CN111224204B - 多层慢波传输线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层慢波传输线，其中传输线(2)和金属枝节(3)位于所述介质基板(1)的一个平面，所述金属枝节(3)与传输线(2)垂直连接；所述金属条带(4)是多层结构，所述金属条带(4)中传输线(2)所在的一层连接金属枝节(3)，所述金属条带(4)中除传输线(2)所在层的其他各层通过金属通孔(5)连接金属枝节(3)；所述金属枝节(3)与金属条带(4)之间的结构为叉指型结构；所述介质基板(1)用于固定或者支撑所述传输线(2)、金属枝节(3)、金属条带(4)、和金属通孔(5)。其具有较低的相速，以及更大的传播常数，可以用较小的物理长度实现更大的电长度，从而可以实现相应器件的小型化。

Description

多层慢波传输线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多层慢波传输线。

背景技术

在微波毫米波频段的集成电路***中，无源器件扮演着重要的角色，比如匹配网络、滤波器、功分器、耦合器等。然而，无源器件的尺寸总是和工作波长相关，往往具有占据较大的面积。对于集成电路而言，面积大意味着成本高。因而，集成电路中传统的传输结构往往容易导致所在集成电路的成本高。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种多层慢波传输线。

为实现本发明的目的，提供一种多层慢波传输线，包括介质基板、传输线、金属枝节、金属条带、和金属通孔；

所述传输线和金属枝节位于所述介质基板的一个平面，所述金属枝节与传输线垂直连接；

所述金属条带是多层结构，所述金属条带中传输线所在的一层连接金属枝节，所述金属条带中除传输线所在层的其他各层通过金属通孔连接金属枝节；所述金属枝节与金属条带之间的结构为叉指型结构；

所述介质基板用于固定或者支撑所述传输线、金属枝节、金属条带、和金属通孔。

在一个实施例中，上述多层慢波传输线，还包括金属地，所述金属地用于为多层慢波传输线提供地端。

作为一个实施例，所述传输线和金属枝节的所在层与所述金属地的所在层为不同的层。

作为一个实施例，所述金属地为整块金属地或者开槽金属地。

在一个实施例中，所述金属枝节、金属条带、和金属通孔呈周期性分布。

作为一个实施例，所述多层慢波传输线的传播常数随金属枝节之间的距离变大而变大。

在一个实施例中，所述金属枝节的长度大于或等于金属条带的宽度。

在一个实施例中，所述多层慢波传输线的传播常数随金属条带层数的增多而变大。

在一个实施例中，所述多层慢波传输线的传播常数随金属枝节的长度的变大而变大。

在一个实施例中，所述多层慢波传输线的传播常数随金属条带的长度的变大而变大；或者多层慢波传输线的传播常数随金属条带的宽度的变大而变大。

上述多层慢波传输线包括其所在集成电路的信号线，将传输线和金属枝节设置在介质基板的一个平面，使金属枝节与传输线垂直连接；其中金属条带是多层结构，金属条带中传输线所在的一层连接金属枝节，金属条带中除传输线所在层的其他各层通过金属通孔连接金属枝节；金属枝节与金属条带之间的结构为叉指型结构，以便于在传输线中引入所需要的电容，从而减小传输线的相速，实现慢波特性；并通过介质基板用于固定或者支撑所述传输线、金属枝节、金属条带、和金属通孔；以使包括传输线、金属枝节、金属条带、和金属通孔的信号线可以顺利传输相应信号，与集成电路中传统的传输结构相比，上述多层慢波传输线具有较低的相速，以及更大的传播常数，可以用较小的物理长度实现更大的电长度，从而可以实现相应器件的小型化。

附图说明

图1是一个实施例的多层慢波传输线结构示意图；

图2是一个实施例的多层慢波传输线的正视图；

图3(a)是一个实施例的多层慢波传输线中一个单元的三维结构图；

图3(b)是一个实施例的多层慢波传输线的正视图；

图4是一个实施例的多层慢波传输线与相同工艺中传统微带线的色散曲线示意图；

图5是一个实施例的金属条带的长度和宽度取不同值的色散曲线示意图；

图6是一个实施例的金属枝节长度取不同值的色散曲线示意图；

图7是一个实施例的传输线的散射参数曲线示意图；

图8(a)是一个实施例的多层慢波传输线的结构示意图；

图8(b)是一个实施例的多层慢波传输线的结构示意图；

图8(c)是一个实施例的微带线结构示意图；

图9是一个实施例的三种传输线的仿真相位延迟对比示意图；

图10(a)是一个实施例的多层慢波传输线构成的分支线耦合器示意图；

图10(b)是相同工艺中微带线构成的分支线耦合器示意图；

图11(a)是一个实施例的慢波传输线耦合器的S参数幅值示意图；

图11(b)是相同工艺中微带线的耦合器的S参数幅值示意图；

图12(a)是一个实施例的慢波传输线耦合器的两个输出端口之间的相位差示意图；

图12(b)是相同工艺中微带线耦合器两个输出端口之间的相位差示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1、图2所示，在一个实施例中，提供一种多层慢波传输线，如图示，上述多层慢波传输线包括介质基板1、传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5；

所述传输线2和金属枝节3位于所述介质基板1的一个平面，所述金属枝节3与传输线2垂直连接；

所述金属条带4是多层结构，所述金属条带4中传输线2所在的一层连接金属枝节3，所述金属条带4中除传输线2所在层的其他各层通过金属通孔5连接金属枝节3；所述金属枝节3与金属条带4之间的结构为叉指型结构；

所述介质基板1用于固定或者支撑所述传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5。

上述多层慢波传输线包括其所在集成电路的信号线，信号线通常包括传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5，传输线2和金属枝节3总是位于同一层。介质基板1用于固定或者支撑传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5，即固定相应的信号线，不同层的金属(如传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5等)由介质基板1分隔开，以使信号线可以顺利进行相应的信号传输。

上述金属枝节3与金属条带4之间的结构为叉指型结构，以便于在传输线中引入所需要的电容，从而减小传输线的相速，实现慢波特性。

具体地，金属枝节3、金属条带4和金属通孔5可以遵从周期分布规律或者非周期分布规律。

具体地，金属枝节3、金属条带4和金属通孔5等结构可以位于传输线2的单侧或者传输线2地两侧。

上述多层慢波传输线，将传输线2和金属枝节3设置在介质基板1的一个平面，使金属枝节3与传输线2垂直连接；其中金属条带4是多层结构，金属条带4中传输线2所在的一层连接金属枝节3，金属条带4中除传输线2所在层的其他各层通过金属通孔5连接金属枝节3；金属枝节3与金属条带4之间的结构为叉指型结构，以便于在传输线中引入所需要的电容，从而减小传输线的相速，实现慢波特性；并通过介质基板1用于固定或者支撑所述传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5；以使包括传输线2、金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5的信号线可以顺利传输相应信号，与集成电路中传统的传输结构相比，上述多层慢波传输线具有较低的相速，以及更大的传播常数，可以用较小的物理长度实现更大的电长度，从而可以实现相应器件的小型化。

在一个实施例中，上述多层慢波传输线，还包括金属地6，所述金属地6用于为多层慢波传输线提供地端。

具体地，金属地6可以设置在相应信号线下方。

作为一个实施例，所述传输线2和金属枝节3的所在层与所述金属地6的所在层为不同的层。

具体地，传输线2和金属枝节3是同层金属，可位于金属地6之外的其他所有层。

作为一个实施例，所述金属地6为整块金属地或者开槽金属地。

具体地，金属地6是整块金属地或者开槽金属地，开槽与否可改变所述慢波传输线的特性阻抗和传播常数，比如：金属地6开槽会使慢波传输线的传播常数增大。

在一个实施例中，所述金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5呈周期性分布。

本实施例中，多层慢波传输线是由金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5等结构组成的单元按照周期性规律级联构成的，但实际上若各个单元长度不等，即按照非周期规律级联，依然可以构成慢波传输线。

作为一个实施例，多层慢波传输线的传播常数随金属枝节3之间的距离变大而变大。

在一个实施例中，所述金属枝节3的长度大于或等于金属条带4的宽度。

本实施例中，金属条带4与传输线2之间的距离大于0或者等于0，即金属枝节3的长度大于或等于金属条带4的宽度。

在一个实施例中，所述多层慢波传输线的传播常数随金属条带4层数的增多而变大。

本实施例中，改变金属条带4的层数可改变相应多层慢波传输线的传播常数；具体地，其他参数不变的情况下，金属条带4层数增加会使传输线的传输常数变大。

在一个实施例中，多层慢波传输线的传播常数随金属枝节3的长度的变大而变大。

在一个实施例中，所述多层慢波传输线的传播常数随金属条带4的长度的变大而变大；或者多层慢波传输线的传播常数随金属条带4的宽度的变大而变大。

在一个实施例中，金属条带4的长度可以小于相邻金属枝节3之间的间距；通过改变金属条带4的长度和宽度、金属枝节3的长度、相邻金属枝节3之间的距离可以改变所述慢波传输线的特性阻抗和传播常数。例如增加金属条带4的长度或者宽度会使得相应慢波传输线的传播常数增大；增加金属枝节3的长度会使得慢波传输线的传播常数增大；相邻金属枝节3之间的距离会使得慢波传输线的传播常数增大。

进一步地，上述多层慢波传输线的传输线技术可采用单层介质基板实现，可应用于包括但不限定于CMOS工艺在内的各种半导体工艺、LTCC、PCB等多种工艺。其可以实现显著的慢波特性。和传统的传输线相比，上述多层慢波传输线可以利用更小的物理尺寸实现相同的电长度。若将其应用在无源器件中，可以缩减无源器件的尺寸；即可以实现显著的慢波特性，具有较大的传播常数，有利于实现无源器件的小型化。

在一个实施例中，多层慢波传输线的结构可以参考图1、图2所示，其中，金属枝节3、金属条带4、和金属通孔5等结构都位于传输线2的单侧，且遵循周期分布规律；本实施例提供的多层慢波传输线包括4个周期单元，即由4个周期单元级联构成，各个单元结构可以参考图3所示，其中图3(a)是该多层慢波传输线单元的三维结构图，图3(b)是多层慢波传输线单元的正视图。

进一步地，本实施例提供的多层慢波传输线与相同工艺中传统微带线的色散曲线可以参考图4所示。图4中，横坐标表示信号经过一个周期单元的相移，纵坐标表示频率。图4表明本实施例提供的多层慢波传输线具有显著的慢波特性。

图5为金属条带的长度和宽度取不同值的色散曲线。图5中，横坐标表示信号经过一个周期单元的相移，纵坐标表示频率。图5表明增大金属条带的长度和宽度使得传输线色散曲线向下弯曲的程度增大，即传播常数增大

图6为金属枝节长度取不同值的色散曲线。图6中，横坐标表示频率信号经过一个周期单元的相移，纵坐标表示频率。图6表明金属枝节越长，传输线色散曲线向下弯曲的程度越大。

图7为本实施例的传输线的散射参数曲线。图7中，横坐标表示频率，纵坐标表示S参数的幅值，图7表明在100GHz-180GHz频段内，|S11|小于-20dB,|S21|大于-0.7dB，说明本实施例中的传输线在整个频带内都有较好的传输效果。

在一个实施例中，多层慢波传输线的结构可以参考图8所示，其中，金属枝节、金属条带和金属通孔等结构都位于传输线单侧，且遵循周期分布规律。图8(a)中的多层慢波传输线由6个周期单元级联构成,传输线总长度为245um，图8(a)的金属地是整块金属地。与图8(a)不同，图8(b)中的多层慢波传输线由4个周期单元级联构成，且金属地上有周期性开槽，传输线总长度为165um。图8(c)是用相同工艺实现的微带线，其总长度为380um。三种传输线的特性阻抗都接近50欧姆。

图9对比了这三种传输线的仿真相位延迟。图9中，横坐标表示频率，纵坐标表示信号经过传输线产生的相移，图9表明三种传输线在140GHz实现了相同的相位延迟。图8(a)和图8(b)的多层慢波传输线的长度分别为图8(c)中微带线长度的0.64倍和0.43倍。

在一个实施例中，图10(a)是由上述多层慢波传输线构成的分支线耦合器，图10(b)是相同工艺中微带线构成的分支线耦合器。图11是图10所示耦合器的S参数仿真结果，其中图11(a)为图10(a)中慢波传输线耦合器的S参数幅值，图11(b)为图10(b)中耦合器的仿真S参数幅值。图12是图10所示耦合器的相移仿真结果，其中图12(a)为图10(a)中慢波传输线耦合器的两个输出端口之间的相位差，图12(b)为图10(b)中微带线耦合器两个输出端口之间的相位差。相较于微带线实现的分支线耦合器，本发明所述的多层慢波传输线构成的分支线耦合器尺寸缩减了63％，且实现了类似的性能。其中，图11中，横坐标表示频率，纵坐标表示S参数的幅值；图12中，横坐标表示频率，纵坐标表示耦合器两个输出端口之间的相位差。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多层慢波传输线，其特征在于，包括介质基板(1)、传输线(2)、金属枝节(3)、金属条带(4)、和金属通孔(5)；

所述传输线(2)和金属枝节(3)位于所述介质基板(1)的一个平面，所述金属枝节(3)与传输线(2)垂直连接；

所述金属条带(4)是多层结构，所述金属条带(4)中传输线(2)所在的一层连接金属枝节(3)，所述金属条带(4)中除传输线(2)所在层的其他各层通过金属通孔(5)连接金属枝节(3)；所述金属枝节(3)与金属条带(4)之间的结构为叉指型结构；

所述介质基板(1)用于固定或者支撑所述传输线(2)、金属枝节(3)、金属条带(4)、和金属通孔(5)。

2.根据权利要求1所述的多层慢波传输线，其特征在于，还包括金属地(6)，所述金属地(6)用于为多层慢波传输线提供地端。

3.根据权利要求2所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述传输线(2)和金属枝节(3)的所在层与所述金属地(6)的所在层为不同的层。

4.根据权利要求2所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述金属地(6)为整块金属地或者开槽金属地。

5.根据权利要求1所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述金属枝节(3)、金属条带(4)、和金属通孔(5)呈周期性分布。

6.根据权利要求5所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述多层慢波传输线的传播常数随金属枝节(3)之间的距离变大而变大。

7.根据权利要求1所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述金属枝节(3)长度大于或等于金属条带(4)的宽度。

8.根据权利要求1至7任一项所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述多层慢波传输线的传播常数随金属条带(4)层数的增多而变大。

9.根据权利要求1至7任一项所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述多层慢波传输线的传播常数随金属枝节(3)的长度的变大而变大。

10.根据权利要求1至7任一项所述的多层慢波传输线，其特征在于，所述多层慢波传输线的传播常数随金属条带(4)的长度的变大而变大；或者多层慢波传输线的传播常数随金属条带(4)的宽度的变大而变大。

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