可调谐微波装置的制作方法

专利名称：可调谐微波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括微波/集成电路器件和基片的可调谐微波装置。本发明还涉及用于调谐这样的微波装置的方法。
现有技术在先进的微波通信系统中，例如就涉及到的性能和功能性而言，对于元件的要求越来越高。对于功能性来说，可重新配置性、灵活性和可适配性是重要的问题。制造成本也是关键的问题。另一个重要的因素是能够使得各种微波元件尽可能小的需要。
所以，花费很大的力气来找到用于制作元件的新的和更好的材料。另一个关键的问题牵涉到设计方法，为了改善现有的方法和建立新的改进的设计方法，开展了许多研究。最近，提出了电磁带隙(EBG)晶体，也称为光子带隙晶体，用于微波器件和微波系统的设计，具体地，用于提供改进性能的目的。这例如是在“PBG Evaluation for Base StationAntennas(用于基站天线的PBG评估)”，24thESTEC Antenna Workshopon Innovative Periodic Antennas.Photonic Bandgap，Fractal andFrequency Selective structures(WPP-185)，第5-10页，2001中讨论的。
例如在D.Sievenpiper，I.Schaffner的、“Beam steeringmicrowave reflector based on electrically tunable impedancesurface(基于电可调谐的阻抗表面的射束控制微波反射器)”，Electronic Letters，Vol.38，no.21，第1237-1238页，2002中也展示了具有EBG频率选择面(frequency sective surfacer)的微带装置就涉及到的表面波抑制而言提供了改进的性能。在该同一文献中指出使用半导体变容二极管调谐EBG晶体的可能性。然而，由于几个原因，实际上不可能使用这种可调谐的EBG晶体作为接地面。一个原因是半导体二极管的使用使得该设计是昂贵的。
另一个原因在于，EBG晶体的尺寸是与微波波长可比较的，这使得在某些微波器件(例如，微带滤波器)中不可能使用它们作为接地面。再者，调谐DC电压被加到顶部微带电路上。
然而，调谐DC电压的电源需要去耦电路，以防止微波进到DC电源。必须有可能允许DC电源被传递到微波元件(例如，微带)。然而，这样的去耦电路使得整个微波器件/电路复杂化。而且，有时它们需要高电压，可能使该器件危险，以及其它元件可能对于这样的高电压是易损坏的。
克服与去耦电路有关的问题的一个方法可能是把受控元件从该器件的顶面移到底面。然而，这可能对于几种应用是复杂的和不方便的。

发明内容
所以，所需要的是一种如开始提到的具有高性能并且是灵活的微波装置。而且，仍需要一种便宜的和易于设计与制造的微波装置。再者，需要一种可适配的和可重新配置的微波装置。具体地，需要一种可调谐的、但不用许多或根本不用任何需要高电压的复杂的和危险的去耦电路的装置。甚至更具体地，需要一种其中可以利用电磁带隙晶体作为接地面、但不需要高电压去耦电路的微波装置。还需要小尺寸化、易于调谐的、和可以被使用于例如尤其是现代微波通信系统和雷达系统中的高频(GHz和以上的频率)应用的装置。还需要一种用于调谐这样的装置的方法。
所以，提供如一开始提到的微波装置，包括被布置在所述微波/集成电路器件与所述基片之间的分层结构，该分层结构起到接地面的作用。它包括至少一个规则地或非规则地构图的第一金属层；至少一个第二金属层；和至少一个可调谐的铁电膜层。这些层被安排成使得该/一个铁电膜层被提供在该/一个第一金属层与该/一个第二金属层之间。
优选地，构图的第一金属层包括构图的电磁带隙晶体结构。铁电膜层可以以某些实现来构图。然而，在其它的实现中，铁电膜层是均匀的，即没有被构图。
第二金属层可以是均匀的，即没有被构图，但它也可以被构图。然后它可以与铁电层(如果构图)不同地或以相同的方式被构图。它与第一金属层相比较，也可以不同地或相同地构图。在本申请中所谓的被构图是指任何规则的或非规则的构图。它可包括带条、方形(一个或多个)、矩形、椭圆、圆形图案等等。
第二金属层具体地包括Pt，Cu，Ag，Au或任何其它适当的金属。
铁电膜层可包括SrTiO3，BaxSr1-xTiO3，或具有类似的特性的材料。
接地面结构是可调谐的，以及为了调谐，DC电压被加在该/一个第一金属层与该/一个第二金属层之间。如果有更多的第一和第二层，即，多层结构，则任意适当的第一和第二层可被选择来用于调谐用途。
微波/集成电路器件的调谐是通过接地面的调谐，特别是根本不需要在器件上的任何去耦电路而达到的。
通过加上DC偏置(调谐)电压，铁电膜层的介电常数受到影响，从而改变与微波/集成电路器件相邻的接地面表面的阻抗，因此优选地通过被布置在它们之间的(例如BCB的)电介质(dielectricum)而调谐被安排在接地面上的器件或元件。
微波电路可包括微带线或被耦合的微带线。它也可包括贴片谐振器(patch resonator)(任何适当的形状，方形，圆形，矩形等等)。在另一个实施例中，微波电路包括电感线圈。它通常还可包括微波传输线，或例如共面带线器件(coplanar strip line device)。
正如可以看到的，微波/集成电路器件原则上可包括任何元件，例如半导体IC、滤波器的部件，例如带通或带阻滤波器等等。
基片可包括半导体，例如Si，电介质，金属或具有类似特性的任何材料。
如上所提到的，在微波器件与(顶部)构图的第一金属层之间优选地提供低介电常数、低损耗的电介质，它包括BCB或任何其它聚合物。优选地，施加的调谐电压低于100V，甚至更具体地，低于约10V，例如5V。
铁电层可以具有约0.1-2μm的厚度。
具体地，接地面结构包括具有一个以上的铁电层的多层结构，每个铁电层被布置在第一与第二/第一金属层之间。
本发明还提出用于调谐包括微波/集成电路器件与基片的微波装置的方法。微波装置还包括分层结构，起到用于该装置的接地面的作用，它被布置在微波/集成电路器件与基片之间，该方法包括在被布置在铁电层的相反两面上的第一构图的金属层与第二金属层之间施加DC调谐电压的步骤，这些层构成该装置的接地面。
优选地，构图的第一金属层包括构图的电磁带隙晶体结构。
为了调谐微波/集成电路器件，施加DC电压的步骤影响接地面之上的阻抗，因此改变微波/集成电路器件的谐振频率。
该方法优选地还包括步骤，在包括两层以上的铁电膜层的多层接地面结构中选择围绕任何的铁电膜的第一和第二金属层的任一金属层，用于调谐微波/集成电路器件。


下面参照附图且以非限制的方式进一步描述本发明，其中图1是具有可调谐的EBG接地面的微波装置的截面图，图2是按照本发明的另一个实施例的平面图，其中微波器件包括圆形贴片谐振器，图3是再一个实施例的平面图，其中微波器件包括耦合的微带线，图4是再一个实施例的平面图，其中微波器件包括可调谐电感线圈，图5是按照本发明的再一个实施例的装置的截面图，以及图6显示其中接地面包括多层结构的按照本发明的装置，其中第一和第二层被选择用于调谐。
具体实施例方式
图1显示按照本发明的一个实施例的微波装置10。微波装置10包括微波器件11，这里例如包括贴片谐振器和例如Si的基片。形成接地面的分层结构被布置在基片5上，它包括第一金属层1，这里包括在可调谐的铁电膜层2之上构图的EBG。
铁电膜在US-A-6 187 717中提出用于微波应用。在该文献中确立了具有大介电常数的铁电体使能大大地减小尺寸和DC电压对于介电常数的依赖性。这使得铁电材料对于其中想要有小尺寸的可调谐微波器件的应用是极其有利的。这个文献在此引用以供参考。
铁电膜层2例如可包括SrTiO3，BaxSr1-xTiO3，或具有类似特性的任何其它材料。铁电膜被布置在第二金属层3上，这里例如包括Pt(或Cu，Au，Ag等等)。第一金属层1被构图。它可以规则地或非规则地被构图。在本实现中，它规则地被构图，以形成具有例如λg/2(媒体中的波长)或小于它的间距的带条。优选地，它包括2D EBG材料。
在本实施例中显示的铁电膜层2没有被构图。然而，它也可以以与第一金属层1相同的方式或以任何其它方式构图。贴片谐振器11(或任何其它的无源微波元件)通过低介电常数、低损耗的电介质4，例如BCB或任何其它聚合物(或具有类似特性的任何其它材料)与EBG表面(即，第一构图的金属层1的顶部表面)间隔开。
为了调谐微波元件(这里是贴片谐振器11)，在第一金属层1与第二金属层3(接地面)之间加上调谐电压(小于100V，优选地小于10V，例如5V)。调谐EBG接地面的阻抗将改变贴片谐振器11的谐振频率。
该设计可以是与Si IC电路集成，以及它尤其对于例如高达约20GHz和以上的高频是有用的。
应当指出，微波器件(这里是贴片谐振器11)是不加DC偏置的，而代之以给第一和第二金属层加偏置，在这里实现接地面表面的调谐，且因此调谐到谐振频率。
图2显示从上面看的一个装置20，在平面图中其十分类似于图1中的装置。图上公开了一个微波器件12，包括在例如BCB(图上未示出)的电介质层之上的圆形贴片谐振器。该电介质层被布置在第一金属层1’上，包括2D EBG构图的晶体层，且它在这里包括正交带条。其上布置该第一金属层的铁电膜层在图上是看不见的，第二金属层也是看不见的。然而，该结构基本上相应于图1的结构。接地面被布置在例如Si的基片层5’上。应当很清楚，贴片谐振器不一定是圆形的，相反，它可以具有任何适当的形状，可以有一个以上的贴片等等。
图3显示包括具有耦合微带线13形式的微波器件的微波装置30的平面图，13被提供在电介质(未示出)上，该电介质被布置在如图1所示的可调谐的接地面上，其中只显示构图的第一金属层1”。接地面被布置在Si(这里)基片层5”上。装置30例如可以形成可调谐的带通滤波器的一部分。调谐按照图1来实现。
图4是一个替换的微波装置40的平面图，该微波装置40包括具有被布置在电介质(未示出)上的集总电感线圈14形式的微波/集成电路器件，该电介质被布置在电感线圈14与按照本发明的可调谐的接地面(参阅图1)之间，其中只显示第一构图的(2D EBG)金属层1。接地面被提供在基片5上。功能类似于参照图1描述的功能，以及通过加上DC电压到第一和第二金属层，接地面的表面将被调谐，因此电感线圈14的电感将被调谐。
图5是微波装置50的截面图。微波装置包括被布置在电介质44上的耦合微带15，15，15。电介质44被安排在接地面上，该接地面在这里在顶部包括构图的第一金属层14，铁电膜层24，它在本实施例中也被构图，且进而又被安排在第二金属层34上，该第二金属层34在本具体实施例中也被构图。接地面被提供在基片54上。通过把调谐电压V加到第一和第二金属层，而实现调谐。
最后，图6是再一个本发明的装置60的截面图。它在这里包括被提供在电介质45上的贴片谐振器16。然而，接地面在这里包括，从顶部依次为构图的第一金属层15，铁电层25，另一个构图的第一金属层16，另一个铁电层26，和第二金属层35。分层结构被布置在基片55上。在所显示的实施例中，调谐电压被加到顶部的第一金属层15和第二金属层35。然而，它也可以加到第一金属层16和第二金属层35，或第一金属层15和另一个第一金属层16。任何变例在原则上都是可能的。还可以有更多的第一和第二金属层，以及铁电层。
应当看到，本发明当然不限于具体地显示的实施例，而是它可以在所附权利要求的范围内以多种方式变化。
权利要求
1.一种可调谐微波装置(10；20；30；40；50)，包括微波/集成电路器件(11；12；13；14；15)和基片(6)，其特征在于，它包括布置在所述微波/集成电路器件与所述基片(5；5’；5”；5；54；55)之间的分层结构，所述分层结构起到接地面的作用且包括至少一个规则地或非规则地构图的第一金属层(1；1’；1”；1；14；15；16)，至少一个第二金属层(3；34；35)，至少一个可调谐的铁电膜层(2；24；25；26)，由此所述各层被安排成使得该一个或者多个铁电膜层(2；24；25；26)被提供在该/一个第一金属层(1；1’；1”；1；14；15；16)与该/一个第二金属层(3；34；35)之间。
2.按照权利要求1的可调谐的微波装置，其特征在于构图的第一金属层(1；1’；1”；1；14；15；16)包括构图的电磁带隙晶体结构。
3.按照权利要求1或2的可调谐的微波装置，其特征在于铁电膜层(24)被构图。
4.按照权利要求1或2的可调谐的微波装置，其特征在于铁电膜层是均匀的(2)，即没有被构图。
5.按照权利要求1-4的任一项的可调谐的微波装置，其特征在于第二金属层(3)是均匀的，即没有被构图。
6.按照权利要求1-4的任一项的可调谐的微波装置，其特征在于第二金属层(34)被构图。
7.按照前述权利要求的任一项的可调谐的微波装置，其特征在于第二金属层(3；34；35)包括Pt，Cu，Ag，Au或任何其它适当的金属。
8.按照前述权利要求的任一项的可调谐的微波装置，其特征在于铁电膜层(2；24；25；26)包括SrTiO3，BaxSr1-xTiO3，或具有类似特性的材料。
9.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于接地面结构是可调谐的，以及为了调谐，DC电压被加在该/一个第一金属层(1)与该/一个第二金属层(3)之间。
10.按照权利要求9的装置，其特征在于微波/集成电路器件的调谐是通过接地面的调谐，特别是不需要在器件上的任何去耦电路而达到的。
11.按照权利要求9或10的装置，其特征在于通过加上DC偏置(调谐)电压，第一金属层(1)的介电常数受到影响，从而改变与微波/集成电路器件相邻的接地面表面的阻抗。
12.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于微波电路包括微带线或耦合的微带线(13，13；15，15，15)。
13.按照权利要求1-11的任一项的装置，其特征在于微波电路包括贴片谐振器(11；12；16)。
14.按照权利要求1-11的任一项的装置，其特征在于微波电路包括电感线圈(14)。
15.按照权利要求1-11的任一项的装置，其特征在于微波器件包括微波传输线，
16.按照权利要求1-11的任一项的装置，其特征在于微波器件包括共面带线器件。
17.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于基片包括半导体，例如Si，电介质，金属或具有类似特性的材料。
18.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于在微波器件与(顶部)构图的第一金属层(1)之间提供低介电常数、低损耗的电介质(4)。
19.按照权利要求18的装置，其特征在于电介质(4)包括BCB或任何其它聚合物。
20.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于施加的调谐电压低于100V。
21.按照权利要求20的装置，其特征在于调谐电压低于约10V。
22.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于铁电层(2)具有约1-2μm的厚度。
23.按照权利要求1-11的任一项的装置，其特征在于集成电路器件包括半导体集成电路。
24.按照前述权利要求的任一项的装置，其特征在于接地面结构包括具有一个以上的铁电层(25，26)的多层结构，每个铁电层被布置在第一与第二/(第一)金属层(15，16，16，35)之间。
25.一种用于调谐包括微波/集成电路器件与基片的微波装置的方法，其特征在于微波装置还包括分层结构，起到用于该装置的接地面的作用，它被布置在微波/集成电路器件与基片之间，该方法包括以下步骤-在被布置在铁电层(2)的相反两面上的第一构图的金属层(1)与第二金属层(3)之间施加DC调谐电压，这些层(1，2，3)构成该装置的接地面。
26.按照权利要求25的方法，其特征在于构图的第一金属层包括构图的电磁带隙晶体结构。
27.按照权利要求25或26的方法，其特征在于为了调谐微波/集成电路器件，施加DC电压的步骤影响接地面之上的阻抗，因此改变微波/集成电路器件的谐振频率。
28.按照权利要求25-27的任一项的方法，其特征在于该方法包括以下步骤，在包括两个以上的铁电膜层的多层接地面结构中-选择围绕任何的铁电膜的第一和第二金属层的任一金属层，用于调谐微波/集成电路器件。
全文摘要
本发明涉及可调谐微波装置(10)，包括微波/集成电路器件(11)与基片(6)。它包括布置在所述微波/集成电路器件与所述基片(5)之间的分层结构，所述分层结构起到接地面的作用且它包括至少一个规则地或非规则地构图的第一金属层(1)，至少一个第二金属层(3)，至少一个可调谐的铁电膜层(2)，由此所述层被安排成使得铁电膜层(2)被提供在该/一个第一金属层(1)与该/一个第二金属层(3)之间。
文档编号H01P5/18GK1886862SQ200380110954
公开日2006年12月27日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者S·格弗吉安, T·勒文, D·库伊兰斯蒂尔纳 申请人:艾利森电话股份有限公司