一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构

本发明属于天线，具体涉及一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构。

背景技术：

1、由于太赫兹(thz)波的丰富频谱资源，太赫兹频谱的应用已经在越来越多的领域得到了广泛的研究，如高速无线通信、生物医学成像、非破坏性评估和安全。先进的半导体技术已经成功地应用于开发太赫兹单片集成电路(tmics)，使得这些应用场景可实现。然而，实现此类太赫兹系统的主要挑战之一是缺少低损耗高集成度的芯片波导转接结构，以便于将信号从芯片传输到波导中与外部系统连接。

2、为了降低芯片到波导的转接损耗，提高波导口的输出功率，在磷化铟(inp)工艺中设计端射天线作为芯片到波导的转接结构得到了广泛关注。其特征是通过端射天线的辐射场平行于芯片的表面，将芯片的功率水平辐射到波导中进行传输。然而，inp工艺实现tmics的缺点是高芯片成本、高噪声系数和低集成度。为了克服inp工艺实现tmics的缺点，硅基技术，如sigebicmos，sigehbt，提供了一个低成本的解决方案，以实现太赫兹频段高度集成的tmics。由于sige工艺的限制，tmics芯片的四周被金属保护环所包裹，导致这种tmics上的端射天线所辐射的电磁场会被金属保护环所反射。尽管可以使用后处理工艺来去除金属保护环，如红外线激光，但这种操作会破坏tmics的物理稳定性，导致其容易被碎裂破损。因此，传统的端射天线，如偶极子天线和八木天线，无法在sige工艺中实现平行于芯片的波导转接。为了避免金属保护环影响sige工艺的片上天线辐射性能，辐射方向垂直于芯片表面的片上边射天线被提出，如折叠偶极子天线、贴片天线以及缝隙天线。然而，由于sigebicmos工艺中的si衬底损耗大，传统的这类片上天线通常面临着增益和辐射效率低的问题。si的低电阻率(50ω-cm)导致大部分射频(rf)功率被si衬底吸收，而无法从天线辐射出来。另外，si的高介电常数(εr＝11.9)激发了si衬底高阶表面波模式，导致天线的性能进一步恶化。而片上天线的低增益和低辐射效率会进一步导致芯片到波导的转接损耗增大。虽然可以在片外增加大口径的透镜来提高片上天线的增益，然而该方法不利于太赫兹系统的集成，极大地限制了其应用范围。为了克服上述的缺点，局部背面蚀刻技术被应用到sige工艺中，通过在天线正下方的si衬底中蚀刻出一个空气腔体，有效抑制si衬底对传输线的损耗，同时也抑制了si衬底的表面波，从而加强片上天线的辐射性能。然而，目前报道的采用sige工艺局部背面蚀刻技术的片上天线相对带宽较小，增益较低。更重要的是，当前所报道的芯片波导转接的损耗较大，集成度较低。综上，开发具有低损耗高集成度的芯片波导转接结构已成为亟待解决的难题，尤其是开发含有丰富频谱资源的太赫兹频段芯片波导转接显得尤为迫切。本发明正式针对这些关键问题而提出。

技术实现思路

1、技术问题：本发明目的在于提供一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，降低芯片到波导转接的损耗，实现了低损耗高集成度的芯片波导转接性能以解决上述的技术问题。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构具体如下：

3、包括：水平放置的sige发射机芯片、与sige发射机芯片垂直连接的阶梯式波导、环绕sige发射机芯片的pcb馈电网络介质基板、位于pcb馈电网络介质基板下方水平放置的金属底座；所述阶梯式波导2包括一个矩形波导2.1和其上方的wr4标准波导接口2.2，阶梯式波导2的外导体与金属底座4相连接；所述的pcb馈电网络介质基板3通过金丝键合线9与sige发射机芯片1的片上焊盘10相连接、pcb馈电网络介质基板3与金属底座4相连接。

4、进一步的，所述的sige发射机芯片包括水平放置的sio2介质、位于sio2介质下方水平放置的si介质以及包裹sige发射机芯片的金属保护环。

5、进一步的，sio2介质内包含水平放置的七层金属和金属过孔，第一层金属包括片上折叠偶极子天线、连接片上折叠偶极子天线和有源电路输出焊盘的一分二功率分配器、连接片上折叠偶极子天线的金属过孔、环绕片上折叠偶极子天线的第一层开口折线环。

6、进一步的，位于第一层金属下方的第二层金属包括第二层开口折线环，连接片上折叠偶极子天线的金属过孔；位于第二层金属下方的第三层金属包括第三层开口折线环，连接片上折叠偶极子天线的金属过孔；位于第三层金属下方的第四层金属包括第四层开口折线环，连接片上折叠偶极子天线的金属过孔；位于第四层金属下方的第五层金属包括第五层开口折线环，连接片上折叠偶极子天线的金属过孔；位于第五层金属下方的第六层金属包括第六层开口折线环，连接片上折叠偶极子天线的金属过孔；位于第六层金属下方的第七层金属包括日字型折线环、连接片上折叠偶极子天线与条形贴片的金属过孔。

7、进一步的，位于日字型折线环开口区域下方的si介质中包括局部背面蚀刻腔体。

8、进一步的，所述sige发射机芯片的sio2介质介电常数为4.1，厚度为15μm，si介质介电常数为11.9，厚度为300μm。

9、进一步的，所述pcb馈电网络介质基板为rogersro4350b，介电常数为3.48，厚度为0.355mm。

10、有益效果：本发明的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，具有以下优点：

11、1、本发明公开了一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，该转接结构由片上折叠偶极子天线和片外阶梯式波导组成，一方面在天线正下方si衬底中引入局部背面蚀刻空气腔，其在保证芯片物理结构稳定的情况下减少了si衬底对传输线的损耗，同时也抑制了si衬底的表面波，从而提升片上天线的增益和辐射效率，以及一分二功率分配器连接的两个折叠偶极子单元进一步增强片上天线的增益，降低芯片到波导转接的损耗；另一方面片外阶梯式波导可以完全覆盖在片上天线正上方，在阶梯式波导内支持te10模的电磁波将信号传输到wr4标准波导接口，这样就实现了低损耗高集成度的芯片波导转接性能；

12、2、片上折叠偶极子天线与金属反射地板之间的距离约为四分之一波长，实现了天线正向辐射电场与金属反射地板的反射电场在法向辐射方向上同相位叠加，进一步提升天线的增益；

13、3、片上折叠偶极子天线臂长略大于半波长，增加天线的辐射阻抗与sige发射机的有源电路输出端口实现50ω阻抗匹配，进一步提升天线的辐射效率；

14、4、芯片波导转接结构的wr4标准波导接口可以直接与外部设备或系统连接，相比于传统的覆盖在片上天线上方的大口径透镜或者介质块，本发明不仅避免了空口传播带来的高损耗和环境影响，而且实现了高集成度、高机械强度以及低装配难度，极大地拓宽了其应用场景；

15、5、阶梯式波导结构简单，不仅大大降低了机械加工的复杂度，同时实现了低成本化，支持工业化大规模量产。

技术特征：

1.一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述的芯片波导转接结构包括水平放置的sige发射机芯片(1)、位于sige发射机芯片(1)正上方与其垂直连接的阶梯式波导(2)、环绕sige发射机芯片(1)的pcb馈电网络介质基板(3)、位于pcb馈电网络介质基板(3)下方水平放置的金属底座(4)；所述sige发射机芯片(1)包括水平放置的sio2介质(5)、位于sio2介质(5)下方水平放置的si介质(6)以及包裹sige发射机芯片(1)的金属保护环(7)。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述sio2介质(5)内包含水平放置的七层金属和金属过孔(8)，第一层金属(5.1)包括片上折叠偶极子天线(5.2)、一分二功率分配器(5.3)、环绕片上折叠偶极子天线(5.2)的第一层开口折线环(5.4)、有源电路输出焊盘(5.5)，位于第一层金属(5.1)下方的第二层金属(5.6)包括第二层开口折线环(5.7)，位于第二层金属(5.6)下方的第三层金属(5.8)包括第三层开口折线环(5.9)，位于第三层金属(5.8)下方的第四层金属(5.10)包括第四层开口折线环(5.11)，位于第四层金属(5.10)下方的第五层金属(5.12)包括第五层开口折线环(5.13)，位于第五层金属(5.12)下方的第六层金属(5.14)包括第六层开口折线环(5.15)，位于第六层金属(5.14)下方的第七1层金属(5.16)包括日字型折线环(5.17)和条形贴片(5.18)；位于日字型折线环(5.17)开口区域(5.19)下方的si介质(6)中包括局部背面蚀刻腔体(6.1)。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述位于第一层金属(5.1)中一分二功率分配器(5.3)的一个主路与有源电路输出焊盘(5.5)连接，一分二功率分配器(5.3)的两个支路与片上折叠偶极子天线(5.2)的起始端连接，片上折叠偶极子天线(5.2)的末端通过金属过孔(8)与位于第七层金属(5.16)的条形贴片(5.18)连接，位于第七层金属(5.16)的条形贴片与位于第七层金属(5.16)的日字型折线环(5.17)连接。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述的阶梯式波导(2)包括一个矩形波导(2.1)和其上方的wr4标准波导接口(2.2)；阶梯式波导(2)的外导体与金属底座(4)相连接。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述的pcb馈电网络介质基板(3)通过金丝键合线(9)与sige发射机芯片(1)的片上焊盘(10)相连接。

6.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述的sio2介质(5)的介电常数4.1，厚度为15μm，si介质(6)介电常数为11.9，厚度为300μm。

7.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，其特征在于，所述的pcb馈电网络介质基板(3)为rogersro4350b，介电常数为3.48，厚度为0.355mm。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹频段低损耗高集成度的芯片波导转接结构，包括水平放置的SiGe发射机芯片以及与SiGe发射机芯片垂直连接的阶梯式波导；所述的SiGe发射机芯片包括片上折叠偶极子天线、连接SiGe发射机的有源电路输出焊盘与片上折叠偶极子天线的一分二功率分配器、连接片上折叠偶极子天线与条状贴片的金属过孔；位于片上折叠偶极子天线下方Si介质中的局部背面蚀刻腔体、位于一分二功率分配器下方的日字型折线环；所述的阶梯式波导包括一个矩形波导和其上方的WR4标准波导接口。本发明的结构实现了片上折叠偶极子天线在太赫兹频段内的高增益和高辐射效率性能，阶梯式波导结构简单，机械强度好，装配误差小，可直接与太赫兹波导系统集成。

技术研发人员：郝张成,谢峰,缪卓伟
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