基于TSV的不同功率分配比分支线耦合器

本发明属于三维集成电路，涉及基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器。

背景技术：

1、随着现代通信技术的迅猛发展，对无线通信系统提出了更高的要求。高质量、高速率的信号传输和小型化、便捷化的移动设备以及高集成度的射频系统成为目前发展的主要趋势。分支线耦合器在无线系统中起着至关重要的作用，传统的结构面临着尺寸大、难以集成的问题，严重制约了射频系统的小型化发展。在三维集成电路领域，一种新的技术—硅通孔(through silicon via，tsv)技术作为唯一的垂直电互连技术，因此，可以通过tsv技术来实现定向耦合器的小型化，大大提高集成电路的可靠性。3d ic和tsv技术不仅可以解决传统的互连延迟问题，而且为射频和微波电路的设计和集成提供了更大的灵活性，近些年随着三维集成技术的发展，针对tsv的射频微波器件也开始被研究，基于tsv的电感器、电容器已经被设计研发，和传统结构相比不但在尺寸上具有很大的优势，而且在高频段具有高可靠性和低损耗等优良的电学特性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，该耦合器能够实现现代通信系统对耦合器件不同功率分配的要求。

2、本发明所采用的技术方案是，基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，包括七个tsv电感器，分别为：电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感l6和电感l7，电感l1和电感l2中间设有电容c1和输入端口a；电感l2、电感l3和电感l7中间设有电容c2；电感l3和电感l4中间设有电容c3和直通端口b；电感l4和电感l5中间设有电容c4和耦合端口c；tsv电感l5、电感l6和电感l7中间设有电容c5；电感l1和电感l7中间设有电容c6和隔离端口d。

3、本发明的特点还在于：

4、电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感l6和电感l7均为tsv螺旋电感。

5、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6均为mim电容。

6、分支线耦合器的传输线形式电路包括七条四分之一波长传输线z1、z2、z3。

7、分支线耦合器的功率分配比k按照如下公式推导：

8、

9、

10、

11、其中，k为功率分配比，r是阻抗变换比r＝z01/z02，z01为输入端阻抗，z02为输出端阻抗。

12、电感l1和l4由特性阻抗z1的微带线转化得到；电感l2、l3、l5和l6由特性阻抗z2的微带线转化得到；电感l7由特性阻抗z3的微带线转化得到；电容c1～c6由相邻的微带线转化后的电容值并联相加所得；电容c1、c3、c4和c6由相邻阻抗分别为z1和z2的微带线并联相加得到，电容c2和c5由相邻的两条阻抗为z2和一条阻抗为z3的微带线并联相加得到。

13、本发明的有益效果如下：

14、(1)本发明提出了不同功率分配比分支线耦合器的设计方法，并设计了功率分配k＝p3/p2分别为1、2、3的分支线耦合器，仿真结果表明其性能优异，验证了此方法的正确性与优越性；本发明采用硅衬底进行设计制造，利用三维集成电路tsv技术，在方便与其它电路系统集成的同时，缩短了信号的传输路径，降低了损耗，大大提升了分支线耦合器的性能，同时减小了耦合器的电路尺寸，实现了电路面积小型化。

15、(2)本发明设计的基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，相较于传统的分支线耦合器，传统的分支线耦合器是分立器件，适用于模组结构系统，无法与有源电路相集成，而本发明可以与chiplet工艺兼容，制作硅基全集成微系统，集成度更高。

技术特征：

1.基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，其特征在于：包括七个tsv电感器，分别为：电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感l6和电感l7，电感l1和电感l2中间设有电容c1和输入端口a；电感l2、电感l3和电感l7中间设有电容c2；电感l3和电感l4中间设有电容c3和直通端口b；电感l4和电感l5中间设有电容c4和耦合端口c；tsv电感l5、电感l6和电感l7中间设有电容c5；电感l1和电感l7中间设有电容c6和隔离端口d。

2.根据权利要求1所述的基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，其特征在于：所述电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感l6和电感l7均为tsv螺旋电感。

3.根据权利要求1所述的基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，其特征在于：所述电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6均为mim电容。

4.根据权利要求1所述的基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，其特征在于：所述分支线耦合器的传输线形式电路包括七条四分之一波长传输线z1、z2、z3。

5.根据权利要求4所述的基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，其特征在于：所述分支线耦合器的功率分配比k按照如下公式推导：

6.根据权利要求5所述的基于tsv的不同功率分配比分支线耦合器，其特征在于：所述电感l1和l4由特性阻抗z1的微带线转化得到；电感l2、l3、l5和l6由特性阻抗z2的微带线转化得到；电感l7由特性阻抗z3的微带线转化得到；电容c1～c6由相邻的微带线转化后的电容值并联相加所得；电容c1、c3、c4和c6由相邻阻抗分别为z1和z2的微带线并联相加得到，电容c2和c5由相邻的两条阻抗为z2和一条阻抗为z3的微带线并联相加得到。

技术总结本发明公开了基于TSV的不同功率分配比分支线耦合器，包括七个TSV电感器，分别为：电感L<subgt;1</subgt;、电感L<subgt;2</subgt;、电感L<subgt;3</subgt;、电感L<subgt;4</subgt;、电感L<subgt;5</subgt;、电感L<subgt;6</subgt;和电感L<subgt;7</subgt;，电感L<subgt;1</subgt;和电感L<subgt;2</subgt;中间设有电容C<subgt;1</subgt;和输入端口A；电感L<subgt;2</subgt;、电感L<subgt;3</subgt;和电感L<subgt;7</subgt;中间设有电容C<subgt;2</subgt;；电感L<subgt;3</subgt;和电感L<subgt;4</subgt;中间设有电容C<subgt;3</subgt;和直通端口B；电感L<subgt;4</subgt;和电感L<subgt;5</subgt;中间设有电容C<subgt;4</subgt;和耦合端口C；TSV电感L<subgt;5</subgt;、电感L<subgt;6</subgt;和电感L<subgt;7</subgt;中间设有电容C<subgt;5</subgt;；电感L<subgt;1</subgt;和电感L<subgt;7</subgt;中间设有电容C<subgt;6</subgt;和隔离端口D。本发明能够实现现代通信系统对耦合器件不同功率分配的要求。技术研发人员：王凤娟,李秀智,刘江凡,杨媛,余宁梅受保护的技术使用者：西安理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20