基于TSV技术的双频带分支线定向耦合器

基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器
技术领域
1.本发明属于三维集成电路技术领域，涉及一种基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器。


背景技术：

2.分支线定向耦合器是设计天线阵列、butler矩阵、交叉和整流器的重要部件，而多频带分支线定向耦合器作为设计多频带系统的关键部件，是无线通信行业迁移和升级所必需的。近年来，丰富的无线连接(如无线局域网(wlan)、蓝牙)和蜂窝(如全球移动通信系统(gsm)、宽带码分多址(wcdma)和长期演进(lte))通信标准使移动设备中的多频段和多模式无线电成为大势所趋，分支线耦合器的双频带或多频带设计越来越受到关注。
3.现代无线通信系统多频带工作的需求大大增加了射频前端电路的复杂性。为了降低系统复杂性和电路尺寸以及降低成本，在过去的十年里，多频带电路组件和子系统得到了快速发展。近年来，研究学者们提出了各种双频带微波无源元件的设计方法。例如将传统支线耦合器中的四分之一波长(λ/4)线替换为等效的双频带λ/4变压器，使用复合右/左手传输线中的π型双频带λ/4变压器或t型短截线负载传输线等。尽管双频带分支线耦合器的设计方法有很多，但由于目前双频带的分支线耦合器主要工作频段在6ghz以下，现有的设计方法普遍存在尺寸难以缩小的问题，制约了双频带分支线耦合器的小型化发展，限制了其在便携式、轻量化的移动设备中的应用。因此，迫切的需要新的方法解决目前双频分支线耦合器发展面临的瓶颈。
4.三维集成电路(3d ic)技术通过垂直堆叠多个硅层，为电路的尺寸小型化和单片集成提供了解决方案。硅通孔(tsv)是3d ic的关键技术，它可以在垂直堆叠层中提供低损耗、低延迟的垂直互连，并且已经在电感器、滤波器、变压器等多个应用中得到了深入和广泛的研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，该耦合器结构通过双频桥接t型线圈(btc)实现双频分支线耦合器的小型化。
6.本发明所采用的技术方案是，基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，包括两组含有tsv结构的bct1线圈和两组含有tsv结构的bct2线圈，两组btc1线圈作为分支线耦合器的支线，两组btc2线圈作为分支线耦合器的主线。
7.本发明的特点还在于：
8.两组bct1线圈结构对称设置，两组所述btc2线圈对称设置。
9.每组btc1线圈的结构为：包括两个串联的tsv螺旋电感l
s1
，两个tsv螺旋电感l
s1
之间的互感为l
m1
，电容c
p1
的两个极板分别连接串联tsv螺旋电感l
s1
的左右两端，电容c
s1
的一个极板连接两个tsv螺旋电感l
s1
相接的部分，电容c
s1
的另一极板接地。
10.每组btc2线圈的结构为：包括两个串联的tsv螺旋电感l
s2
，两个tsv螺旋电感l
s2
之
间的互感为l
m2
，电容c
p2
的两个极板分别连接串联tsv螺旋电感l
s2
的左右两端，电容c
s2
的一个极板连接两个tsv螺旋电感l
s2
相接的部分，电容c
s2
的另一极板接地。
11.基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器的设计方法，将btc1线圈和btc2线圈等效为两个不同工作频段的传输线截面，使用两个btc1作为分支线耦合器的支线，使用两个btc2作为分支线耦合器的主线，从而实现分支线耦合器的双频功能。
12.本发明的有益效果如下：
13.1.本发明通过使用双频btc替代分支线耦合器的λ/4传输线得到了双频分支线定向耦合器的集总参数电路，并且电路中的电感采用tsv结构实现，与硅工艺产品相兼容，可集成。
14.2.电感l
s1
和l
s2
采用基于tsv的三维结构，与传统的二维平面螺旋电感相比，电感密度更大、自谐振频率和品质因数更高。
15.3.并且通过利用tsv的优良电学特性，实现了较好的性能，相比于传统双频带分支线耦合器具有体积小、损耗低等优点，实现了在低频段具有良好的隔离度和回波损耗的双频带分支线耦合器。
附图说明
16.图1是本发明基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器的电路原理图；
17.图2是本发明基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器的俯视图；
18.图3(a)、3(b)是本发明基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器的tsv螺旋电感三维立体图和剖面图；
19.图4(a)～4(d)是本发明基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器的模拟仿真结果。
20.图中，13.顶层rdl，14.底层rdl，15.金属铜柱，16.tsv，17.硅衬底，18.二氧化硅层a，19.二氧化硅层b，20.二氧化硅隔离层。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.本发明基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，原理如图1所示，采用了一种具有双频传输特性的btc线圈来替代传统分支线耦合器的四条传输线以此来实现双频带的工作。包括两个btc1和两个btc2线圈，两个btc1和两个btc2线圈结构相同，均由两个大小相等的电感ls和电容c
p
、cs组成。本发明的双频分支线耦合器的工作频率为fa＝2.4ghz和fb＝5.2ghz，等效线圈btc1相当于在fa＝2.4ghz下特性阻抗为50ω，电长度为90
°
的传输线和在fb＝5.2ghz下特性阻抗为50ω，电长度为270
°
的传输线；同理btc2可以等效为在fa＝2.4ghz下特性阻抗为35.35ω，电长度为90
°
的传输线和在fb＝5.2ghz下特性阻抗为35.35ω，电长度为270
°
的传输线。将两个btc1和btc2线圈分别相对布置并连接，四个端口分别由btc1和btc2相连接的交点处引出，得到双频带分支线定向耦合器的集总参数电路拓扑。由双频分支线定向耦合器的工作频率可以通过计算确定电路拓扑中电感和电容的值。
23.实施例1
24.本发明基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，结构如图2所示btc1线圈由两个
大小相等的电感l
s1
和电容c
p1
、c
s1
组成，btc2线圈由两个大小相等的电感l
s2
和电容c
p2
、c
s2
组成；两个btc1线圈对称设置，两个btc2线圈对称设置；
25.每个btc1线圈的结构为：首先将两个tsv螺旋电感l
s1
进行串联，两个tsv螺旋电感l
s1
之间的互感为l
m1
，电容c
p1
的两个极板分别连接串联tsv螺旋电感l
s1
的左右两端，电容c
s1
的一个极板连接两个tsv螺旋电感l
s1
相接的部分，电容c
s1
的另一极板接地。
26.每个btc2线圈的结构为：首先将两个tsv螺旋电感l
s2
进行串联，两个tsv螺旋电感l
s2
之间的互感为l
m2
，电容c
p2
的两个极板分别连接串联tsv螺旋电感l
s2
的左右两端，电容c
s2
的一个极板连接两个tsv螺旋电感l
s2
相接的部分，电容c
s2
的另一极板接地。
27.btc1线圈和btc2线圈可以被等效为两个不同工作频段的传输线截面，使用两组btc线圈分别作为分支线定向耦合器的主线和支线则可以实现双频功能，用两个btc1作为分支线耦合器的支线(特性阻抗为50ω)，两个btc2作为分支线耦合器的主线(特性阻抗为35.35ω)。
28.两个btc1线圈和两个btc2线圈的相交点处分别设有四个端口，分别为port1、port2、port3、port4。
29.实施例2
30.在实施例1的基础上，两个tsv螺旋电感l
s2
和两个tsv螺旋电感l
s1
结构相同，以一个tsv螺旋电感l
s1
的结构为例进行说明，图3(a)为tsv螺旋电感l
s1
的立体图，图3(b)为tsv螺旋电感l
s1
的剖面图；
31.tsv螺旋电感l
s1
由三部分组成，包括从上至下依次设置的顶层rdl13(顶部再布线层(rdl))、tsv16和底层rdl14，顶层rdl13位于二氧化硅层a18内，底层rdl14位于二氧化硅层b19内，tsv16位于硅衬底17内，硅衬底17位于二氧化硅层a18和二氧化硅层b19之间；顶层rdl13与tsv16的顶部之间、底层rdl14与tsv16的底部之间均设有金属铜柱15。
32.顶层rdl13、tsv16及底层rdl14之间依次首尾相接形成螺旋结构；tsv螺旋电感l
s1
的值由顶层rdl13和tsv16、底层rdl14和tsv16的自感和互感相叠加得到。
33.电容c
p1
、c
s1
、c
p2
、c
s2
均为mim电容，mim电容由两层rdl组成，两层rdl分别作为电容的两个极板，两极板位于二氧化硅层a18中，两极板之间的介质为二氧化硅。
34.顶层rdl13采用铜材料，位于二氧化硅层a18内部；tsv16外部包裹有二氧化硅隔离层20。
35.tsv螺旋电感和mim电容通过rdl进行互连，以tsv螺旋电感l
s1
为例，tsv螺旋电感l
s1
与电容c
p1
、c
s1
之间通过rdl进行互连。
36.实施例3
37.由于计算获得的电感之间的互感lm为负值，因此将两个电感ls对称布局，lm由它们之间的寄生互感提供，btc1线圈中，tsv螺旋电感l
s1
中rdl的宽度为20μm，厚度为5μm，底层rdl14的长度为145μm，顶层rdl13的长度为155μm，电感的匝数为5；电容c
p1
、c
s1
的厚度为5μm，介质层的厚度为0.2μm。根据电路用rdl将电感和电容连接起来。btc2中tsv螺旋电感l
s2
的匝数为4，其它尺寸参数和l
s1
相同，同理，按照电路拓扑连接电感和电容。完成两组btc的布局后，采用rdl连接btc1和btc2，它们的布置方式和电路拓扑相同，四个端口由rdl引出。
38.由图4(a)可以看出，在fa＝2.4ghz时，耦合度为-4.2db，隔离度为-32.61db；在fb＝5.2ghz时耦合度为-4.5db，隔离度为-37.14db。在2.19～2.51ghz的频率范围内隔离度小
于-15.6db；在5.15-5.37ghz范围内，隔离度小于-17.2db。由图4(b)可知在fa＝2.4ghz和fb＝5.2ghz时回波损耗分别为-23.44db和-21.23db，插入损耗分别为-3.71db和-3.36db。由图4(c)可知端口2和端口3的相位差在相应工作频率下分别为90.37
°
和273.75
°
。如图4(d)所示，在两个频率范围内的幅度不平衡分别在-0.28db和-1.36db以内。
39.该双频分支线耦合器采用硅基衬底，与现有普遍的硅工艺产品相兼容。
40.本发明采用了桥接t型线圈(btc)，得到了双频带分支线耦合器的集总参数电路拓扑，解决了传统的双频带分支线耦合器尺寸大、难以集成的问题，并且tsv螺旋电感的应用大大缩小了电路的面积，可以满足目前双频分支线耦合器的小型化需求。

技术特征：
1.基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，其特征在于：包括两组含有tsv结构的bct1线圈和两组含有tsv结构的bct2线圈，两组btc1线圈作为分支线耦合器的支线，两组btc2线圈作为分支线耦合器的主线。2.根据权利要求1所述的基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，其特征在于：两组所述bct1线圈结构对称设置，两组所述btc2线圈对称设置。3.根据权利要求2所述的基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，其特征在于：每组所述btc1线圈的结构为：包括两个串联的tsv螺旋电感l
s1
，两个tsv螺旋电感l
s1
之间的互感为l
m1
，电容c
p1
的两个极板分别连接串联tsv螺旋电感l
s1
的两端，电容c
s1
的一个极板连接两个tsv螺旋电感l
s1
相接的部分，电容c
s1
的另一极板接地。4.根据权利要求3所述的基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器，其特征在于：每组所述btc2线圈的结构为：包括两个串联的tsv螺旋电感l
s2
，两个tsv螺旋电感l
s2
之间的互感为l
m2
，电容c
p2
的两个极板分别连接串联tsv螺旋电感l
s2
的两端，电容c
s2
的一个极板连接两个tsv螺旋电感l
s2
相接的部分，电容c
s2
的另一极板接地。5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的基于tsv技术的双频带分支线定向耦合器的设计方法，其特征在于：将btc1线圈和btc2线圈等效为两个不同工作频段的传输线截面，使用两个btc1作为分支线耦合器的支线，使用两个btc2作为分支线耦合器的主线，从而实现分支线耦合器的双频功能。

技术总结
本发明公开了一种基于TSV技术的双频带分支线定向耦合器，包括两组含有TSV结构的BCT1线圈和两组含有TSV结构的BCT2线圈，两组BTC1线圈作为分支线耦合器的支线，两组BTC2线圈作为分支线耦合器的主线。本发明通过双频桥接T型线圈(BTC)实现双频分支线耦合器的小型化。型线圈(BTC)实现双频分支线耦合器的小型化。型线圈(BTC)实现双频分支线耦合器的小型化。


技术研发人员：王凤娟 肖洒 杨媛 余宁梅 朱樟明 尹湘坤
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/10/8