威尔金森分配器的制作方法

1.本发明涉及毫米波设备，并且具体地涉及毫米波威尔金森分配器和毫米波相控阵列。


背景技术：

2.对于利用功率分离网络(诸如协同或并联馈送系统)的天线阵列系统，三端口功率分配器的使用尤其重要。协同只是在维持从输入到输出端口的相等路径长度的情况下利用某种分布在n个输出端口之间分离功率的策略。其能够利用其中常常使用三端口功率分配器的n路功率分离器来实施。
3.威尔金森功率分配器是三端口网络，当输出端口匹配时，其是无损的；其中仅仅消耗反射功率。能够将输入功率分离为具有相同的振幅的两个或更多个同相信号。如在图1中所图示的，威尔金森分配器电路可以包括：在一端(端口1)直接地连接在一起的两个四分之一波长(λ/4)传输线tl1和tl2，以及连接在传输线的另一端(端口1和3)之间的电阻器r
s
。电阻器r
s
将端口2和端口3隔离并且允许三个端口全部匹配。通常，对于z0阻抗系统中的等幅合成器/分配器，传输线tl1和tl2具有为z0√2的特性阻抗以及集总隔离电阻器为2z0且三个端口全部匹配，得到输出端口之间的高隔离。由于对称性，自动保证了等幅、同相合成/分配。具有阻抗为z0的传输线的区段可以进一步连接在三个端口中的每一个。对于50ω系统中的等幅合成器/分配器的情况，电阻器的电阻是100ω，两个传输线tl1和tl2的特性阻抗都是50√2ω(～70.7ω)。等分(3db)威尔金森的设计常常以带状线或微带形式制作。通常借助于例如表面安装器件(smd)电阻器的分立电阻器来实施隔离电阻器r
s
，该表面安装器件(smd)电阻器是在现代印制电路中用于电阻器的优选技术。可用不同尺寸的smd电阻器，这意味着需要不同尺度的焊盘来附接(焊接)隔离电阻器。
4.在现代的电信和雷达系统中常常使用天线阵列、或相控阵天线。如现有技术中公知的，相控阵列包括多个辐射元件，诸如16、64或256个元件。提供一种功率分布网络或馈送网络，其在多个输出端口(多个辐射元件)之间分离来自单个输入(一个发射器)的信号功率。大体上，如同威尔金森功率分配器，能够顺从地进行每个2分功率分配。图2图示出1比8馈送网络2，其中由第一威尔金森分配器w1将tx信号分别分离到两个并联的1比4馈送网络w2、w3、w4以及w2'、w3'、w4'，对总共八个输出或辐射元件af1
‑
af8n馈送。威尔金森分配器馈送网络需要许多布线，但是另一方面，保证所有前端当中的信号振幅和相位一致性。尽管如此，随着阵列的尺寸增长，布线的量和馈送网络的尺寸快速地增加。
5.在雷达系统中已经惯常采用了毫米波段。最近，因为在诸如全球移动通信系统(gsm)和通用移动电信系统(umts)等等的移动蜂窝式系统中应用的微波波段不能支持高数据速率业务，所以毫米波段已经接收到更多关注，例如60ghz波段，其能够提供若干ghz的带宽用于这些短程通信。另外，60ghz波段中的通信具有某些优点，诸如仿真组件和天线的可能的小型化。
6.也能够对于毫米波天线阵列馈送网络采用威尔金森分配器配置。在一种方式中，
用于天线阵列的馈送网络包括上的带状线威尔金森分配器。然而，pcb环境中的挑战是威尔金森分配器的隔离电阻器的实施。诸如在60ghz和更高的频率的smd电阻器的分立电阻器是昂贵的，并且对于大型阵列，它们可能不易装配。替代方式可以是ltcc(低温共烧陶瓷)技术，其具有“内置”电阻器，但是ltcc技术的价格高于基本pcb技术的价格。
7.也能够利用单片毫米波集成电路(mmic)技术来实施威尔金森功率分离器，其中将无源元件和互连与有源器件一起制造在相同的半导体基板上。在2016年12月的微波理论与技术的ieee汇刊(ieee transactions on microwave theory and techniques)的vol.64、no.12第4701
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4719页samet zihir等人的“使用全掩膜版和子掩膜版拼接技术的60
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ghz 64
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和256
‑
元件晶片
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缩放相控阵列发射器(60
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ghz 64
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and 256
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elements wafer
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scale phased
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array transmitters using full
‑
reticle and subreticle stitching techniques)”中公开了该方式的示例。对于rf分布网络、功率和spi分布使用了相同的硅晶片，以及相控阵列通道天线位于安装在硅晶片上面的单独的石英晶片上。1
‑
64分布网络向所有相控阵列通道同等地分配功率，该所有相控阵列通道位于同一晶片上，彼此非常类似。
8.然而，关于这样的片上功率分离器的问题是它们消耗昂贵的mmic面积，并且另外由于相控阵列单元之间需要的附加的接线可能导致额外的功率损耗。


技术实现要素：

9.本发明的一方面提供一种用于毫米波频率的新的威尔金森分配器，其尤其在大阵列馈送网络中提供经济合算的且可行的实施方式。通过独立权利要求中所陈述的内容来表征发明的该方面。在从属权利要求中公开了本发明的优选的实施例。
10.本发明的一方面是一种混合毫米波威尔金森分配器设备，包括
11.载体基板，
12.在载体基板中的输入端口、第一输出端口、第二输出端口、以及传输线，通过传输线实施将输入端口连接到第一输出端口和第二输出端口，
13.连接在第一输出端口和第二输出端口之间的隔离电阻器，并且所述威尔金森分配器的隔离电阻器被集成到安装在载体基板上的单片微波集成电路(mmic)芯片中，其中，mmic芯片包括分别连接到在载体基板上的第一输出端口和第二输出端口的第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘，并且其中，在mmic芯片中隔离电阻器被连接在第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘之间，并且mmic芯片还包括用于补偿第一输入金属焊盘的寄生电容的第一并联谐振电路以及用于补偿第二输入金属焊盘的寄生电容的第二并联谐振电路。
14.本发明的另外的方面是一种混合毫米波设备，包括
15.载体基板，
16.安装在载体基板上的至少一个单片微波集成电路(mmic)芯片，
17.信号分布网络，其被配置为将一个输入信号馈送到多个输出，该信号分布网络包括多个威尔金森分配器，多个威尔金森分配器中的每一个包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、将输入端口连接到第一输出端口和第二输出端口的传输线、以及连接在第一输出端口和第二输出端口之间的隔离电阻器，并且
18.其中，每个威尔金森分配器的传输线被实施在载体基板中，并且每个威尔金森分配器的隔离电阻器被集成在至少一个mmic芯片中，并且
19.其中，mmic芯片包括分别连接到在载体基板上的第一输出端口和第二输出端口的第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘，并且其中，在mmic芯片中隔离电阻器被连接在第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘之间，并且mmic芯片还包括用于补偿第一输入金属焊盘的寄生电容的第一并联谐振电路以及用于补偿第二输入金属焊盘的寄生电容的第二并联谐振电路。
20.在实施例中，信号分布网络是1比4、1比8、1比16、1比64、1比256、或1比512网络，或其任何组合。
21.在实施例中，第一并联谐振电路包括在mmic芯片中从第一输入金属焊盘连接到地并且因此与第一输入金属焊盘的寄生电容并联的第一电感，并且凭此第二并联谐振电路包括在mmic芯片中从第二输入金属焊盘连接到地并且因此与第二输入金属焊盘的寄生电容并联的第二电感。
22.在实施例中，mmic芯片包括连接到地的第三金属焊盘和第四，并且其中，第一电感被连接在第一输入金属焊盘和第三金属焊盘之间，并且其中，第二电感被连接在第二输入金属焊盘和第四金属焊盘之间。
23.在实施例中，第三金属焊盘和第四金属焊盘被配置为mmic芯片和载体基板之间的接地触点。
24.在实施例中，mmic芯片进一步包括至少一个另外的集成组件和/或电子电路。在实施例中，载体基板基于印刷电路板(pcb)技术、低温共烧陶瓷(ltcc)技术、集成无源器件(ipd)技术，或石英基板。本发明的又一方面是毫米波相控阵列，其包括根据本发明的实施例的至少一个或多个毫米波威尔金森分配器设备。
25.本发明的又一方面是一种单片微波集成电路(mmic)芯片，包括
26.至少第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘，用于将mmic芯片安装在载体基板上，
27.至少一个集成隔离电阻器，其被配置为当mmic芯片被安装在载体基板上时经由第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘被连接到载体基板中的传输线以与载体基板传输线形成混合毫米波威尔金森分配器，并且
28.其中，mmic芯片包括在mmic芯片上的第一并联谐振电路和第二并联谐振电路，该第一并联谐振电路和第二并联谐振电路被配置为分别补偿第一输入金属焊盘和第二输入金属焊盘的寄生电容，并且其中，第一并联谐振电路优选地包括从第一输入金属焊盘连接到地并且因此与第一输入金属焊盘的寄生电容并联的第一电感，并且凭此第二并联谐振电路优选地包括从第二输入金属焊盘连接到地并且因此与第二输入金属焊盘的寄生电容并联的第二电感。
29.在实施例中，mmic芯片包括连接到地的第三金属焊盘和第四，并且其中，第一电感被连接在第一输入金属焊盘和第三金属焊盘之间，并且其中，第二电感被连接在第二输入金属焊盘和第四金属焊盘之间，并且其中，第三金属焊盘和第四金属焊盘被优选地配置为mmic芯片和载体基板之间的接地触点。
30.在实施例中，mmic芯片包括多个集成隔离电阻器，以相应的成对的第一输入金属焊盘与第二输入金属焊盘，该多个集成隔离电阻器被连接到载体基板中的多个传输线以形成多个混合毫米波威尔金森分配器，并且其中，mmic芯片可选地包括至少一个另外的集成
组件和/或电子电路。
附图说明
31.在以下，将借助于参考附图的示例性实施例来更详细地描述本发明，其中
32.图1图示出威尔金森功率分配器的基本配置；
33.图2是图示出示例性1比8功率分布网络的示意性框图；
34.图3示出根据本发明的实施例的混合威尔金森功率分配器的俯视图；
35.图4示出多层pcb的部分截面立体图；
36.图5图示出根据本发明的实施例的混合威尔金森功率分配器的示例性设计；
37.图6图示出根据本发明的实施例的mmic芯片电阻器的示例性设计；
38.图7图示出根据本发明的实施例的包括三个混合威尔金森功率分配器的1比4馈送网络的示例性设计；
39.图8示意地图示出示例性mmic芯片，其包含根据本发明的实施例的多个mmic隔离电阻器以及其他电路；以及
40.图9、10和11示出s参数图，其对于在此分别是端口1为“in”并且端口2
‑
5表示“af1
‑
af4”的1比4馈送网络(图7)分别图示出在信号频率(60
‑
90ghz)的函数中的仿真端口匹配、仿真耦合、以及仿真隔离。
具体实施方式
41.本发明的一方面是一种混合威尔金森功率分配器或分离器，其使用用于传输线布线的载体基板或板以及用于电阻器实施的单片毫米波集成电路(mmic)技术。传输线可以以诸如微带线、带状线、共平面形波导(cpw)等等的各种替换结构实施。在示例实施例中，主要利用微带线来实施传输线，但是本发明的实施例不局限于微带线的使用。能够使用诸如印刷电路板(pcb)、低温共烧陶瓷(ltcc)、集成无源器件(ipd)、石英晶片等等的各种不同类型的技术来制造适于本发明的实施例的载体基板或板(其也能够被称为rf平台)。将使用pcb技术作为示例来描述和说明在本文的示例性实施例，并无意将本发明的实施例限制到该技术。新颖的混合(例如pcb/mmic或ltcc/mmic)威尔金森功率分配器设计可以带来由于布线引起的最小信号损失并且带来最小mmic面积消耗。与常规设计相比较，用于传输线布线的pcb技术的使用、以及具有非常小mmic面积的隔离电阻器的实施引起成本非常划算的威尔金森设计。在具有大型阵列的应用中，诸如在5g远程通信应用(其中每个灯柱可以具有含数百个辐射元件的相控阵列无线电前端)中，威尔金森分配器的低制造成本尤其是有利的。
42.在图3中图示出根据本发明的实施例的混合威尔金森功率分配器的示例。在载体基板(例如，印刷电路板pcb)31的一个或多个导电层(例如金属层)中，示例性威尔金森分配器30具有微带线32形式的传输线和布线。在实施例中，载体基板31可以是多层载体基板(例如，pcb或ltcc)，并且实施传输线布线的微带线32的至少一部分可以被提供在介电层33之间的中间导电层中，例如在图4中所图示的。然而，可以利用导电层中的任何一个或多个(诸如顶导电层和底导电层34和35)、以及可能的其他层来进行传输线布线。载体基板31的介电层33可以由任何适当的介电材料制成。在图3中，mmic芯片电阻器40被安装在载体基板31上并且连接在输出端口2和3之间。可以提供接触凸块或焊盘41和42用于进行连接。
43.在图5中图示出根据本发明的实施例的混合威尔金森功率分配器的示例性模型。端口1通过传输线tl5(例如，具有长度4mm和宽度1mm的直微带线)连接到t分支微带线sl1(例如在输入分支3具有宽度1mm和在输出分支1和2具有宽度2mm)。直传输线tl8(例如，具有长度1/2mm和宽度2mm的直微带线)、角微带线sl3(例如具有宽度2mm)、直传输线tl6(例如，具有长度1mm和宽度2mm的直微带线)、角微带线sl4(例如具有宽度2mm)、以及直传输线tl8(例如，具有长度1/2mm和宽度2mm的直微带线)的串联连接连接到t分支微带线sl61(例如具有在输入分支1和2的宽度2mm以及在输出分支3的3mm)的一个输入分支(例如，分支2)。t分支微带线sl16的输出经由角微带线sl18(例如具有宽度3mm)和直传输线tl10(例如，具有长度3mm和宽度3mm的直微带线)的串联连接而连接到威尔金森分配器的端口2。因此，图5中示出的威尔金森分配器的上部可以表示在图3中或大体在图1中示出的威尔金森分配器中的端口1和2之间的传输线。类似地，直传输线tl12(例如，具有长度1/2mm和宽度2mm的直微带线)、角微带线sl2(例如具有宽度2mm)、直传输线tl7(例如，具有长度1mm和宽度2mm的直微带线)、角微带线sl5(例如具有宽度2mm)、以及直传输线tl13(例如，具有长度1/2mm和宽度2mm的直微带线)的串联连接连接到t分支微带线sl17(例如具有在输入分支1和2的宽度2mm以及在输出分支3的3mm)的一个输入分支(例如，分支1)。t分支微带线sl17的输出经由角微带线sl19(例如具有宽度3mm)和直传输线tl10(例如，具有长度3mm和宽度3mm的直微带线)的串联连接而连接到威尔金森分配器的端口3。因此，图5中示出的威尔金森分配器的下部可以表示在图3中或大体在图1中示出的威尔金森分配器中的端口1和3之间的传输线。另外，t分支微带线sl16的分支1连接到载体基板31上的rf焊盘42，并且t分支微带线sl17的分支2连接到载体基板31上的rf焊盘41。实施隔离电阻器rs(例如80欧姆)的mmic芯片电阻器40连接在rf焊盘41和42之间，并且因此连接在威尔金森分配器的端口2和3之间。
44.在图6中图示出根据本发明的实施例的mmic芯片电阻器40的示例性模型。示例性mmic芯片电阻器40可以包括第一射频(rf)输入金属焊盘x1和第二射频(rf)输入金属焊盘x3，第一射频(rf)输入金属焊盘x1可连接到载体基板31上的对应的rf焊盘42，以及第二射频(rf)输入金属焊盘x3可连接到载体基板31上的对应的rf焊盘41。示例性mmic芯片40进一步包括被集成在芯片上的隔离电阻器r
s
。隔离电阻器rs可以以可适用于mmic技术的任何形式来实施。不同类型的mmic电阻器的示例包括用于cmos的多晶硅电阻器和扩散电阻器、用于gaas的nicr电阻器，等等。材料例如可以是钽或氮化物。电阻器rs可以是薄膜mmic电阻器。在示例性实施例中，电阻器rs可以是80欧姆的钽薄膜电阻器。电阻器rs通过适当的手段(例如借助于金属线l2和l3)连接在rf输入金属焊盘x1和x3之间。
45.rf输入金属焊盘x1和x3可以具有朝向地电位的寄生电容。在实施例中，可以在mmic芯片40上提供针对由rf输入金属焊盘x1和x3引起的寄生电容的补偿电路，使得片上电阻器rs对于载体基板31上的威尔金森分配器的端口2和3表现为纯电阻。在实施例中，补偿电路可以被配置为产生关于相应的rf输入金属焊盘x1或x3的并联谐振电路，使得将寄生电容的效果谐振掉。在实施例中，可以在与rf输入金属焊盘x1相邻的芯片上提供连接到基准电势或地的金属焊盘x2。此外，电感器l1(例如，金属线)连接在金属焊盘x1和x2之间，与由rf输入金属焊盘x1引起的寄生电容器并联。由此，得到并联谐振电路，该并联谐振电路补偿rf输入金属焊盘x1的寄生电容。类似地，可以在与rf输入金属焊盘x3相邻的芯片上提供连接到基准电势或地的金属焊盘x4。此外，电感器l4(例如,金属线)可以被连接在金属焊盘x3
和x4之间，与由rf输入金属焊盘x3引起的寄生电容器并联。由此，得到并联谐振电路，该并联谐振电路补偿rf输入金属焊盘x3的寄生电容。
46.在实施例中，接地金属焊盘x2和x4被配置为mmic芯片和载体基板31之间的接地触点，即以接触载体基板31上的相应的接地焊盘。因此，金属焊盘x2和x4连接或接地到mmic芯片的本地接地和载体基板31的接地两者，即，mmic芯片和载体基板31共用相同的接地。因此，能够对于谐振电路的返回电流获取良好定义的返回路径，即，公共的接地。
47.能够采用根据本发明的实施例的混合威尔金森分配器作为构建元件以构造更大的馈送网络，诸如图2中图示出的1比8馈送网络2。图7图示出根据本发明的实施例的包括三个混合威尔金森功率分配器的1比4馈送网络70的示例性模型。馈送网络70可以例如分别实施两个并联的1比4馈送网络w2、w3、w4和w2'、w3'、w4'中的每一个，对八个输出或辐射元件fa1‑
fa8馈送。在图3
‑
7中，相同的附图标记表示相同的或类似的结构或功能。类似地，能够提供更大的馈送或功率分配器网络以例如对16、64、256、或512个元件提供馈送。
48.在实施例中，mmic芯片包含用于一个混合威尔金森分配器的集成隔离电阻器，该一个混合威尔金森分配器具有在载体基板上的用于传输线布线的带状线，mmic芯片将被安装在该载体基板上。
49.在实施例中，mmic芯片包含用于多个混合威尔金森分配器(即，两个或更多分配器)的集成隔离电阻器，该多个混合威尔金森分配器具有在载体基板上的用于传输线布线的带状线，mmic芯片将被安装在该载体基板上。
50.在实施例中，除一个或多个集成隔离电阻器之外，mmic芯片还包含另外的mmic组件和/或电子电路，诸如无源组件、有源组件、仿真电路、数字电路、控制电路等等中的任何一个或多个。通过使用根据本发明的实施例的混合威尔金森分配器所节约的mmic面积可以允许在相同的芯片面积上的更多附加的电路，或允许相同的电路具有更小的mmic芯片面积。
51.图8示意地图示出包含根据本发明的实施例的多个mmic隔离电阻器40的示例性mmic芯片。利用对角线填充示出了mmic隔离电阻器40。mmic隔离电阻器40可以位于mmic芯片80布局上，使得当mmic芯片被安装时它们容易地可连接到基底载体基板上的相应的威尔金森分配器的传输线布线。每个mmic隔离电阻器40和相关联的接触焊盘x1和x3、以及可选的接地焊盘x2和x4在mmic芯片80布局上的定位能够是如此以至有具有芯片上的最小布线的mmic芯片有效使用的面积。mmic隔离电阻器40的接触焊盘x1和x3、以及接地接触焊盘x2和x3可以位于mmic芯片80的边缘上，例如如图8中所图示的。mmic隔离电阻器的接触焊盘x1和x3、以及接地接触焊盘x2和x3也能够紧靠着mmic芯片80上的mmic隔离电阻器40、远离mmic芯片80的边缘，也如在图8中图示出的。图8中示出的mmic芯片80可以例如适于图2中示出的1比8馈送网络2。mmic芯片80也可以包含另外的mmic组件和/或电子电路，如通过虚线所示出的元件81。这样的元件可以包括无源组件、有源组件、仿真电路、数字电路、控制电路等等中的任何一个或多个。
52.图9、10和11是s参数图，其对于在此分别是端口1为“in”并且端口2
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5表示“af1
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af4”的1比4馈送网络(图7)分别图示出在信号频率(60
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90ghz)的函数中的仿真端口匹配、仿真耦合、以及仿真隔离。这些仿真示出根据本发明的实施例的混合威尔金森分配器的优秀性能。本发明的实施例并不意图受限于这些示例性频率，而是可适用于所有微波和毫米
波信号，而尤其可适用于高于20ghz的频率。
53.将对本领域技术人员明显的是，本发明和其实施例不局限于在以上描述的示例，而是在权利要求的范围内可以变化。