专利名称：单片微波集成电路－波导射频过渡结构和相关方法
在1GHz与100GHz之间频率下工作的电磁系统应用于各种各样的通信、雷达、遥感和其它应用之中。这些系统的前端通常包括提供各种功能的RF(射频)信号处理电路。这种RF电路可以在不同的传输介质中实现，这类介质包括长方形波导、微带(micro strip)和带状传输线。微带结构广泛应用于分立微波集成电路(MIC)和单片微波集成电路(MMIC)中。
在要求半导体控制装置小型、高度电路集成和可合并的应用中，MIC和MMIC电路是有用的。MIC和MMIC电路使用微带传输线，它通常包括沉积在等原厚MMIC基片上的薄导电带，该等原厚MMIC基片背靠在导电接地面上。RF能量在微带中以准TEM模式传播。另一方面，当低电路损耗或高功率输送要求支配着设计技术要求时，使用波导结构。RF能量以TE和/或TM模式，通过波导传播。
在许多电磁系统中，需要从波导传输介质过渡到MMIC介质。由于将TE或TM模式的能量转换成准TEM模式的能量存在着固有的困难，因此，MMIC/波导之间的过渡不能直接实现。由在较高RF频率下，例如，毫米波频率下，工作的系统所要求的薄MMIC基片的集和形状，往往导致易损坏的MMIC结构，因此，进一步使RF过渡结构设计工作变得复杂化。
授予Geller等人的美国专利第4,636,753号(“Geller”)公开了设计MMIC-波导或MIC-波导的过渡结构的一种现有方法。Geller公开了沿着长向，从平行于波导的窄壁的平面插入长方形波导中的薄金属膜基片。在基片的金属膜表面上，形成了从波导模式到槽线(slotline)模式的鳍线(finline)过渡结构。在基片上形成宽带平衡不平衡转换器(balum)，将槽线模式的能量转换成在基片上形成的微带中传播的能量。MMIC或MIC部分分别在基片上形成，或者说分别固定在基片上，并且由微带馈送。这种装置是关于波导传播方向对称的，以便能在基片上提供从MIC到波导和从波导到MIC两方面的过渡结构。Geller公开的技术在某些方面或许是有用的，例如，在建造波导放大器方面，通过在含有鳍线过渡的基片上形成MIC或MMIC放大器，并且平行于波导的窄壁的方式将基片插入长方形波导的空腔部分中，从而构成波导放大器。但是，由于容限的要求和引线接合(wirebond)连接的使用，Geller技术只限于较低的微波频率应用。
授予Gammand等人的美国专利第5,414,394号(“Gammand”)提供了MIC-波导的过渡结构，这个发明公开了在基片的一面上形成的微带，以及其定向垂直于基片并且其端点接近用作场探针的微带的一端的波导。从波导到微带的过渡，是通过在探针附近缩小波导的口径使其成颈状，并将波导空腔的端点定位在离探针的距离为四分之一波长的位置上。带有微带的基片落入到在过渡结构中的，在用作导电波导壁的多部分金属壳组件中形成的通道中。壳体还遍及整个基片，以保护在上面形成的电路。
另一种波导过渡方法是将MMIC电路和分立波导/微带过渡结构粘贴在MIC插件中的公用基片上，用带状焊接(rihbon weld)或引线接合将两个基片相互连接起来。这种公用MIC技术广泛应用于较低频率之中，但在较高频率下，例如微米波频率，却会导致很差的RF性能，这里，带状焊接和引线接合的寄生电容起重要作用。
由于高频装置较薄的基片和较小的装置器件会使装置更易损坏，因此，提供波导-MMIC过渡结构的现有方法不能很好地套用到较高的RF频率上，例如，毫米波频率。此外，制造较高频率装置所要求的制造容限使多个复合壳体部分的排列变得更加困难，并且在MIC装置中需要利用引线接合或带状焊接相互连接分立的基片也降低了在较高频率下的RF性能。
根据本发明，这里提供了一种RF过渡结构，用于将在波导传输线中传播的能量耦合成在微带传输线中传播的能量。RF过渡结构包括微带结构，这种微带结构包括背面带有金属膜的MMIC基片和正面微带。背面的金属膜确定了波导膜片，微带包括在波导膜片附近形成的微带馈送线。本发明的RF过渡结构还包括端接在波导膜片周围的金属膜层上的波导，从而将在波导中传播的能量转换成在微带中传播的能量。作为这种独特结构的结果，RF过渡结构为较高的RF频率，例如，毫米波频率，提供了良好的RF性能。此外，本发明的RF过渡结构还能够实现在凹凸不平的和可延长的插件中的，适合于利用波导在象毫米波频率那样的较高RF频率下进行信号通信的RF电路结构。
在一个实施例中，RF过渡结构的MMIC基片是半导体材料，例如，单晶硅、砷化镓、磷化铟等，RF信号处理电路是单片地在基片上形成的。因此，本发明为凹凸不平的和可延长的易损坏的薄MMIC电路提供了高性能的RF过渡结构。
本发明还提供了适合于与波导面接且与波导进行信号通信的RF电路。该RF电路包括适合于端接波导且将在波导中传播的能量转换成在微带中传播的能量的微带结构。根据一个优选实施例，RF电路包括作为微带结构组成部分形成的电子电路系统，例如，RF电路系统。
本发明进一步提供了将在波导中传播的能量耦合成在微带中传播的能量的方法。根据本发明，该方法包括如下步骤提供微带结构和在由该微带结构的背面金属膜形成的波导膜片上端接波导，从而将在波导中传播的能量转换成在微带结构中传播的能量。在一个优选实施例中，该方法还包括将微带结构整合在RF信号处理子系统中的步骤。
因此，通过提供凹凸不平的和可延长的、甚至包括达到较高RF频率，例如，毫米波频率，下良好RF性能所必需的薄基片和紧密尺寸容限(closedimensional tolerancing)的过渡结构设计，本发明的RF过渡结构克服了现有RF过渡结构中所固有的缺陷。此外，本发明的RF过渡结构不用引线接合或带状焊接来实现，从而提高了RF性能。
图1是根据本发明一个实施例的微带-波导RF过渡结构的透视图。
图2是描绘在MMIC基片上形成的空腔和RF电路系统的微带-波导RF过渡结构的侧视图。
图3是根据本发明一个实施例的微带-波导RF过渡结构的平面图并提供微带馈送线几何形状的细节。
图4描绘根据本发明一个实施例，从波导到微带能量匹配的方法的流程图。
现在开始参照附图对本发明作更全面描述，其中附图显示了本发明的优选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式得以实施，并不受这里所陈述的实施例的限制。这里提供这些实施例是为了使本公开更全面彻底，以及更完整地将本发明的范围传达给本领域的普通技术人员。在附图中，相同的标号自始至终表示相同的单元。
图1提供了根据本发明一个实施例的RF过渡结构20的透视图。RF过渡结构包括微带结构22，微带结构22包括在MMIC基片26上形成的RF电路系统24。微带结构22还提供了具有微带几何形状的RF传输线。关于这一点，金属膜的薄线沉积在MMIC基片26的第二表面上，形成微带28，金属膜层，例如，接地面，是在相反的基片第一表面上形成的。工作时，RF信号通过微带结构22传送到微带结构上的RF电路系统和其它器件中，并且从它们中传输出来。正如本领域普通技术人员所知的，MMIC基片26的第一表面通常是由背面金属膜沉积在上面以便形成接地面的基片背面构成的。同样地，众所周知，MMIC基片的第二表面是由微带28在上面形成的基片正面构成的。
在本发明的RF过渡结构20中，在微带结构22中传播的RF能量通过在相邻微带28上形成的微带馈送线30、再通过在MMIC基片背面上的金属膜层中形成的波导膜片32，耦合到波导34中。下面结合图2进行更详细讨论，波导34与波导32周围的背面金属膜相匹配并端接在上面。最好利用导电环氧树脂将波导连接或接合在背面金属膜层上，以便提供与微带馈送线之间的可重复、低能损的耦合。如现有技术中已知的，也可以使用其它将波导端接在背面金属膜上的技术，而不偏离本发明的范围。
与波导膜片相关的微带馈送线30的几何形状对本发明的RF过渡结构的性能是非常重要的。微带馈送线30、波导膜片32和MMIC基片26的尺寸和细节决定微带结构与波导之间的阻抗匹配，并通常决定RF过滤结构20的RF性能。最好是，波导膜片与波导34同心，微带馈送线30处在相对于波导膜片32和波导34对称的位置上。微带馈送线30细节和尺寸的调整可以利用来将RF过渡结构调谐到在特定的窄RF频率范围内工作，或者加宽RF过渡结构20在上面工作的频带。
图2提供了本发明的RF过渡结构20的一个优选实施例，它描述了包括空腔40的RF过渡结构的侧视图。空腔40端接在波导34上，并固定在靠近MMIC基片26的正面的微带结构22上。空腔40最好处在相对于波导膜片32和波导34对称的位置上。为了优化耦合，调整空腔40的尺寸，以便使所有的空腔谐振频率落在RF过渡结构20的设计带宽之外。波导34和空腔40最好稍微延伸到基片26的边缘之外，如图2所示。因此，正如现有技术中所已知的，最好用导电环氧树脂将空腔连接或接合在基片之外的区域内的波导34的末端上。还要用导电环氧树脂将空腔40连接或接合在MMIC基片的前面部分上，如图2所示。空腔40通过更有效地端接在波导34上，来提高RF过渡结构的耦合性能。
在本发明的RF过渡结构20的一个优选实施例中，正如本领域普通技术人员所已知的，MMIC基片26由半导体材料制成，而RF电路系统24单片地形成在基片上。半导体材料可以包括单晶硅、砷化镓、磷化铟、以及其它现有技术中已知的、适合于单片形成MMIC和电子电路系统的材料。
图3提供了根据本发明的一个优选实施例的MMIC-波导RF过滤结构20的平面图，这里提供了一个优选实施例的微带馈送线几何形状的细节。如图3所示，微带馈送线30最好在背面波导膜片32的上面延伸，其端点是一个微带星形接头36。两个相对的微带臂38最好从靠近波导膜片32，并且相对于波导膜片32的中心与微带星形接头36相反位置上的微带馈送线30上向两侧延伸，如图3所示。结合波导、波导膜片开孔和空腔的尺寸，仔细地选择微带馈送线、微带星形接头36和微带两臂38的尺寸，以提供在特定RF工作频率下的高性能RF过渡结构。例如，在一个为在100GHz中心频率下工作而设计的优选实施例中，由砷化镓制成的基片具有3密耳(mil)的厚度和12.8的介电常数，波导34的内部尺寸是10mil×5mil，空腔40的内部尺寸是130mil×100mil×25mil，微带馈送线30的宽度是5mil，微带臂38的长度和宽度分别是28mil和0.37mil，波导膜片32的尺寸分另是20mil×50mil。由此构成的RF过渡结构20已经被模型化，预计产生中心在100GHz处的7GHz带宽，在此带宽上回损(return loss)好于10dB且插入损耗(insertion loss)小于0.25dB。
图3还显示了根据本发明的一个优选实施例的RF电路48，它描绘了在单个基片上象RF电路系统24那样的电子电路系统和微带传输线结构的形成。根据这个优选实施例，该RF电路48适合于与连接或者固定在由金属膜形成的波导膜片周围的相邻的基片背面金属膜上的接口波导进行信号通信。
在一个实施例中，本发明的RF电路48包括与接口波导的背面金属膜固定位置同心地固定在基片的上面的空腔。由背面金属膜层形成的波导膜片最好是关于正面微带馈送线和接口波导的固定位置对称。如现有技术中所已知的那样，最好基片是半导体材料，而电子电路系统是单片地在半导体基片上形成的。
图4是提供根据本发明一个实施例，从波导模式到微带模式能量匹配的方法的流程图。在步骤50中，首先提供如上所述的微带结构。该微带结构最好包括MMIC基片，在基片背面上形成的金属膜层和在基片的正面上形成的微带。金属膜层确定波导膜片，微带包括位于波导膜片附近的微带馈送线。根据本发明，此方法进一步包括将波导端接在波导膜片周围的金属膜层上，从而将在波导模式中传播的能量转换成在微带模式中传播的能量的步骤58。
在根据本发明的方法的一个优选实施例中，在步骤52中，采用诸如对DC电源通过引线接合而对RF通过带状焊接，将RF信号接口和DC电源接口提供给微带结构。在步骤54中，象RF电路系统那样的电子电路系统最好在MMIC基片上形成，以便提供信号处理功能。在一个优选实施例中，在步骤56中，提供一个空腔以便端接靠近波导膜片的接口波导。该方法最好还包括分别在波导膜片上端接接口波导，并且将整个结构整合成RF子系统或系统的步骤58和60。
本发明的RF过渡结构克服了现有技术的RF过渡结构设计中固有的缺陷。本发明的RF过渡结构是凹凸不平的和可延长的，甚至包括达到较高RF频率，例如，毫米波频率，下良好RF性能所必需的薄基片和紧密尺寸容限。此外，本发明的单片RF过渡结构不用引线接合或带状焊接来实现，从而提高了RF性能。
本领域普通技术人员可以根据前面的说明和相关的附图，对本发明进行许多修改或设计出其它实施例。因此，应该明白，本发明并不受这些具体实施例的限制，这些修改和其它实施例均在所附权利要求书的范围之内。
权利要求
1．一种将在波导传输线中传播的能量耦合成在微带传输线中传播的能量的RF过渡结构，该过滤结构包括微带结构，它包括单片微波集成电路(“MMIC”)基片、在MMIC基片的第一表面上形成的金属膜层和在相反的MMIC基片第二表面上形成的微带，其中，金属膜层确定波导膜片，而微带包括在波导膜片附近的微带馈送线；和波导，它端接在波导膜片周围的金属膜层上，从而将在波导中传播的能量转换成在微带中传播的能量。
2．如权利要求1所述的RF过渡结构，其中，波导膜片与波导同心。
3．如权利要求1所述的RF过渡结构，其中，微带馈送线在波导膜片上面延伸，并且关于波导膜片的中心是对称的。
4．如权利要求1所述的RF过渡结构，其中，微带馈送线包括两条相对的微带臂。
5．如权利要求1所述的RF过渡结构，其中，微带结构还包括用于处理RF信号的RF电路系统。
6．如权利要求1所述的RF过渡结构，其中，MMIC基片包括半导体材料。
7．如权利要求1所述的RF过渡结构，进一步包括邻接在与波导同心的MMIC基片的第二表面上的空腔。
8．如权利要求1所述的RF过渡结构，进一步包括与波导同心且邻接在MMIC基片的第二表面上的空腔。其中，波导膜片是与波导同心的；其中，微带馈送线在波导膜片上面延伸，并且关于波导膜片的中心是对称的；其中，微带结构还包括用于处理RF信号的RF电路系统；和其中，MMIC基片包括半导体材料。
9．一种适合于与波导进行信号通信的RF电路，该电路包括微带结构，它包括MMIC基片、在MMIC基片的第一表面上形成的金属膜层和在相反的MMIC基片第二表面上形成的微带，其中，金属膜层确定波导膜片，而微带包括在波导膜片附近的微带馈送线；其中，微带结构适合于端接位于波导膜片周围的金属膜层上的波导；和其中，微带馈送线适合于将在波导中传播的能量转换成在微带中传播的能量。
10．如权利要求9所述的RF电路，其中，微带馈送线在波导膜片上面延伸，并且关于波导膜片的中心是对称的。
11．如权利要求9所述的RF电路，其中，微带馈送线包括两条相对的微带臂。
12．如权利要求9所述的RF电路，其中，微带结构还包括用于处理RF信号的RF电路系统。
13．如权利要求9所述的RF电路，其中，MMIC基片包括半导体材料。
14．如权利要求9所述的RF电路，进一步包括邻接在MMIC基片的第二表面上的空腔。
15．如权利要求9所述的RF电路，进一步包括邻接在MMIC基片的第二表面上的空腔。其中，微带馈送线在波导膜片上面延伸，并且关于波导膜片的中心是对称的；其中，微带结构还包括用于处理RF信号的RF电路系统；和其中，MMIC基片包括半导体材料。
16．一种将在波导传输线中传播的能量耦合成在微带传输线中传播的能量的方法，该方法包括下列步骤；提供包括如下单元的微带结构，这些单元是MMIC基片、在MMIC基片的第一表面上形成的金属膜层和在相反的MMIC基片第二表面上形成的微带，其中，金属膜层确定膜片，而微带包括在波导膜片附近的微带馈送线；和将波导端接在波导膜片周围的金属膜层上，从而将在波导中传播的能量转换成在微带中传播的能量。
17．如权利要求16所述的方法，进一步包括提供与波导同心并且邻接在MMIC基片的第二表面上的空腔的步骤。
18．如权利要求16所述的方法，进一步包括在MMIC基片上形成RF电路系统，从而处理RF信号的步骤。
19．如权利要求16所述的方法，进一步包括将信号接口提供给微带结构的步骤。
20．如权利要求16所述的方法，进一步包括将微带结构整合成RF信号处理子系统的步骤。
全文摘要
一种将波导传输线中传播的能量耦合成微带传输线中传播的能量的RF过渡结构。该结构包括含有单片微波集成电路基片、该基片正面上形成的金属膜层和反面上形成的微带,及端接在金属膜层上确定的膜片周围的金属膜层上,将在它自己中传播的能量转换成微带中传播的能量的波导。单片结构避免了用引线接合或带状焊接来连接分立基片,使得RF电路可以构造成适合在凹凸不平的、可延长的插件中,在较高RF频率下,与波导进行信号通信。
文档编号H01P5/10GK1284761SQ00121929
公开日2001年2月21日 申请日期2000年7月25日 优先权日1999年8月16日
发明者乔纳森·B·哈克, 埃米利奥·A·索夫罗 申请人:波音公司