一种慢波朗格耦合器芯片

本发明涉及新一代通信，尤其涉及一种慢波朗格(lange)耦合器芯片。

背景技术：

1、随着新一代通信技术的发展，通信系统的工作频率越来越高，对高性能无源器件的设计提出更高要求。在微波毫米波集成电路系统中，尤其是在平衡式放大器、倍频器、移相器等微波毫米波集成电路模块中，90°定向耦合器有着不可或缺的作用。朗格耦合器作为90°定向耦合器的一种，具有大带宽、低损耗等优势，广泛应用于微波毫米波集成电路中。然而受其结构原理所限，朗格耦合器核心部分长度为工作频率的四分之一波长，占用面积大。同时，由于高节点集成电路工艺的介质层变薄，高性能的朗格耦合器设计难度变大，传统的微带耦合线型朗格耦合器在工艺限制下会遇到回波损耗高、插损高、相位平衡度差等问题。

2、慢波传输线是一种具有慢波效应的特殊传输线，通过在传输线上周期性附加电容与电感，能够减缓传输信号的相速，使其在相同的电长度时，物理长度比普通微带线更短。慢波传输线能够有效减小无源器件面积，实现集成电路的小型化，因此在微波毫米波集成电路中具有广泛的应用空间。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的在于针对微波毫米波集成电路中传统朗格耦合器设计遇到的面积大、实现难等问题，提出了一种慢波朗格耦合器芯片，优化了朗格耦合器在集成电路中的性能，减小了尺寸，提高了电路的集成度，且易于调整其特征阻抗。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明的一种慢波朗格耦合器芯片以金属地为基板，在金属地中间开槽，在该开槽内设置金属栅条，在金属栅条上设置金属条带，在金属条带上设置金属耦合线和金属连线，所述金属条带通过金属通孔与金属耦合线连接；

3、所述金属耦合线包括第一金属耦合线、第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线和第五金属耦合线；端口连接线包括第一端口连接线、第二端口连接线、第三端口连接线和第四端口连接线；金属连线包括第一金属连线、第二金属连线和第三金属连线。

4、所述第一金属耦合线、第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线和第五金属耦合线(5)按序依次排布在一个平面上，第一金属耦合线与第五金属耦合线仅为其他金属耦合线长度的一半，第一金属耦合线的外端与第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线的一端对齐，第五金属耦合线的外端与第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线的另一端对齐；第三金属耦合线在中点处通过金属通孔和第一金属连线与第一金属耦合线内端第五金属耦合线内端相连，在第三金属耦合线两端分别与第一金属耦合线和第五金属耦合线直接相连；所述第二金属耦合线在两端分别通过金属通孔和第二金属连线、第三金属连线与第四金属耦合线相连。

5、所述端口连接线共有四条，所述端口连接线共有四条，分别作为朗格耦合器输入端、直通端、耦合端和隔离端；所述端口连接线分别与金属耦合线的两端直接相连并位于金属地的上方，其中，第一端口连接线与第二金属耦合线的一端相连，第二端口连接线分别与第三金属耦合线和第五金属耦合线的一端相连，第三端口连接线与第四金属耦合线的一端相连，第四端口连接线分别与第一金属耦合线和第三金属耦合线的一端相连。

6、所述金属条带是一种多层叉指型结构，由金属层相互交错形成。

7、所述金属栅条由多根金属细条组成并呈周期性分布，所述金属栅条位于金属地同层或金属地与金属条带之间，所述金属栅条与金属地相连接或悬空。

8、所述金属条带、金属通孔和金属栅条构成慢波单元，在金属耦合线下侧呈周期性或非周期性分布；第一金属耦合线、第二金属耦合线、第三金属耦合线、第四金属耦合线和第五金属耦合线下侧均有相同或不同周期的所述慢波单元结构。

9、所述慢波朗格耦合器的慢波效应随金属条带宽度的增大而增大，随金属条带层数的增多而增大，随金属栅条长度的增大而增大。

10、所述慢波朗格耦合器金属耦合线的耦合强度随金属栅条的增长而增大。

11、所述慢波朗格耦合器金属耦合线的特性阻抗随金属栅条的增长而增大，随金属条带宽度的增大而减小，随金属条带层数的增多而减小。

12、所述慢波朗格耦合器金属耦合线的物理长度小于工作频率的四分之一波长对应的物理长度。

13、有益效果：本发明的优点在于提供了一种慢波朗格耦合器芯片，由金属耦合线、端口连接线、金属连线、金属通孔、金属条带、金属栅条和金属地组成。其中金属条带为多层叉指型结构，位于金属耦合线下侧，通过金属通孔与金属耦合线垂直相连，在不影响耦合线耦合性能的情况下引入了慢波效应所需要的电容；金属栅条和金属地的开槽在不影响信号传输、不导致信号向衬底泄露的情况下增大了地回流路径，引入了慢波效应所需要的电感；在金属条带、金属栅条、开槽金属地的共同作用下，耦合线的相速实现降低，产生了慢波效应。同时，通过对金属条带、金属栅条、开槽金属地的调整，可以突破在部分工艺限制下传统微带耦合线的性能，实现朗格耦合器中金属耦合线所需的耦合强度和阻抗。上述慢波朗格耦合器与传统朗格耦合器相比，通过新结构引入的电容电感实现了慢波效应，从而使得朗格耦合器中四分之一波长的耦合线可以用物理长度更短的耦合线代替，在实现小型化的同时能够提高耦合器性能，解决了耦合器在射频集成电路中芯片面积大、加工成本高、在片实现难等问题。

技术特征：

1.一种慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，该耦合器芯片以金属地(16)为基板，在金属地(16)中间开槽，在该开槽内设置金属栅条(15)，在金属栅条(15)上设置金属条带(13)，在金属条带(13)上设置金属耦合线和金属连线，所述金属条带(13)通过金属通孔(14)与金属耦合线连接；

2.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述第一金属耦合线(1)、第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)和第五金属耦合线(5)按序依次排布在一个平面上，第一金属耦合线(1)与第五金属耦合线(5)仅为其他金属耦合线长度的一半，第一金属耦合线(1)的外端与第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)的一端对齐，第五金属耦合线(5)的外端与第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)的另一端对齐；第三金属耦合线(3)在中点处通过金属通孔(14)和第一金属连线(10)与第一金属耦合线(1)内端第五金属耦合线(5)内端相连，在第三金属耦合线(3)两端分别与第一金属耦合线(1)和第五金属耦合线(5)直接相连；所述第二金属耦合线(2)在两端分别通过金属通孔(14)和第二金属连线(11)、第三金属连线(12)与第四金属耦合线(4)相连。

3.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述端口连接线共有四条，所述端口连接线共有四条，分别作为朗格耦合器输入端、直通端、耦合端和隔离端；所述端口连接线分别与金属耦合线的两端直接相连并位于金属地(16)的上方，其中，第一端口连接线(6)与第二金属耦合线(2)的一端相连，第二端口连接线(7)分别与第三金属耦合线(3)和第五金属耦合线(5)的一端相连，第三端口连接线(8)与第四金属耦合线(4)的一端相连，第四端口连接线(9)分别与第一金属耦合线(1)和第三金属耦合线(3)的一端相连。

4.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述金属条带(13)是一种多层叉指型结构，由金属层相互交错形成。

5.根据权利要求1所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述金属栅条(15)由多根金属细条组成并呈周期性分布，所述金属栅条(15)位于金属地(16)同层或金属地(16)与金属条带(13)之间，所述金属栅条(15)与金属地(16)相连接或悬空。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述金属条带(13)、金属通孔(14)和金属栅条(15)构成慢波单元，在金属耦合线下侧呈周期性或非周期性分布；第一金属耦合线(1)、第二金属耦合线(2)、第三金属耦合线(3)、第四金属耦合线(4)和第五金属耦合线(5)下侧均有相同或不同周期的所述慢波单元结构。

7.根据权利要求6所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器的慢波效应随金属条带(13)宽度的增大而增大，随金属条带(13)层数的增多而增大，随金属栅条(15)长度的增大而增大。

8.根据权利要求7所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的耦合强度随金属栅条(15)的增长而增大。

9.根据权利要求8所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的特性阻抗随金属栅条(15)的增长而增大，随金属条带(13)宽度的增大而减小，随金属条带(13)层数的增多而减小。

10.根据权利要求9所述的慢波朗格耦合器芯片，其特征在于，所述慢波朗格耦合器金属耦合线的物理长度小于工作频率的四分之一波长对应的物理长度。

技术总结
本发明公开了一种慢波朗格耦合器芯片。包括金属耦合线、端口连接线、金属通孔、金属连线、金属条带、金属栅条和金属地，其中金属耦合线和端口连接线相连并位于金属地的上方，金属耦合线通过金属通孔及金属连线相连；金属条带采用叉指结构，其位于金属耦合线下侧并通过金属通孔与耦合线连接；金属地开槽，金属栅条位于金属耦合线、金属连线及金属条带的下侧，并处于金属地开槽的中心。本发明实现了朗格耦合器性能，且易于调整耦合线的特征阻抗，更重要的是，该耦合器具有慢波效应，解决了朗格耦合器芯片面积大、加工成本高、在片实现难等问题。

技术研发人员：沈一竹,邹京昊,胡三明,万嘉鹏
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12