5是本发明实施例2的输出功率与频率关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2所示，本发明设计了一种基于MEMS技术的硅基SIW毫米波大功率功分器，包括硅基板1，设置于硅基板1内的TSV过孔3，由TSV过孔3构成的SIW结构2，设置于SIW内部的TSV过孔3，设置于SIW结构2与共面波导间的过渡微带5，设置于金层上表面的开槽6，设置于开槽6上的氮化钽电阻7，设置于输入输出端口的共面波导8，还包括感性金属柱4。
在硅基板1内部放置TSV过孔3，两排通孔相距距离为W3，每排的通孔孔间距为b，通孔直径为D。通过优化D/W3、b/D，使得能量泄露限制在可以忽略不计的程度，通常使得b/D＜2和D/W3＜0.2(以实际使用频率及仿真结果为准)，两排金属通孔可以等效成电壁，构成SIW结构2，因此电磁场在SIW内传输时与在金属波导中的传输特性相似，降低微波信号在毫米波段的传输损耗。其中Weff为等效为金属波导时的宽度，根据理论推导可得：
由金属波导的截止频率公式可以推导出SIW中TE10模的截止频率
其中c为真空中光速，εr为介质的相对介电常数。
为了防止高次模的干扰，保证只有TE10一种模式可以被传播，设计时需要保证：
利用MEMS技术在200um的硅基板1进行直径30um、孔间距100um的TSV过孔3的放置，以及最小线宽10um、线间距10um的布线，实现了微米级的加工精度，使两排TSV过孔可以等效成电壁，对于高频段的性能保证非常重要。
在功分器内部加载感性金属柱4，调整过孔位置和排列形状，可以提高端口间隔离度和改善端口的匹配。
在功分器表面金层的中心位置开槽6，利用半导体工艺增加氮化钽电阻7，用于吸收输出端口的反射波，提高端口间隔离度。
氮化钽电阻7采用半导体工艺添加，截面积不大于0.005mm2，厚度为埃米级，对比常用的片式电阻封装，不仅大大缩小尺寸，并且无需电子装配工艺，可以有效提高制作精度。
利用热导率为150W/(m·℃)的硅基板1帮助氮化钽电阻7散热。
将SIW结构利用过渡微带5转变为共面波导形式，采用键合金丝的方式与外部连接，保证低传输损耗的同时，方便与芯片集成。
射频输入输出采用共面波导8形式，保证输入输出端的低回波损耗。其中共面波导的线宽为W1，与地之间距离为(W2-W1)/2，通过调节W1、W2，将共面波导阻抗调节至50欧姆。
本发明基于半导体工艺加工，在硅基板上进行刻蚀盲孔、孔内绝缘层和粘附层沉积、深孔电镀、CMP平整化等工艺流程将TSV孔放置于硅基板内。
本发明基于半导体工艺加工，在硅基板上表面通过光刻图形化后以电镀的方式实现的金层上表面开槽、过渡微带及共面波导等图形。
本发明基于半导体工艺加工，在金层上表面通过整面溅射氮化钽金属层然后光刻及光刻后刻蚀来实现氮化钽的图形化，从而在开槽处放置氮化钽电阻。
功分器能够适用于频段在Ka波段且承受功率最大20瓦的微波功率芯片集成电路，具有通用性。
本发明将功分器、GaAs或GaN功率放大芯片、陶瓷电容、微带线通过高导热导电胶粘接到钼铜载板的相应位置，高导热导电胶的导热系数和金锡焊料接近，钼铜的导热系数在160W/(m·℃)，既保证了功分器、功率放大器芯片良好的散热，又使得了硅、GaAs或GaN和钼铜材料的热膨胀系数接近，防止器件因温度而变形或裂片。
本发明通过金丝将设置于GaAs或GaN功率放大芯片表面的金属PAD与相应的SIW功分器互联；通过金丝将设置于GaAs或GaN功率放大芯片表面的金属PAD与相应的陶瓷电容互联；通过金丝将陶瓷电容与相应的微带线互联。
本发明中钼铜载板设置了四个通孔，可以通过螺钉将钼铜载板安装固定在测试架或系统中，方便测试和验证。
图3、图4分别为本发明实施例1、实施例2的实物图。
如图5所示，为本发明实施例2的输出功率与频率关系图，本方案的频率范围为33-37GHz，单个GaN功率放大芯片输出为41dbm，GaN功率放大芯片功率合成后性能优异，能够实现很好的微波电性能。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种2X2单元横向/纵向可切换微波合成网络