一种E波段多芯片集成倍频模块

摘要

本发明公开了一种E波段多芯片集成倍频模块，包括金属上基座、金属下基座和倍频电路，所述金属上基座和金属下基座拼合后内部形成倍频通道的容腔，所述倍频电路包括依次电气连接的输入端、第一级倍频及滤波结构、第二级倍频放大结构、第三级输出微带波导过渡结构和输出端，所述第一级倍频及滤波结构、第二级倍频放大结构和第三级输出微带波导过渡结构设置在倍频通道的容腔内，所述输入端为标准SMA接头，所述输出端为标准波导法兰结构。本发明提供的E波段多芯片集成倍频模块，具有结构紧凑、集成度高等优点，同时采用标准SMA接头和标准波导法兰结构能够易于外接各类测试线缆及测试设备；且成本低、一致性好、便于规模制造。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多芯片集成技术的E波段倍频模块，用做E波段收发前端的本振。 

背景技术

微波是常见的无线通信技术，以其远距离、大容量、部署快捷、抗损强的特点被广泛应用于各类通信系统的中继和回传。持续的移动宽带的承载需求，常规6GHz～38GHz的微波频谱资源已经被迅速消耗殆尽，微波通信向更高频段扩展已成为必然趋势。E波段微波早在2001年和2003年被ITU-R（国际电联无线组织）所发布，主要包括60GHz和80GHz的高频段微波通信，60GHz免费频段较早为军方和行业客户使用，对运营商来说，80GHz微波频段将会是重要的无线传输手段。 

E波段微波频段由71G～76G/81G～86G频谱资源构成的，既是目前民用微波通信领域发布的最高传送频段，也是迄今为止ITU-R一次性发放的频谱资源中波道间隔最大的一次。该频段拥有10GHz的收发间隔（TR间隔），以及总共5GHz的可调制带宽。按照1Hz传送1bit这样最基本的传送能力计算，5GHz的频带宽度使得G比特（Gbps）级高速率传输成为可能，这是以往常规低频段的微波无法实现的。 

E波段具有更宽的可调制波道间隔，故E波段频段的微波通信系统天然具有传输G比特以上业务容量的能力。以ECC（欧洲电子通信委员会）对80GHz频段的定义为例，其建议的最小波道间隔为250MHz，整个5GHz的可用调制频段划被分成了19个子频段，传输业务时使用的波道间隔可以是1～4个250MHz子频段的组合，当最多4个250MHz子频段组合在一起时，可调波道间隔最大可以达到1GHz，采用一定的更高阶调制方式后，E波段微波可以实现1～5Gbps的高容量传输。 

近年来，随着无线通信网络从GSM、UMTS发展到LTE，回传网络所需要的承载带宽需求大幅增长。对电信运营商而言，E波段微波的应用无疑拓宽了无线传输紧张的频率资源，特别是对于无线网络未来大量部署的LTE基站，E波段能以更宽的频谱资源满足其超大带宽的承载需求。目前，许多国家已经开放了E波段频段的使用限制，各国纷纷开始进行E波段微波用于无线下一代无线回传网络的研制及试验。目前应用面临的困难主要在于毫米波模块的集成度低，造成系统电路复杂，体积大，从而影响整体性能。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多芯片集成技术的E波段倍频模块，用做E波段收发前端的本振；其在一个模块中实现了X波段到E 波段的倍频功能，大幅提高了模块集成度。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 

一种E波段多芯片集成倍频模块，包括金属上基座、金属下基座和倍频电路，所述金属上基座和金属下基座拼合后内部形成倍频通道的容腔，所述倍频电路包括依次电气连接的输入端、第一级倍频及滤波结构、第二级倍频放大结构、第三级输出微带波导过渡结构和输出端，所述第一级倍频及滤波结构、第二级倍频放大结构和第三级输出微带波导过渡结构设置在倍频通道的容腔内，所述输入端为标准SMA接头，所述输出端为标准波导法兰结构，且输入端和输出端分别设置在金属上基座和金属下基座拼合后形成结构的两个侧面。 

优选的，所述第一级倍频及滤波结构包括倍频芯片A和带通滤波电路，所述第二级倍频放大结构包括倍频芯片B和放大芯片，所述第三级输出微带波导过渡结构包括扇形微带波导过渡电路、降高波导电路和标准波导电路；所述倍频电路中所有使用的芯片均为毫米波砷化镓芯片，且各芯片和/或电路之间通过金丝键合实现电气连接。 

具体的，所述倍频通道的容腔的底部设置有直流电源板，所述第一级倍频及滤波结构包括倍频芯片A和带通滤波电路；所述倍频芯片A的输入端通过第一键合金丝A与微带传输线电气连接、输出端通过第二键合金丝A与带通滤波电路电气连接、直流端通过第三键合金丝A与芯片电容A电气连接；所述芯片电容A通过第四键合金丝A与直流偏置电路A电气连接，直流偏置电路A通过第五键合金丝A与直流绝缘子A电气连接，直流绝缘子A与直流电源板直通；所述微带传输线与输入端电气连接。 

优选的，所述芯片电容A、直流绝缘子A和带通滤波电路均设置在倍频芯片A的上侧。 

具体的，所述倍频通道的容腔的底部设置有直流电源板，所述第二级倍频放大结构包括倍频芯片B和放大芯片，所述倍频芯片B的输入端通过第一键合金丝B与第一级倍频及滤波结构电气连接、输出端通过第二键合金丝B与放大芯片的输入端电气连接，放大芯片的输出端通过第三键合金丝B与第三级输出微带波导过渡结构电气连接；所述放大芯片一侧的直流端分别通过第四键合金丝B1和第五键合金丝B1与第一芯片电容B1和第二芯片电容B1电气连接，所述第一芯片电容B1和第二芯片电容B1分别通过第六键合金丝B1和第七键合金丝B1与直流偏置电路B1电气连接，所述直流偏置电路B1分别通过第八键合金丝B1和第九键合金丝B1与第一直流绝缘子B1和第二直流绝缘子B1电气连接，所述第一直流绝缘子B1和第二直流绝缘子B1与直流电源板直通；所述放大芯片另一侧的直流端分别通过第四键合金丝B2和第五键合金丝B2与第一芯片电容B2和第二芯片电容B2电气连接，所述第一芯片电容B2和第二芯片电容B2分别通过第六 键合金丝B2和第七键合金丝B2与直流偏置电路B2电气连接，所述直流偏置电路B2分别通过第八键合金丝B2和第九键合金丝B2与第一直流绝缘子B2和第二直流绝缘子B2电气连接，所述第一直流绝缘子B2和第二直流绝缘子B2与直流电源板直通。 

具体的，所述第三级输出微带波导过渡结构包括扇形微带波导过渡电路、降高波导电路和标准波导电路，其中降高波导电路和标准波导电路构成输出波导结构，且扇形微带波导过渡电路具有宽度特性；这样第三级输出微带波导过渡结构就具有宽带特性，能够覆盖70GHz～90GHz频率范围。 

优选的，所述金属上基座和金属下基座通过第一定位销和第二定位销拼合。 

优选的，所述第一级倍频及滤波结构包括倍频芯片A和带通滤波电路，所述带通滤波电路的厚度为127～254μm，优选带通滤波电路的材料为低耗介质材料。 

优选的，所述第三级输出微带波导过渡结构包括扇形微带波导过渡电路、降高波导电路和标准波导电路，所述扇形微带波导过渡电路的厚度为127～254μm，优选扇形微带波导过渡电路的材料为低耗介质材料。 

本案所需的电源电压一般小于5V，电源电流一般小于300mA；其倍频放大功能通过倍频芯片和放大芯片实现，结构紧凑并且能够大幅减小电路面积，输出杂波小于-30dBc；且本案的端口性能良好，在进行输出电路设计时，对电路结构进行协同设计并综合考虑了端口匹配，明显减弱了端口驻波，端口性能大幅提高。 

采用本案结构设计的E波段倍频模块：在输入频率范围11.4GHz～13.3GHz，输出频率范围70GHz～80GHz（覆盖71GHz～76GHz），输入信号功率6dBm条件下，输出信号功率为14dBm；在输入频率范围13.3GHz～15GHz，输出频率范围80GHz～90GHz（覆盖81GHz～86GHz），输入信号功率6dBm条件下，输出信号功率14dBm。 

有益效果：本发明提供的E波段多芯片集成倍频模块，具有结构紧凑、集成度高等优点，同时采用标准SMA接头和标准波导法兰结构能够易于外接各类测试线缆及测试设备；且成本低、一致性好、便于规模制造。 

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图； 

图2为设置有倍频电路的金属下基座的俯视结构示意图； 

图3为设置有直流电源板的金属下基座的俯视结构示意图； 

图4为第一级倍频及滤波结构的结构示意图； 

图5为第二级倍频放大结构的结构示意图； 

图6为实施实例1输出功率结果； 

图7为实施实例2输出功率结果。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1到图5所示为种E波段多芯片集成倍频模块，包括金属上基座11、金属下基座12和倍频电路，所述金属上基座11和金属下基座12拼合后内部形成倍频通道的容腔，所述倍频电路包括依次电气连接的输入端、第一级倍频及滤波结构、第二级倍频放大结构、第三级输出微带波导过渡结构和输出端，所述第一级倍频及滤波结构、第二级倍频放大结构和第三级输出微带波导过渡结构设置在倍频通道的容腔内，所述输入端为标准SMA接头1，所述输出端为标准波导法兰结构100，且输入端和输出端分别设置在金属上基座11和金属下基座12拼合后形成结构的两个侧面。 

所述倍频通道的容腔的底部设置有直流电源板110，所述第一级倍频及滤波结构包括倍频芯片A3和带通滤波电路4，所述第二级倍频放大结构包括倍频芯片B5和放大芯片6，所述第三级输出微带波导过渡结构包括扇形微带波导过渡电路7、降高波导电路81和标准波导电路82；所述倍频电路中所有使用的芯片均为毫米波砷化镓芯片，且各芯片和/或电路之间通过金丝键合实现电气连接。 

第一级倍频及滤波结构： 

所述倍频芯片A3的输入端通过第一键合金丝A31与微带传输线2电气连接、输出端通过第二键合金丝A32与带通滤波电路4电气连接、直流端通过第三键合金丝A33与芯片电容A34电气连接；所述芯片电容A34通过第四键合金丝A35与直流偏置电路A36电气连接，直流偏置电路A36通过第五键合金丝A37与直流绝缘子A38电气连接，直流绝缘子A38与直流电源板110直通；所述微带传输线2与输入端电气连接。所述芯片电容A34、直流绝缘子A38和带通滤波电路4均设置在倍频芯片A3的上侧。 

第二级倍频放大结构： 

所述倍频芯片B5的输入端通过第一键合金丝B51与带通滤波电路4电气连接、输出端通过第二键合金丝B52与放大芯片6的输入端电气连接，放大芯片6的输出端通过第三键合金丝B61与扇形微带波导过渡电路7电气连接；所述放大芯片6一侧的直流端分别通过第四键合金丝B162和第五键合金丝B163与第一芯片电容B164和第二芯片电容B165电气连接，所述第一芯片电容B164和第二芯片电容B165分别通过第六键合金丝B166和第七键合金丝B167与直流偏置电路B168电气连接，所述直流偏置电路B168分别通过第八键合金丝B1691和第九键合金丝B1692与第一直流绝缘子B1693和第二直流绝缘子B1694电气连接，所述第一直流绝缘子B1693和第二直流绝缘子B1694与直流电源板110直通；所述放大芯片6另一侧的直流端分别通过第四键合金丝B2和第五键 合金丝B2与第一芯片电容B2和第二芯片电容B2电气连接，所述第一芯片电容B2和第二芯片电容B2分别通过第六键合金丝B2和第七键合金丝B2与直流偏置电路B2电气连接，所述直流偏置电路B2分别通过第八键合金丝B2和第九键合金丝B2与第一直流绝缘子B2和第二直流绝缘子B2电气连接，所述第一直流绝缘子B2和第二直流绝缘子B2与直流电源板110直通。 

第三级输出微带波导过渡结构： 

降高波导电路81和标准波导电路82构成输出波导结构，且扇形微带波导过渡电路7具有宽度特性。 

金属上基座11和金属下基座12通过第一定位销91和第二定位销92拼合，金属上基座11和金属下基座12可以通过精密数控铣然后表面镀金的方式加工生产，金属上基座11和金属下基座12的材料优选为铜材料，当然也可以选择其他金属材料比如铝等。 

微带传输线2、带通滤波电路4和扇形微带波导过渡电路7可以通过在厚度为127～254μm的低耗介质材料进行刻蚀、镀金、打孔、冲模等工序得到；本例中的倍频芯片A3、倍频芯片B5和放大芯片6采用了砷化镓芯片，当然还可以根据具体指标要求，选择氮化镓、磷化铟芯片或硅基芯片，从而实现更好的倍频放大性能。 

如图6、图7所示为本例的性能数据结果：图6为输入功率为5mW条件下在70GHz～80GHz范围内的输出功率结果，从曲线可见10GHz带宽范围内输出功率高于14mW，同时无明显驻波；图7为输入功率为5mW条件下在80GHz～90GHz范围内的输出功率结果，从曲线可见10GHz带宽范围内，输出功率高于14mW，结果表明，在70GHz～80GHz和80GHz～90GHz频段上保持相当好的倍频性能与优越的端口特性，模块性能优良。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。