光子带隙共面波导传输线及其用于制造功率分配器的方法 【技术领域】
本发明涉及一种传输线，尤其涉及一种具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线及利用该传输线制造功率分配器的方法。
背景技术
一般地，在设计传输线时最重要的因素是一个恰当的特征值和传输线的最大接收功率。最大接收功率是指传输线能承受的功率极限值。也就是说，即使传输线具有一个精确的特征值，如果高于最大接收功率的功率被施加到这样一种传输线上，传输线本身就会破裂。
图1表示具有一般的共面波导(CPW)的传输线。
如图中所示，施加到传输线10的输入端11的信号通过信号线13和接地导电层16之间的间隔14产生电场和磁场，将被传送到传输线10的输出端12。这时，传输线10的特性阻抗值由信号线13的宽度，信号线13与接地导电层16之间的距离14，基底17的厚度和基底17的介电常数来决定。
此外，倘若基底17的介电常数高，信号线13的宽度就非常窄。就是说，如果在具有一个小宽度(譬如2.5μm)的信号线14上施加功率，信号线13可能受热短路。举例来讲，假设接地导电层16之间地距离是240μm，为了在具有625μm厚度和12.9介电常数的砷化镓(GaAs)基底上实现具有132ohms或更高的特性阻抗的CPW，信号线的宽度应该小于2.5μm。但是，实现具有2.5μm宽度或更小的信号线是非常困难的。因此，具有宽的宽度和高特性阻抗的信号线的CPW被需要。
最近，使用光子带隙(PBG)的CPW结构已经被提出。对于特定的频带该PBG CPW结构被用作具有衰减特性的带阻滤波器。
该PBG抑制电磁波的前进并改变阻抗和传输信号的相位。该PBG结构主要应用在具有微带形式的天线，谐振器，滤波器等等。
但是，根据现有技术的PBG CPW结构不能获得高特性阻抗。就是说，根据现有技术在该PBG CPW结构中，为了获得高阻抗，信号线的宽度应该窄。但如果信号线的宽度窄，就很难将PBG CPW结构应用到微波带或毫米波带的无源电路中。
因此，很难将具有PBG CPW结构或具有一般CPW结构的传输线应用到要求高阻抗特性的不对称威尔金森功率分配器上。此外，由于具有PBG CPW结构或具有普通CPW结构的传输线不能具有高特性阻抗，所以也很难将这样的传输线应用到要求高特性阻抗的天线或滤波器上。
就目前所描述的，在根据本发明的共面波导(CPW)中，如果特性阻抗被提高，信号线的宽度应该显著地减少。此外，如果在高频带内的特性阻抗被提高，信号线的宽度应该大大的减少。由于这个原因所以很难实现具有高阻抗的传输线。
此外，由于根据现有技术的功率分配器在高频带内分配高功率并要求高特性阻抗，所以根据现有技术很难将具有PBG CPW结构的传输线应用到功率分配器上。就是说，具有窄的宽度的信号线很容易破裂并且难于制造。
根据另一现有技术的传输线在登记日为2003年2月11日的美国专利号6,518,864中公开。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是提供一种具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线及利用该传输线制造功率分配器的方法，该功率分配器能提高特性阻抗并提高传输线的信号线宽度。
本发明的另一个目的是提供一种PBG CPW传输线及一种利用该传输线制造能提供高功率的功率分配器的方法。
为了实现这些和其他的优点并且根据本发明的目的，如这里所表达的和广泛描述的，提供了一种具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线，包括：形成在基底上的接地导电层；形成在接地导电层上的线形凹槽；形成在线形凹槽之间的信号线，靠近信号线形成并形成在接地导电层上的矩形凹槽；及分别地形成在矩形凹槽处的狭缝，并且该狭缝连接矩形凹槽和线形凹槽。
为了实现这些和其他的优点并且根据本发明的目的，如这里所表达的和广泛描述的，提供了一种具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线，包括：形成在基底上的接地导电层；形成在接地导电层上的线形凹槽；形成在线形凹槽之间的信号线；形成在接地导电层上的矩形凹槽；及分别地形成在矩形凹槽边缘处的狭缝，并且该狭缝连接到与矩形凹槽相对的线形凹槽上，其中该狭缝彼此对称并且互相靠近放置。
为了实现这些和其他的优点并且根据本发明的目的，如这里所表达的和广泛描述的，提供了一种制造功率分配器的方法，包括：在具有第一导电层的基底的部分上形成阻抗层；在阻抗层的部分上和在阻抗层的两侧面上形成种晶层；在种晶层上形成第二导电层，在第一导电层上形成矩形凹槽；及在矩形凹槽处形成狭缝，其中第一导电层靠近第二导电层形成，同时该狭缝彼此对称并且相互靠近放置。
为了实现这些和其他的优点并且根据本发明的目的，如这里所表达的和广泛描述的，提供了一种功率分配器，包括：一基底；形成在基底的部分上的第一导电层；形成在基底部分上的阻抗层；形成在阻抗层部分上并且形成在阻抗层两侧面上的种晶层；形成在种晶层上的第二导电层；形成在第一导电层上的矩形凹槽；及连接到矩形凹槽上的狭缝，其中，第一导电层靠近第二导电层形成，并且该狭缝彼此对称并且相互靠近放置。
前述的和其他的本发明的目的，特征，观点和优点将从后面的结合附图的详细描述中变得很清楚。
【附图说明】
被包括用来提供对本发明的进一步理解并且被包含在说明书中同时组成说明书一部分的附图，解释本发明的实施例并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图中：
图1是表示具有普通共面波导(CPW)结构的传输线；
图2是表示用于描述本发明的普通传输线其负载端被短路的图；
图3是表示根据本发明具有PBG CPW结构的传输线的第一个实施例的图；
图4是表示根据本发明具有PBG CPW结构的传输线的第二个实施例的图；
图5是表示传输线输入端的反射系数与具有根据本发明的PBGCPW结构的传输线的狭缝宽度(Ws)和狭缝之间距离(dsr)的关系的图表；
图6是表示根据本发明的改进的PBG CPW结构未被应用到传输线中的例子与改进的PBG CPW结构被应用到传输线中的例子的比较的图表；
图7是用于描述根据本发明的功率分配器的不对称威尔金森功率分配器的电路图；
图8是表示应用按照本发明的PBG CPW传输线的不对称威尔金森功率分配器的结构的图；
图9A～9E是顺序地表示根据本发明制造1∶3不对称威尔金森功率分配器的方法的图；
图10是表示通过图9A～9E的制造功率分配器的方法制造的一个实际的1∶3不对称威尔金森功率分配器的图；及
图11是表示应用了按照本发明的PBG CPW结构的不对称威尔金森功率分配器的模拟结果和实际测量结果的图表。
【具体实施方式】
在下文中，将参照图2～11描述具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线的优选实施例和使用该传输线制造能提高特性阻抗，增加传输线的信号线宽度并提供高功率的功率分配器的方法。
图2是用于描述本发明的表示普通传输线其负载端被短路的图。
如图中所示，当负载端(负载阻抗Zo)被短路，传输线的特性阻抗变成ZX。这里，传输线的输入端的S11是反射系数。
当传输线的长度是λ/4时，传输线的特性阻抗(ZX)与最大反射系数值一致，并且能够通过传输线的信号线的宽度获得。此外，传输线的特性阻抗(ZX)能通过下面的表达式1用传输线的输入端的反射系数(S11)来表达。反射系数的单位是dB。
ZX=ZO×1+100.05×S111-100.05×S11[ohm]]]>..............................表达式1
这里，ZO是负载阻抗。
举例来说，传输线的信号线的宽度是2.5μm，并且具有CPW结构的传输线的特性阻抗是132ohms，其中信号线和接地导电层之间的距离是150μm，通过把132ohms的特性阻抗应用到表达式1中，可以获得-2.4dB的反射系数。在设计和制造1∶3不对称威尔金森功率分配器中具有132ohms的传输线被使用。但，由于难于生产2.5μm的线宽，因而具有易于生产(实现)的线宽并具有高阻抗的传输线被需要。
因此，在本发明中，信号线的宽度被固定在规定的尺寸(譬如，10μm)从而容易实现，并且为了提高传输线的特性阻抗电气参数被改变。在本发明的一个实施例中，使用了具有10μm信号线宽度的改进的PBG CPW结构。就是说，即使信号线的宽度被固定在10μm，特性阻抗仍然达到132ohms，这里，信号线的宽度能够改变，并且根据设计的目的特性阻抗也能改变。
下面，描述使用了PBG CPW结构的传输线结构，在PBG CPW结构中传输线的信号线宽度被规定(固定)在一个容易实现的尺寸，并且其能提高特性阻抗。
图3是表示根据本发明具有PBG CPW结构的传输线的第一个实施例的图；
如图中所示，根据本发明具有PBG CPW结构的传输线20包括：形成在绝缘基底上的接地导电层23(第一导电层)；形成在接地导电层23上的线形凹槽24从而绝缘基底表面被暴露；形成在线形凹槽24之间的信号线导电层25(第二导电层)；形成在接地导电层23上的矩形凹槽21；及分别形成在矩形凹槽21边缘处的狭缝22，并且狭缝22连接到与矩形凹槽21相对的线形凹槽24上。这里，该狭缝彼此对称并靠近放置。在这里，传输线的信号线的宽度是10μm。此外，在接地导电层23上，定位四个彼此对称的矩形凹槽21的位置，同时定位分别连接到四个矩形凹槽21的狭缝22的位置。这里，每一对矩形凹槽21与一个线形凹槽24相对，并且一个狭缝被放置在与线形凹槽24相对的矩形凹槽21的边缘处。四个狭缝彼此对称，并靠近排列。
经过信号线25的信号被连接到四个对称的矩形凹槽21上的窄狭缝22激发，并且传输线的特性阻抗由改进的PBG结构的电气参数与信号线的宽度一起来决定。
该电气参数是矩形凹槽21的面积(a×b)，狭缝22的宽度(Ws)和长度(ls)及狭缝22之间的距离(dsr)。在这些电气参数中，用于提高具有PBG CPW结构的传输线的特性阻抗的主要电气参数是狭缝22的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)。举例来讲，当狭缝22的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)减少时，传输线的特性阻抗值增大。另一方面，当狭缝的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)增大时，传输线的特性阻抗值减少。就是说，在信号线25的宽度(譬如，10μm)已经被加宽的情况下电感组分被增大，以增大特性阻抗。这里，狭缝22之间的距离(dsr)是指连接到与一线形凹槽24相对的一对矩形凹槽21的狭缝之间的距离。
图4是表示根据本发明具有PBG CPW结构的传输线的第二个实施例的图。
如图4所示，狭缝22的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)能够根据用户要求的特性阻抗值改变。举例来讲，当用户要求的特性阻抗值小时，狭缝的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)增大从而传输线的特性阻抗值能下降。另一方面，当用户要求的特性阻抗值大时，狭缝22的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)减少从而传输线的特性阻抗值能增大。
因此，如图3和图4所示，狭缝22的宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)根据用户要求的特性阻抗值能进行各种不同的设计。
图5是表示传输线输入端的反射系数与具有PBG CPW结构的传输线的狭缝的宽度(Ws)和狭缝之间的距离(dsr)的关系的图表。
如图中所示，传输线输入端的反射系数被显示在X轴上，矩形凹槽21的狭缝之间的距离(dsr)被显示在右边的Y轴上，每一对矩形凹槽21与一个线形凹槽24相对，同时每一个狭缝的宽度(Ws)被标识在左边的Y轴上。如图中所示，当狭缝22的宽度(Ws)和狭缝之间的距离(dsr)减少时，反射系数增大(由于是-dB)。这里，如果反射系数增大，传输线的特性阻抗也增大。举例来讲，当信号线25的宽度是10μm或更多时，传输线的狭缝宽度(Ws)是50μm，狭缝之间的距离(dsr)是100μm，矩形凹槽21的宽度(a)是1400μm，并且它的长度(b)是是500μm，反射系数值变成-2.4dB。当反射系数值是-2.4dB时，传输线的特性阻抗变成132ohms。就是说，为获得一个高特征阻抗(132ohms)，优化了的狭缝宽度(Ws)是50μm，并且狭缝之间的距离是100μm。此外，传输线的特性阻抗值能通过改变传输线的狭缝宽度(Ws)和狭缝之间的距离(dsr)来改变，不考虑信号线25的宽度。
因此，即使传输线的信号线25的宽度宽，特性阻抗值也能通过仅减少狭缝宽度(Ws)和狭缝22之间的距离(dsr)来增大。
下面，将参照图6对根据本发明改进的PBG CPW结构没有应用到传输线中时传输线的特性阻抗进行描述。
图6是表示根据本发明改进的PBG CPW结构未被应用到传输线上的例子与改进的PBG CPW结构被应用到传输线上的例子的比较的图表。
如图中所示，当改进的PBG CPW结构没有被包含在传输线中时，特性阻抗是104ohms，而在改进的PBG CPW结构被包含在传输线中时特性阻抗是132ohms。因此，在改进的PBG CPW结构没有被包含在传输线中的情况下，反射系数变成低于-4dB。就是说，通过本发明，使用具有宽线宽和高特性阻抗的PBG CPW结构的传输线能够实现。
下面，参照图7对使用了具有宽线宽和高特性阻抗的PBG CPW传输线的功率分配器的结构进行描述。
图7是表示用于描述根据本发明的功率分配器的一普通不对称威尔金森功率分配器的电路图。
如图中所示，输入到端口1的输入功率被分别分配到端口2和端口3，同时被分配的功率比被定义为 PORT3POWERPORT2POWER=k.]]>
为了获得传输线的特性阻抗(Zo2，Zo3)，使用下面的表达式2。
Zo2=k2×Zo3,Zo3=Zo×(1+k2)k3,R=Zo×(k+1k)]]>...表达式2
这里，特性阻抗(Zo2，Zo3)意思是用于分配功率到各端口2和3的特性阻抗。R是用于增加输出端口(端口2和端口3)之间的隔离的电阻。这里，计算的特性阻抗(Zo2，Zo3)分别是44ohms和132ohms，并且用于增加隔离的电阻(R)是115ohms。
下面，参照图8对使用了具有根据本发明改进的PBG CPW结构的传输线的1∶3不对称威尔金森功率分配器的结构进行描述。
图8是表示使用按照本发明的PBG CPW传输线的不对称威尔金森功率分配器的图。具有12.9介电常数和625μm厚度的砷化镓(GaAs)基底被使用在不对称威尔金森功率分配器中。此外，为了获得44ohms的特性阻抗，优选地，信号线31的宽度是136μm，同时信号线31和接地导电层23之间的距离是52μm。此外，为了获得132ohms的特性阻抗，优选地，信号线的宽度是10μm，同时信号线25和接地导电层23之间的距离是115μm。
为了通过使用网络分析器容易地测量分配器，终端电阻R2和R3用λ/4变压器和一500ohms的负载阻抗代替。通过一个EM(电磁的)模拟器测量具有改进的PBG CPW的1∶3不对称威尔金森功率分配器，在3.5GHz～5.5GHz频带内，功率分配器的介入损耗是-0.7dB，回波损耗是-15dB及两个输出端口(端口2和端口3)之间的隔离是-20dB。并且端口2和端口3之间的功率比是1∶3。
下面的表1表示具有改进的PBG CPW的1∶3不对称威尔金森功率分配器的设计参数。
表1 Zo Zo2 Zo3 R2 R3特性阻抗&终端电阻(ohm) 50 132 44 87 29信号线宽度(μm) 110 10+PBG CPW 136 166 58
下面，将参照图9A～9E对根据本发明的用于制造1∶3不对称功率分配器的方法进行描述。这里，图9A～9E是图8的功率分配器的A-A剖视图。
图9A～9E是顺序地表示根据本发明用于制造1∶3不对称威尔金森功率分配器的方法的图。举例来讲，根据本发明用于制造1∶3不对称威尔金森功率分配器的方法包括：在具有第一导电层23的基底的部分上形成的阻抗层(R)；在阻抗层(R)的部分上和在阻抗层(R)的两侧面上形成的种晶层27；在种晶层27上形成的第二导电层25，31；在第一导电层23上形成的矩形凹槽21；及在矩形凹槽21处形成的狭缝22。这里，第一导电层23靠近第二导电层25，31形成，并且狭缝22彼此对称并相互靠近放置。
下面，将参照图9A～9E对按照本发明用于制造1∶3不对称威尔金森功率分配器的方法按顺序进行描述。
首先，如图9A所示，第一光致抗蚀剂图案(PR1)形成在基底26上从而625μm的砷化镓基底26的表面的部分被暴露。这里，第一光致抗蚀剂图案(PR1)将形成阻抗层(R)。
如图9B所示，镍铬合金(R)阻抗层被沉积在第一光阻图案(PR1)和暴露的基底上。
如图9C所示，当沉积在第一光致抗蚀剂图案(PR1)上的镍铬合金(R)和第一光阻图案(PR1)被去除时，镍铬合金保留在暴露的基底上以形成阻抗层。
如图9D所示，由Au/Ti组成的种晶层27形成在暴露的基底和镍铬合金的整个表面上，同时第二光致抗蚀剂图案(PR2)形成在种晶层27的+上。然后，由Au组成的信号线25，31形成在暴露的种晶层27上。这里，接地导电层23形成在基底26上，并且优选地，在接地导电层23的部分被移走之后，阻抗层(R)，种晶层27，和信号线25，31形成在被移走的部分上。
如图9E所示，第二光致抗蚀剂图案(PR2)被移走，通过移走第二光致抗蚀剂图案(PR2)而暴露的种晶层27通过湿法腐蚀被移走。
这里，通过用于制造功率分配器的方法实现的Au(信号线25，31)的厚度是大约3μm。
图10是表示通过图9A～9E的用于制造功率分配器的方法制造的一个实际的1∶3不对称威尔金森功率分配器的图。
下面，参照图11对实际地制造的功率分配器的性能的测试结果进行描述。
图11是表示应用了按照本发明的PBG CPW结构的不对称威尔金森功率分配器的模拟结果和实际测量结果的图表。
如图中所示，可以知道制造的功率分配器通过模拟预测的性能的结果与它的性能的测试结果大致相等。
为了测量制造的功率分配器的性能，使用了惠普公司的HP 8510C网络分析器，并且制造的功率分配器的性能的测试结果如下面的表2所示。
表2 模拟结果 测量结果 介入损耗 -0.7dB -0.7dB 回波损耗 最小-15dB 最小-15dB 功率比 1∶3 1∶2.7 隔离 平均-20dB 平均-20dB
就是说，通过测量制造好的功率分配器的性能获得的值与通过模拟预测的值非常相似。测得的介入损耗和回波损耗分别是-0.7dB和-1.5dB，及输出端(端口2和端口3)之间的功率比是1∶2.7。此外，由于输出端之间的隔离是-20dB，已经应用了本发明的PBG CPW的功率分配器具有高特性阻抗，能容易地制造，并且能承受高输入功率。此外，已经应用了本发明的PBG CPW的功率分配器能承受高功率。
此外，根据本发明的PBG CPW传输线能在要求高特性阻抗的天线中和滤波器中用作传输线。并且，由于根据本发明的PBG CPW传输线能通过在有限的结构中增加电感组分来提高特性阻抗，从而它能被应用到移相器中以延迟信号的相位。
正如目前所描述的，具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线，其优势在于彼此对称的四个矩形凹槽被放置在接地导电层上，并且与矩形凹槽连接的狭缝的宽度和位置是变化的，从而提高了传输线的特性阻抗和信号线的宽度。
此外，具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线能容易地制造，并且即使信号线的宽度被提高，由于特性阻抗能被提高，所以传输线能承受更高的功率。
此外，使用了具有光子带隙(PBG)共面波导(CPW)结构的传输线的功率分配器，由于具有高特性阻抗和宽线宽的传输线被应用到传输线中，所以能防止由于使用高功率使线破裂并且能容易地被制造出来。
在不脱离本发明宗旨或基本特性的情况下，本发明可以以几种形式进行表示，可以理解上述实施例，除非特别指出，不受前面描述的任何细节限制，而是应该在如权利要求中所定义的宗旨和范畴内做广义的解释，同时所有落在权利要求的边界和范围，或这些边界和范围的等价内的改变和修改将被包括在所附的权利要求内。