一种太赫兹频段超宽带一分四功分器

1.本实用新型涉及太赫兹集成技术领域，具体涉及一种太赫兹频段超宽带一分四功分器。


背景技术：

2.太赫兹频段介于电子学向光子学过渡区域，存在透射性好、方向性强、频谱宽等一系列优点，能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱，被广泛应用下一代通信和雷达、生物医学、工业检查、安检成像、天文射电和环境检测等各方面。随着通信技术的飞速发展，低频段的微波频谱资源日趋紧张，对更高频且带宽更宽的毫米波和太赫兹波探索极为重要。
3.功分器是一种将一路输入信号能量分成多路输出相等或不相等能量的器件，之前已经被广泛应用在多路通信网络、相控阵雷达等微波设备中。当前在太赫兹频段研究频率源还是一个挑战，为了获得更高功率的输出，通常会采用多路级联的方式，这就需要良好的功分器来实现。现有的功分器对太赫兹频段研究较少且基本达不到超宽带要求。


技术实现要素：

4.为了有效解决背景技术中太赫兹频段需要宽带多路级联功分器的问题，本实用新型提出了一种太赫兹频段超宽带一分四功分器，采用片上微带结构，能够直接与后续电路相连。
5.本实用新型的太赫兹频段超宽带一分四功分器包括：基板、金属化通孔、介质基片、地
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信号
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地引脚和微带功分器；其中，基板采用半导体，在基板上开设有贯通基板上下表面的多个通孔，在每一个通孔的侧壁上镀有导电金属，形成金属化通孔，金属化通孔接地；在基板上设置介质基片；在介质基片的上表面形成地
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信号
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地引脚和微带功分器；地
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信号
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地引脚包括信号引脚和两个地引脚，信号引脚位于中间，两个地引脚分别位于信号引脚的两侧；信号引脚包括地层金属、引脚基片和上层金属，地层金属位于介质基片的上表面，在地层金属上形成平面形状相同的引脚基片，在引脚基片的部分上形成上层金属，在地层金属的部分上进行开窗，形成了缺陷地结构，基板内的金属化通孔位于开窗的周围；微带功分器包括第一级一分二t型结功分器和两个第二级一分二t型结功分器，信号引脚连接第一级一分二t型结功分器的输入端口，第一级一分二t型结功分器的两个输出端口分别连接至两个第二级一分二t型结功分器的输入端口。
6.本实用新型的介质基片上的厚度只有1～8μm，这是实现超宽带的技术关键，地
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信号
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地引脚位于很薄的介质基片上，用于单片集成电路的输入和输出，方便进行在片测试，其结构本质上相当于一段很短的共面波导，中间的信号引脚也能够作为微带线使用；外部探针的引脚分别对应连接至地
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信号
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地引脚，信号通过作为微带线的信号引脚传输至微带功分器，信号通过第一级一分二t型结功分器均匀的一分二后，再通过两个第二级一分二t型结功分器各自一分二，因为整个结构是对称的，最后达到信号一分四平均分配的结果，方
便与后续电路匹配直连；因工艺原因地
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信号
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地引脚，部分在地层金属处进行开窗，形成了缺陷地结构，而微带线的传输性能依赖于地平面的完整性，开窗可能会导致泄露，对此采用的解决方式是设置金属化通孔，金属化通孔位于开窗的周围；太赫兹单片电路层间设置金属化通孔，能够起到破坏太赫兹单片电路层间的谐振的作用，可有效抑制低介电常数产生的表面波以及衬底形成的谐振腔内的谐振。
7.基板上的通孔的形状为圆柱或圆台。通孔的侧壁上的导电金属为金、铜和铝。金属化通孔的直径为30～100μm，高度为80～150μm。金属化通孔的数量为4～8个。
8.介质基片采用绝缘材料；介质基片的厚度为1～8μm。
9.本实用新型的太赫兹频段超宽带一分四功分器选择用微带线形式主要是因为微带结构便于直接在片上集成。虽然单独看现有技术汇总的微带功分器的插入损耗比波导功分器略高，但考虑到波导不能直接片上集成，波导功分器封装之后再与别的太赫兹模块过渡连接，设计过程复杂且难度会增加。
10.本实用新型的第一级一分二t型结功分器的输出端口和第二级一分二t型结功分器的输入端口微带线在同一直线上，最大限度的增加了各端口之间的距离，方便后续电路的版图设计。在增加功分器长度的同时使得宽度尽可能的小，实现电路的小型化，有利于片上集成。在设计过程中，需要对功分器性能进行优化，这样会使得各部分变量都会随时改变，而且变量之间都会相关并且相互制约。
11.本实用新型的优点：
12.本实用新型包括基板、金属化通孔、介质基片、地
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信号
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地引脚和微带功分器；微带功分器中的第一级一分二t型结功分器的输出端口和第二级一分二t型结功分器的输入端口在同一直线上，最大限度的增加了各端口之间的距离，方便后续电路的版图设计；在地
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信号
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地引脚的地层金属的开窗的周围设置金属化通孔，能够起到破坏太赫兹单片电路层间的谐振的作用，可有效抑制低介电常数产生的表面波以及衬底形成的谐振腔内的谐振；本实用新型插入损耗良好，能有效减少能量损失；超宽带特性能满足多频段电路工作需求；适用于太赫兹频段；适用于低介电常数的介质基片；具备设计简单且易于制造的优点。
附图说明
13.图1为本实用新型的太赫兹频段超宽带一分四功分器的一个实施例的示意图；
14.图2为本实用新型的太赫兹频段超宽带一分四功分器的一个实施例的俯视图。
具体实施方式
15.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
16.如图1和2所示，本实施例的包括：太赫兹频段超宽带一分四功分器包括：基板、金属化通孔1、介质基片2、地
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信号
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地引脚(gsg pad)3和微带功分器4；其中，基板采用半导体，在基板上开设有贯通基板上下表面的多个通孔，通孔的中心轴垂直于基板的表面，在每一个通孔的侧壁上镀有导电金属，形成金属化通孔1，金属化通孔1接地；在基板上设置介质基片2；在介质基片2的上表面形成地
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信号
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地引脚3和微带功分器4；地
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信号
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地引脚3包括信号引脚3
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2和两个地引脚3
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1，信号引脚3
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2位于中间，两个地引脚3
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1分别位于信号引脚3
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2的两侧；信号引脚3
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2包括地层金属、引脚基片和上层金属，地层金属位于介质基片2的
上表面，在地层金属上形成平面形状相同的引脚基片，在引脚基片的部分上形成上层金属，在地层金属的部分上进行开窗，形成了缺陷地结构，基板内的五个金属化通孔1均匀位于开窗的周围；微带功分器4包括第一级一分二t型结功分器4
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1和两个第二级一分二t型结功分器4
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2，信号引脚3
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2连接第一级一分二t型结功分器4
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1的输入端口，第一级一分二t型结功分器4
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1的两个输出端口分别连接至两个第二级一分二t型结功分器4
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2的输入端口。
17.在本实施例中，基板上的通孔的形状为圆台，金属化通孔1的上底的直径为40μm，下底为80μm，高度为100μm，基板的材料采用磷化铟；介质基片2采用低介电常数的苯并环丁烯bcb；介质基片2的厚度为5μm。在增加功分器长度的同时使得宽度尽可能的小，实现电路的小型化，有利于片上集成；在设计过程中，需要对功分器性能进行优化，这样会使得各部分变量都会随时改变，而且变量之间都会相关并且相互制约，最终得到第二级一分二t型结功分器4
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2的四个输出端口均为微带线，微带线宽12μm，特征阻抗50欧姆，能直接和后续电路相连而无需额外的阻抗匹配，各端口间隔240μm。
18.最终在仿真软件中优化一分四功分器得到图1中给定的结构形式，插入损耗，在280ghz～400ghz的超宽带范围内s21约为
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7db，该值为包含了gsg pad的结果，如不加gsg pad结果会更优。
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7db插损比起理想情况下的
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6db可以接受，实现了在280ghz～400ghz内无谐振。考虑到工艺简单些及高频电阻的不易实现性，本实用新型中t型结功分器而没有选择加隔离电阻的威尔金森功分器，最终对各端口隔离度仿真结果在280ghz～400ghz范围内＜
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10db。
19.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。