衬底集成波导信号电平控制元件和信号处理电路的制作方法

1.本公开涉及衬底集成波导信号电平控制元件和信号处理电路。


背景技术：

2.本文提供的“背景”描述是为了总体上呈现本公开的上下文。在本背景技术部分中描述的程度上，当前命名的发明人的工作以及在提交时可能不被认为是现有技术的描述的方面既不明确地也不隐含地被认为是针对本公开的现有技术。
3.微波或其它高频(高达thz)信号处理部件使用波导结构来提供信号处理功能。


技术实现要素：

4.本公开提供了一种信号电平控制元件，包括：
5.衬底，具有导电结构，该导电结构限定至少部分地布置在衬底内的衬底集成波导装置；
6.该衬底集成波导装置提供正交混合耦合器，该正交混合耦合器具有第一对信号端口和第二对信号端口，使得引入到第一对和第二对中的一对的一端口的信号与第一对和第二对中的另一对的两个端口具有相等的振幅但相位差为90度；
7.其中，第一对的一端口被配置为接收输入信号，并且第一对的另一端口被配置为提供输出信号；以及
8.终端电路，连接到第二对的端口，该终端电路为第二对的每个端口提供相应的终端，该相应的终端具有取决于相应的控制信号的可变阻抗。
9.本公开还提供信号处理电路，包括衬底，衬底承载一个或多个信号处理部件，其中，该衬底提供用于这种信号电平控制装置的衬底，该信号电平控制装置连接到一个或多个信号处理部件。
10.本公开还提供移动包括这种信号处理电路的通信基站、雷达设备、物联网(iot)装置、卫星有效载荷装置或移动电信装置或手机。
11.在所附权利要求中定义了本公开的进一步的各个方面和特征。
12.应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是本技术的示例性的，而不是限制性的。
附图说明
13.当结合附图考虑时，通过参考下面的详细描述，将很容易获得对本公开及其许多附带优点的更完整的理解，其中：
14.图1示意性地示出了所谓的栅栏
‑
柱衬底集成波导(siw)的制造阶段；
15.图2示意性地示出了栅栏
‑
柱siw的制造的后期阶段；
16.图3示意性地示出了所谓的沟槽
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填充siw的制造阶段；
17.图4示意性地示出了沟槽
‑
填充siw的制造的后期阶段；
18.图5和图6是通过图1至图4的示例siw布置的示意性横截面；
19.图7示意性地表示布置为信号电平控制元件的正交混合耦合器；
20.图8a至图8c和图9示意性地表示了使用栅栏
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柱(图8a)、槽
‑
填充(图8b)和沟槽
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填充(图8c和图9)siw技术制造的正交混合耦合器；
21.图10示意性地示出了使用siw正交混合耦合器的信号电平控制元件；
22.图11至图14示意性地示出了信号电平控制元件的变化；
23.图15示意性地表示信号处理电路；以及
24.图16示意性地示出了装置或设备。
具体实施方式
25.现在参照附图，现在将描述所谓的衬底集成波导(siw)部件的示例。
26.例如，这些部件用于涉及从微波到太赫兹(thz)范围的频率范围的应用中，以提供例如电子连续可变的信号电平控制应用。在本文中，“微波”具有从(比方说)1m(对应于300兆赫的频率)到1mm(对应于300ghz的频率)的波长范围。thz辐射的频率范围一般在300ghz以上。但是应当理解的是，应用于这些频率范围的具体标签并不是精确定义的，标签本身也不具有技术意义。在诸如以下描述的那些在衬底上制造的部件的上下文中，为了实现合理尺寸的部件的相关波长范围可以是，例如，从几十ghz到高达100
‑
200ghz或超过300ghz 范围。本技术适用于这些范围，即使没有针对每个单独的特征明确地说明。但是，本技术也适用于这些范围之外。
27.siw部件的特征在于，其制造穿透衬底，并且填充有导电材料(例如金属)以限定侧壁结构。在本示例中，它们平行于波导的平面延伸并且由导电结构限定。
28.图1示出了衬底100，其可以是形成介电衬底的单层或多层结构，其中制造所谓的栅栏
‑
柱110。栅栏
‑
柱通过凿孔、钻孔、蚀刻或冲孔穿过或进入衬底100而形成，并且通常足够靠近在一起(由波导传播方向130上的距离120表示)，从而对使用中的微波或thz频率提供看起来连续的侧壁。例如，距离120可以是使用中波长的0.1倍，例如在预期在40ghz下使用的部件中为200μm。例如，40ghz部件中的典型深度将为50μm至600μm，并且这种部件中的典型孔径将为100μm。在一些示例中，不是使用圆柱孔，而是可以使用细长的(在衬底的平面中并且沿着波导方向)结构，诸如间隔开的槽作为“栅栏柱”。这样的布置可以被称为槽
‑
填充siw波导。
29.这些示例参数表明，随着标称操作频率的增加，形成栅栏柱或槽的制造通孔的间距和半径可以变得非常精细(包括对于所谓的双排栅栏柱技术)，并且因此可变得难以使用常规制造技术来实现。因此，在较高频率下，所谓的沟槽
‑
填充侧壁技术(见下文所述图3)可更适合实现高性能部件。
30.在制造的后续阶段，栅栏
‑
柱110或槽被金属或另一种导电材料填充(或至少基本填充)，以形成一组在波导方向130上间隔开的两个或多个导电结构200。
31.一般而言，栅栏柱可以针对所有层制造(例如pcb、ltcc、lcp、htcc、高阻si或玻璃衬底
‑
参见下文
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其中孔可以通过机械或激光钻孔工艺制造)，或者在逐层基础上制造，例如其中衬底是通过蚀刻工艺形成孔的情况下(作为示例，多层衬底)。
32.形成平行于衬底平面的上导电层210和下导电层220，使得金属填充的栅栏
‑
柱形
成导电侧壁结构，该导电侧壁结构限定为在衬底内沿着上导电层210和下导电层220之间的波导方向延伸的波导侧壁。注意，下层可以是最外层的下层，也可以是内层(其可能实际上在制造栅栏
‑
柱之前已经形成)。还要注意的是，术语“上”和“下”在这里指的是附图中的方位，并不意味着部件在使用中的任何需要的方位。然而，应当注意，在诸如印刷电路板的衬底的情况下，孔110可以通过从印刷电路板的外表面钻孔形成，这随后将意味着上层210形成在该外层上。
33.使用这些技术，上导电层和下导电层以及导电侧壁结构一起围绕衬底的波导区域230。
34.在图3中使用了类似的布置，其中在介电衬底320中形成所谓的沟槽结构300，其表示在波导方向310上连续的纵向切除区域。例如，这些可以通过蚀刻或铣削来形成。沟槽被诸如金属的导电材料填充(或至少基本填充)，以在每一侧形成沿着波导方向在衬底内延伸的导电侧壁结构400，导电侧壁结构400表示在波导方向上连续的导电结构。如图2所示，上导电层410和下导电层420平行于衬底的平面形成。再一次，上导电层和下导电层以及导电侧壁结构400一起限定衬底的波导区域430。
35.图5和图6是通过图1至图4的示例siw布置的示意性横截面。这些示出了上导电层500、600和下导电层510、610以及导电侧壁结构520、620，其可以是栅栏
‑
柱或沟槽
‑
填充，在每种情况下围绕波导区域530、630。至少波导区域530、630在衬底内。在图5的布置中，为了易于制造，上导电层和下导电层可以延伸超过波导区域530的横向范围540，而在图6中，上导电层和下导电层不延伸超过波导区域630的横向范围。
36.注意，在图5和图6的实际实施方式中，介电材料将如图所示延伸到波导区域外部；为了图的清晰性，其没有在这些图中画出。
37.如上所述，衬底可以是由介电材料的一个或多个衬底层形成的平面衬底。在上述类型的siw部件的上下文中，存在由一个或多个介电层分隔的两个或多个金属层，并且限定siw部件的第一导电层和第二导电层(上导电层和下导电层)形成为两个或多个金属层的至少相应部分。
38.合适的衬底可包括介电衬底，由以下组成的列表中选择的衬底：印刷电路板(pcb)；低温共烧陶瓷(ltcc)衬底；高温共烧陶瓷(htcc)衬底；液晶聚合物(lcp)衬底和苯并环丁烯(bcb)衬底。然而，应当理解，可以使用其它衬底材料。
39.在其它示例中，可以使用半导体衬底，例如硅(si)、高阻si、砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)或磷化铟(inp)衬底(在其上和其中制造导电结构)。
40.作为本技术的进一步背景，图7示意性地表示正交混合耦合器和一对二极管，其被布置为高频(例如，覆盖如上所述的微波至thz范围)信号电平控制元件。
41.正交混合耦合器是这样一种装置，其中(至少在本上下文中)一对波导相对于彼此布置以便在耦合区域处在两个波导之间耦合辐射。这种类型的耦合器的一个特性是，耦合器具有第一对信号端口和第二对信号端口，因此，引入一对的一端口的信号与另一对的两个端口具有相等的振幅但相位差为90度。
42.在图7中，耦合器由部分700表示。第一对信号端口包括端口对710，第二对端口包括端口对720。引入第一对信号端口中的一个(例如端口730)的信号，在没有图7所示的其它部件的情况下，将相等地出现在第二对信号端口720处，但相位差为90
°
。该布置是对称的，
使得将信号注入到第二对信号端口720中的一个将导致其在第一对信号端口710处以相等的幅度和90
°
的相位差出现。
43.在作为信号电平控制元件操作的上下文中，终端电路740连接到信号端口对中的一个的端口(为讨论起见，其可称为第二对)。终端电路为第二对中的每个端口提供相应的终端，该终端具有取决于相应的控制信号750、752的可变阻抗。在本示例中，终端电路可包括所谓的pin二极管760。这种类型的二极管在p型区域(p)和n型区域(n)之间形成有宽的、掺杂的本征(i)半导体区，因此名称“pin”意味着这三个区域的排序。这些二极管具有当二极管正向偏置时，其阻抗随电流变化的特征。因此，可以通过改变在端口750、752处提供的控制电流来改变终端电路的阻抗。
44.在操作中，如果每个二极管760的阻抗被布置(借助于设置控制电流的适当值)成等于从其终端的混合耦合器端口看去的阻抗，则在第一对端口中的一个处存在最小输出功率(构造性相加)。考虑到在这些端口反射的两个信号的90
°
异相(已经通过正交混合耦合器一次)，并且现在被反射回来第二次通过正交混合耦合器，这意味着在输入端口730处被反射的分量将是180
°
异相的并且将基本上抵消。因此，当二极管760的阻抗等于进入混合耦合器端口720的阻抗时，输入端口730和输出端口770之间的衰减最大。这被称为最大衰减，并不是指没有更多的信号可能被衰减，而是指其比使用不同终端电路阻抗的具体设备可获得的衰减更大。远离该最大值，可以通过改变二极管760的阻抗来实现可变衰减。
45.在至少一些示例性布置中，通过匹配第二对端口720处的阻抗，可以获得更好的操作(例如，输入端口和输出端口之间更大的最大衰减和隔离)。可以采取的实现或辅助实现这一点的步骤可以包括(a)使用一对一起制造或至少由共同制造批次制造的二极管；(b)在输入端口754、756和端口750、752之间提供一个或两个微调部件，例如可变电阻780，以允许执行校准，使得端口750、752处的控制信号的效果可以彼此匹配；以及(c)向每个控制信号端口提供相等的控制信号。
46.正交混合耦合器可以使用siw部件形成。图8a至图8c和图9分别示意性地表示了使用栅栏
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柱(图8a)、槽
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填充(图8b)和沟槽
‑
填充(图8c和图9)技术制造的这种耦合器。图8a至图8c和图9未示出控制和终端部件。
47.在图8a中，以示意性平面图示出，第一对信号端口800被提供为所谓的微带波导结构或传输线，其在siw波导耦合区域810处相遇，然后分裂回微带波导结构以形成第二对信号端口820。微带传输线形成为导电材料条，该导电材料条相对于形成接地平面的导电层平行于衬底的平面布置(也就是说，不提供侧壁结构)。
48.图8b示出了使用限定siw波导结构的侧面的细长结构(槽)840的类似示意性示例。其他方面和几何形状与图8a所示类似。
49.在图8c和图9的沟槽
‑
填充示例中(其中图8c以示意性平面图示出，而图9以示意性等距投影图示出)，siw侧壁由导体填充沟槽850限定，但图8c的其它方面与图8a的几何形状类似。同样，微带信号端口900、910分别表示第一对信号端口和第二对信号端口。每个端口920处的锥形区域在微带连接和siw波导的在耦合区域940处相遇的部分930之间接口。
50.在每种情况下，耦合区域表示两个或多个siw波导连接的区域。
51.关于微带和siw波导之间的接口，形成微带传输线的导电材料条具有第一宽度830、902；两个或多个衬底集成波导具有不同于第一宽度(例如，大于第一宽度)的第二宽度
832、904；以及导电材料条和衬底集成波导中的一个或两者包括转变部分834、920，以在导电材料条的第一宽度和两个或多个衬底集成波导的第二宽度之间转变。siw装置的端口可以连接到微带线或共面波导。
52.注意，在图8a至图8c的每个示意性示例中，可以看到siw波导的壁延伸超过siw结构与锥形部分834相遇的延伸。
53.图10示意性地示出了使用siw正交混合耦合器的信号控制元件。在图10中，使用了图9的示例，但该技术同样适用于图8a或图8b的示例。第一对端口1000提供输入端口和输出端口。例如，输入端口可以是绘制到图的左侧的端口1010，并且输出端口可以是绘制到图的右侧的端口1020，但是要注意的是，该布置如所绘制的那样是完全左右对称的。
54.在本示例中，pin二极管1030与微调部件1040以及(电容器1050和电感器1060相关联地形成终端电路。电容器1050用于传递rf(射频，或在当前上下文中的交替信号)但阻止dc(直流信号)向混合耦合器传播，而电感器1060被认为以相反的方式起作用，传递dc但阻止rf向dc或控制电路传播。第二对端口1080中的每个端口处的阻抗取决于控制信号输入端1070处的控制信号。因此，在该示例中，终端电路包括与第二对的每个端口相关联的二极管，例如pin二极管，并且被相应的控制信号偏置，以便响应于控制信号改变其阻抗。
55.因此，图10示出了信号电平控制元件1090的示例，该信号电平控制元件1090包括衬底1092，该衬底1092具有导电结构1094，该导电结构1094限定至少部分地布置(如上面参照图5和图6所讨论的)在衬底1092内的衬底集成波导装置1096。该衬底集成波导装置提供正交混合耦合器，该正交混合耦合器具有第一对1000和第二对1080信号端口，使得引入到第一对和第二对中的一对的一端口的信号与第一对和第二对中的另一对的两个端口具有相等的振幅但相位差为90
°
。第一对1000的端口1010被配置为接收输入信号。第一对1000的另一个端口1020被配置为提供输出信号。如图所示，包括二极管1030和辅助部件的终端电路连接到第二对1080的端口。终端电路为第二对中的每个端口提供相应的终端，该终端具有取决于相应的控制信号的可变阻抗(在每个端口1070处)。
56.图11至图14示意性地示出了使用图10所示技术的信号电平控制元件的变化。这里，“基本”信号电平控制元件由正交混合耦合器1100和二极管对1110示出，提供终端电路的至少一部分，并且其受到提供给控制信号输入1120、1130的信号的控制。图12至图14也将使用这种简化的表示。假设，根据操作频率和二极管的性能，在适当的情况下提供调整元件(尽管未明确显示)。
57.在图11中，控制电路1140将控制信号提供给输入端1120、1130以获得信号的期望衰减或调整，并且具体地，在该示例中，将相同的控制信号提供给输入端1120、1130中的每一个。因此，尽管控制信号可以不同(如图12中示意性地示出的，其中，相应的控制电路为1200、1210向输入1120和1130提供(至少潜在地)不同的控制信号，但在图11中，控制信号与输入1120和1130之间的控制信号相同，因此图11示出了向终端电路提供单个输入控制信号以向第二对的每个端口提供相应的控制信号的示例电路。
58.图13中示出了进一步可能的布置，其中，控制电路1300生成控制信号，该控制信号被相等地提供给一个输入1310，但经由电路1320提供给另一输入1330。电路1320可以提供与上述微调部件提供的校准分离的外部校准，以便旨在均衡终端电路中二极管的阻抗匹配。
59.在图14中，输出功率监视器1400检测电路的衰减，并使用该确定来生成控制信号1410以控制校准电路1420，从而(相对于由控制电路1425生成的公共控制信号)调节施加到两个二极管1430的相对控制信号，从而增加该设备可获得的最大隔离和衰减程度。
60.因此，图14提供了使用控制电路1420、1400的示例，控制电路1420、1400被配置为检测输出信号的信号电平，并且检测相应的控制信号的相对变化是否提供所检测的信号电平的增加，该相应的控制信号控制第二对的端口的终端。
61.在每种情况下，控制信号可以是可变的或静态的(或至少相对缓慢地变化)，使得信号电平控制元件用作以下之一：衰减器，例如连续可变衰减器，被配置为响应于相应的控制信号来衰减输出信号；以及调制器，被配置为响应于相应的时变控制信号来调制输出信号。
62.图15是信号处理电路的示意性平面图，其包括介电或半导体衬底1500，该介电或半导体衬底1500承载一个或多个信号处理部件1510，该信号处理部件1510由平面传输线(微带或共面波导)结构1520链接，其中，衬底1500为信号电平控制装置1530提供衬底，可选地在控制电路1540的控制下，信号电平控制装置连接到一个或多个信号处理部件。在所示的示例中，信号电平控制装置的输出信号波导1540连接到输出端口1550，例如同轴或波导插座。
63.图15的布置可以用作图16的装置或设备1600(或作为其一部分1610)，例如移动通信基站、雷达设备、物联网(iot)装置、卫星有效载荷装置、移动电信装置或手持机等中的一个或多个。
64.显然，根据上述教导，本公开的多种修改和变化是可能的。因此，应当理解，在所附条款的范围内，可以以不同于本文所具体描述的方式来实践该技术。
65.应当理解，为了清楚起见，上面的描述已经参考不同的功能单元、电路和/或处理器描述了实施例。然而，显而易见的是，在不偏离实施例的情况下，可以使用不同功能单元、电路和/或处理器之间的任何合适的功能分布。所描述的实施例可以以任何合适的形式实现，包括硬件、软件、固件或其任意组合。所描述的实施例可以可选地至少部分地实现为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。任何实施例的元件和部件可以以任何合适的方式在物理上、功能上和逻辑上实现。实际上，该功能可以在单个单元、多个单元中实现，或者作为其他功能单元的一部分来实现。这样，所公开的实施例可以在单个单元中实现，或者可以在物理上和功能上分布在不同的单元、电路和/或处理器之间。
66.尽管已经结合一些实施例描述了本公开，但是本公开不旨在局限于本文阐述的特定形式。此外，尽管一个特征可能看起来是结合特定实施例来描述的，但是本领域技术人员将认识到，所描述的实施例的各种特征可以以适合于实现该技术的任何方式来组合。
67.各个方面和特征由以下编号的条款限定：
68.1.一种信号电平控制元件，包括：
69.衬底，具有导电结构，该导电结构限定至少部分地布置在衬底内的衬底集成波导装置；
70.该衬底集成波导装置提供正交混合耦合器，该正交混合耦合器具有第一对信号端口和第二对信号端口，使得引入到第一对和第二对中的一对的一端口的信号与第一对和第
二对中的另一对的两个端口具有相等的振幅但相位差为90度；
71.其中，第一对的一端口被配置为接收输入信号，并且第一对的另一端口被配置为提供输出信号；以及
72.终端电路，连接到第二对的端口，该终端电路为第二对的每个端口提供相应的终端，该相应的终端具有取决于相应的控制信号的可变阻抗。
73.2.根据条款1的信号电平控制元件，其中：
74.该衬底是具有一个或多个衬底层的平面衬底；
75.该导电结构限定两个或多个链接的衬底集成波导，该波导在平行于衬底的平面的波导方向上延伸，并且每个波导相对于波导方向具有：
76.第一导电层和第二导电层，平行于衬底的平面，以及
77.导电侧壁结构，该导电侧壁结构限定两个波导侧壁，该波导侧壁在衬底内沿着上导电层和下导电层之间的波导方向延伸；
78.第一导电层和第二导电层以及导电侧壁结构一起围绕衬底的波导区域。
79.3.根据条款2的信号电平控制元件，其中，用于给定波导侧壁的侧壁结构包括以下之一：
80.(i)在波导方向上间隔开的两个或多个导电结构；
81.(ii)在波导方向上连续的导电结构。
82.4.根据前述条款中任一项的信号电平控制元件，其中，衬底由一层或多层介电材料形成。
83.5.根据条款4的信号电平控制装置，其中：
84.衬底包括介电衬底，介电衬底具有由一个或多个介电层隔开的两个或多个金属层；并且
85.限定衬底集成波导装置的第一导电层和第二导电层形成为两个或多个金属层的至少相应部分。
86.6.根据条款5的信号电平控制装置，其中，衬底包括从由以下组成的列表中选择的介电衬底：
87.(i)印刷电路板；
88.(ii)低温共烧陶瓷(ltcc)衬底；
89.(iii)高温共烧陶瓷(htcc)衬底；
90.(iv)液晶聚合物(lcp)衬底；
91.(v)苯并环丁烯(bcb)衬底；以及
92.(vi)玻璃衬底。
93.7.根据条款1至3中任一项的信号电平控制装置，其中，衬底包括半导体衬底。
94.8.根据条款7的信号电平控制装置，其中，半导体衬底是硅(si)衬底、高阻si衬底、gaas衬底、gan衬底或inp衬底。
95.9.根据条款2的信号电平控制元件，在正交混合耦合器的每个端口处，包括微带波导的一部分，该微带波导形成为导电材料条，该导电材料条相对于形成接地平面的导电层平行于衬底的平面布置。
96.10.根据条款9的信号电平控制元件，其中：
97.导电材料条具有第一宽度；
98.两个或多个衬底集成波导具有不同于第一宽度的第二宽度；
99.导电材料条和衬底集成波导中的一个或两者包括转变部分，以在导电材料条的第一宽度和两个或多个衬底集成波导的第二宽度之间转变。
100.11.根据前述条款中任一项的信号电平控制元件，其中，终端电路包括二极管，该二极管与第二对的每个端口相关联，并且被相应的控制信号偏置，以便响应于控制信号改变其阻抗。
101.12.根据前述条款中任一项的信号电平控制元件，包括电路，以向终端电路提供单个输入控制信号以向第二对的每个端口提供相应的控制信号。
102.13.根据前述条款中任一项的信号电平控制元件，包括控制电路，该控制电路被配置为检测输出信号的信号电平，并且检测相应的控制信号的相对变化是否提供所检测的信号电平的增加，该相应的控制信号控制第二对的端口的终端。
103.14.根据前述条款中的任一项的信号电平控制元件，其中，信号电平控制元件用作以下之一：
104.衰减器，被配置为响应于相应的控制信号来衰减输出信号；以及
105.调制器，被配置为响应于相应的时变控制信号来调制输出信号。
106.15.信号处理电路，包括介电或半导体衬底，该介电或半导体衬底承载一个或多个信号处理部件，其中，介电衬底提供用于根据条款1至3中任一项的信号电平控制装置的衬底，该信号电平控制装置连接到一个或多个信号处理部件。
107.16.一种移动通信基站、雷达设备、物联网(iot)装置、卫星有效载荷装置或移动电信装置或手机，包括根据条款15的信号处理电路。