[发明专利]一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关

说明书

本发明公开了一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关，涉及毫米波开关，属于基本电气元件的技术领域。混合耦合器包含在水平方呈微带线形式的上金属层和呈接地耦合式缺陷地平面的下金属层，在紧凑的尺寸下改变了微带线周围的电磁场分布、增强耦合器的有效电感和引入有效电容，从而实现串联谐振条件。单刀单掷开关包括：接地耦合式混合耦合器、第一控制晶体管和第二控制晶体管、第一偏置电阻和第一偏置电阻，混合耦合器能够高效地补偿控制晶体管的寄生电容，在一个超宽带的工作频率范围内实现了低插入损耗、高隔离度以及大功率处理能力，而且结构简单紧凑，电路面积非常小，在毫米波集成电路设计中极具有优秀的科学应用价值。

技术领域

本发明公开了一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关，涉及毫米波开关，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

毫米波介于微波和太赫兹波之间，其长波段与微波重合，短波段与太赫兹波段重合，兼具微波和太赫兹波的一些优秀特性，是新一代理想而又实用的工作频段。单刀单掷开关作为毫米波前端电路中的关键电路模块被广泛地应用于无线通信系统中。例如，单刀单掷开关经常用于振幅键控通信系统中以实现幅度调制，也可以用于构建时分复用前端中的单刀双掷-发射/接收开关以实现发射机和接收机共享同一根天线，为全集成片上毫米波系统提供了一个更加紧凑的解决方案。因此，单刀单掷开关作为构成毫米波系统极其关键的模块，其性能的好坏直接影响到后端数据信息传输的准确性及整个系统的通信质量。

毫米波开关设计的主要挑战在于如何高效地补偿控制晶体管的寄生电容，因为，这种寄生效应会极大地影响插入损耗，回波损耗和隔离度等开关性能。最常用的补偿方式是采用四分之一波长传输线作为补偿元件，利用传输线内在的宽带特性可以实现优异的宽带性能，然而，传输线会占用较大的芯片面积，导致制造成本较高，同时，毫米波开关的隔离度也受限。为了获得更加紧凑的芯片，有人提出采用串联电感代替传输线用做补偿部件，采用电感作为补偿元件可以减小芯片面积，但是不容易获得一个宽带工作范围，此外，由于趋肤效应，在工作频率超过 100 GHz 时，电感会引入显著的能量损耗。可以看到，传统的设计方法在毫米波频段很难同时获得低插入损耗和高隔离度，难以满足高性能的设计要求。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关，降低插入损耗的同时提高了隔离度，还增强了功率处理能力，解决了现有毫米波开关难以同时实现低插入损耗和高隔离度的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种通过交换核实现的接地耦合式混合耦合器，包括呈平行微带线结构的上金属层和和呈接地耦合式缺陷地平面的下金属层，通过不同的金属层并行交换互连实现交换核的功能，上下金属层通过金属通孔进行连接，不同金属层在水平方向上存在强电磁场耦合，接地耦合式缺陷地平面通过在下金属层上分别刻蚀沿水平方向轴对称的多边形和沿垂直方向轴对称的间隙实现。刻蚀多边形会扰乱表面电流分布，延长表面电流的传播路径，改变微带线周围的电磁场分布，增强接地耦合式混合耦合器的有效电感，在一个紧凑的尺寸下更高效地补偿控制晶体管的寄生电容。间隙处会聚集大量的电荷，存在强的电容效应，引入等效的耦合电容。在一定的工作频率范围内，有效电感和等效的耦合电容共同作用会引入一个串联谐振条件（零点），从而获得更低的插入损耗和更高的隔离度。

进一步优选的，改变刻蚀多边形的形状和大小以及间隙的大小，可以改变接地耦合式混合耦合器的有效电感和等效耦合电容，改善输入输出匹配，获得额外的设计自由度，进而调节毫米波单刀单掷开关的整体频率响应。