專利名稱：可調(diào)諧微波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括微波/集成電路器件和基片的可調(diào)諧微波裝置。本發(fā)明還涉及用于調(diào)諧這樣的微波裝置的方法。
現(xiàn)有技術(shù)在先進(jìn)的微波通信系統(tǒng)中，例如就涉及到的性能和功能性而言，對于元件的要求越來越高。對于功能性來說，可重新配置性、靈活性和可適配性是重要的問題。制造成本也是關(guān)鍵的問題。另一個重要的因素是能夠使得各種微波元件盡可能小的需要。
所以，花費(fèi)很大的力氣來找到用于制作元件的新的和更好的材料。另一個關(guān)鍵的問題牽涉到設(shè)計(jì)方法，為了改善現(xiàn)有的方法和建立新的改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，開展了許多研究。最近，提出了電磁帶隙(EBG)晶體，也稱為光子帶隙晶體，用于微波器件和微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體地，用于提供改進(jìn)性能的目的。這例如是在“PBG Evaluation for Base StationAntennas(用于基站天線的PBG評估)”，24thESTEC Antenna Workshopon Innovative Periodic Antennas.Photonic Bandgap，F(xiàn)ractal andFrequency Selective structures(WPP-185)，第5-10頁，2001中討論的。
例如在D.Sievenpiper，I.Schaffner的、“Beam steeringmicrowave reflector based on electrically tunable impedancesurface(基于電可調(diào)諧的阻抗表面的射束控制微波反射器)”，Electronic Letters，Vol.38，no.21，第1237-1238頁，2002中也展示了具有EBG頻率選擇面(frequency sective surfacer)的微帶裝置就涉及到的表面波抑制而言提供了改進(jìn)的性能。在該同一文獻(xiàn)中指出使用半導(dǎo)體變?nèi)荻O管調(diào)諧EBG晶體的可能性。然而，由于幾個原因，實(shí)際上不可能使用這種可調(diào)諧的EBG晶體作為接地面。一個原因是半導(dǎo)體二極管的使用使得該設(shè)計(jì)是昂貴的。
另一個原因在于，EBG晶體的尺寸是與微波波長可比較的，這使得在某些微波器件(例如，微帶濾波器)中不可能使用它們作為接地面。再者，調(diào)諧DC電壓被加到頂部微帶電路上。
然而，調(diào)諧DC電壓的電源需要去耦電路，以防止微波進(jìn)到DC電源。必須有可能允許DC電源被傳遞到微波元件(例如，微帶)。然而，這樣的去耦電路使得整個微波器件/電路復(fù)雜化。而且，有時它們需要高電壓，可能使該器件危險(xiǎn)，以及其它元件可能對于這樣的高電壓是易損壞的。
克服與去耦電路有關(guān)的問題的一個方法可能是把受控元件從該器件的頂面移到底面。然而，這可能對于幾種應(yīng)用是復(fù)雜的和不方便的。

發(fā)明內(nèi)容
所以，所需要的是一種如開始提到的具有高性能并且是靈活的微波裝置。而且，仍需要一種便宜的和易于設(shè)計(jì)與制造的微波裝置。再者，需要一種可適配的和可重新配置的微波裝置。具體地，需要一種可調(diào)諧的、但不用許多或根本不用任何需要高電壓的復(fù)雜的和危險(xiǎn)的去耦電路的裝置。甚至更具體地，需要一種其中可以利用電磁帶隙晶體作為接地面、但不需要高電壓去耦電路的微波裝置。還需要小尺寸化、易于調(diào)諧的、和可以被使用于例如尤其是現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中的高頻(GHz和以上的頻率)應(yīng)用的裝置。還需要一種用于調(diào)諧這樣的裝置的方法。
所以，提供如一開始提到的微波裝置，包括被布置在所述微波/集成電路器件與所述基片之間的分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)起到接地面的作用。它包括至少一個規(guī)則地或非規(guī)則地構(gòu)圖的第一金屬層；至少一個第二金屬層；和至少一個可調(diào)諧的鐵電膜層。這些層被安排成使得該/一個鐵電膜層被提供在該/一個第一金屬層與該/一個第二金屬層之間。
優(yōu)選地，構(gòu)圖的第一金屬層包括構(gòu)圖的電磁帶隙晶體結(jié)構(gòu)。鐵電膜層可以以某些實(shí)現(xiàn)來構(gòu)圖。然而，在其它的實(shí)現(xiàn)中，鐵電膜層是均勻的，即沒有被構(gòu)圖。
第二金屬層可以是均勻的，即沒有被構(gòu)圖，但它也可以被構(gòu)圖。然后它可以與鐵電層(如果構(gòu)圖)不同地或以相同的方式被構(gòu)圖。它與第一金屬層相比較，也可以不同地或相同地構(gòu)圖。在本申請中所謂的被構(gòu)圖是指任何規(guī)則的或非規(guī)則的構(gòu)圖。它可包括帶條、方形(一個或多個)、矩形、橢圓、圓形圖案等等。
第二金屬層具體地包括Pt，Cu，Ag，Au或任何其它適當(dāng)?shù)慕饘佟?br> 鐵電膜層可包括SrTiO3，BaxSr1-xTiO3，或具有類似的特性的材料。
接地面結(jié)構(gòu)是可調(diào)諧的，以及為了調(diào)諧，DC電壓被加在該/一個第一金屬層與該/一個第二金屬層之間。如果有更多的第一和第二層，即，多層結(jié)構(gòu)，則任意適當(dāng)?shù)牡谝缓偷诙涌杀贿x擇來用于調(diào)諧用途。
微波/集成電路器件的調(diào)諧是通過接地面的調(diào)諧，特別是根本不需要在器件上的任何去耦電路而達(dá)到的。
通過加上DC偏置(調(diào)諧)電壓，鐵電膜層的介電常數(shù)受到影響，從而改變與微波/集成電路器件相鄰的接地面表面的阻抗，因此優(yōu)選地通過被布置在它們之間的(例如BCB的)電介質(zhì)(dielectricum)而調(diào)諧被安排在接地面上的器件或元件。
微波電路可包括微帶線或被耦合的微帶線。它也可包括貼片諧振器(patch resonator)(任何適當(dāng)?shù)男螤?，方形，圓形，矩形等等)。在另一個實(shí)施例中，微波電路包括電感線圈。它通常還可包括微波傳輸線，或例如共面帶線器件(coplanar strip line device)。
正如可以看到的，微波/集成電路器件原則上可包括任何元件，例如半導(dǎo)體IC、濾波器的部件，例如帶通或帶阻濾波器等等。
基片可包括半導(dǎo)體，例如Si，電介質(zhì)，金屬或具有類似特性的任何材料。
如上所提到的，在微波器件與(頂部)構(gòu)圖的第一金屬層之間優(yōu)選地提供低介電常數(shù)、低損耗的電介質(zhì)，它包括BCB或任何其它聚合物。優(yōu)選地，施加的調(diào)諧電壓低于100V，甚至更具體地，低于約10V，例如5V。
鐵電層可以具有約0.1-2μm的厚度。
具體地，接地面結(jié)構(gòu)包括具有一個以上的鐵電層的多層結(jié)構(gòu)，每個鐵電層被布置在第一與第二/第一金屬層之間。
本發(fā)明還提出用于調(diào)諧包括微波/集成電路器件與基片的微波裝置的方法。微波裝置還包括分層結(jié)構(gòu)，起到用于該裝置的接地面的作用，它被布置在微波/集成電路器件與基片之間，該方法包括在被布置在鐵電層的相反兩面上的第一構(gòu)圖的金屬層與第二金屬層之間施加DC調(diào)諧電壓的步驟，這些層構(gòu)成該裝置的接地面。
優(yōu)選地，構(gòu)圖的第一金屬層包括構(gòu)圖的電磁帶隙晶體結(jié)構(gòu)。
為了調(diào)諧微波/集成電路器件，施加DC電壓的步驟影響接地面之上的阻抗，因此改變微波/集成電路器件的諧振頻率。
該方法優(yōu)選地還包括步驟，在包括兩層以上的鐵電膜層的多層接地面結(jié)構(gòu)中選擇圍繞任何的鐵電膜的第一和第二金屬層的任一金屬層，用于調(diào)諧微波/集成電路器件。


下面參照附圖且以非限制的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中圖1是具有可調(diào)諧的EBG接地面的微波裝置的截面圖，圖2是按照本發(fā)明的另一個實(shí)施例的平面圖，其中微波器件包括圓形貼片諧振器，圖3是再一個實(shí)施例的平面圖，其中微波器件包括耦合的微帶線，圖4是再一個實(shí)施例的平面圖，其中微波器件包括可調(diào)諧電感線圈，圖5是按照本發(fā)明的再一個實(shí)施例的裝置的截面圖，以及圖6顯示其中接地面包括多層結(jié)構(gòu)的按照本發(fā)明的裝置，其中第一和第二層被選擇用于調(diào)諧。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的微波裝置10。微波裝置10包括微波器件11，這里例如包括貼片諧振器和例如Si的基片。形成接地面的分層結(jié)構(gòu)被布置在基片5上，它包括第一金屬層1，這里包括在可調(diào)諧的鐵電膜層2之上構(gòu)圖的EBG。
鐵電膜在US-A-6 187 717中提出用于微波應(yīng)用。在該文獻(xiàn)中確立了具有大介電常數(shù)的鐵電體使能大大地減小尺寸和DC電壓對于介電常數(shù)的依賴性。這使得鐵電材料對于其中想要有小尺寸的可調(diào)諧微波器件的應(yīng)用是極其有利的。這個文獻(xiàn)在此引用以供參考。
鐵電膜層2例如可包括SrTiO3，BaxSr1-xTiO3，或具有類似特性的任何其它材料。鐵電膜被布置在第二金屬層3上，這里例如包括Pt(或Cu，Au，Ag等等)。第一金屬層1被構(gòu)圖。它可以規(guī)則地或非規(guī)則地被構(gòu)圖。在本實(shí)現(xiàn)中，它規(guī)則地被構(gòu)圖，以形成具有例如λg/2(媒體中的波長)或小于它的間距的帶條。優(yōu)選地，它包括2D EBG材料。
在本實(shí)施例中顯示的鐵電膜層2沒有被構(gòu)圖。然而，它也可以以與第一金屬層1相同的方式或以任何其它方式構(gòu)圖。貼片諧振器11(或任何其它的無源微波元件)通過低介電常數(shù)、低損耗的電介質(zhì)4，例如BCB或任何其它聚合物(或具有類似特性的任何其它材料)與EBG表面(即，第一構(gòu)圖的金屬層1的頂部表面)間隔開。
為了調(diào)諧微波元件(這里是貼片諧振器11)，在第一金屬層1與第二金屬層3(接地面)之間加上調(diào)諧電壓(小于100V，優(yōu)選地小于10V，例如5V)。調(diào)諧EBG接地面的阻抗將改變貼片諧振器11的諧振頻率。
該設(shè)計(jì)可以是與Si IC電路集成，以及它尤其對于例如高達(dá)約20GHz和以上的高頻是有用的。
應(yīng)當(dāng)指出，微波器件(這里是貼片諧振器11)是不加DC偏置的，而代之以給第一和第二金屬層加偏置，在這里實(shí)現(xiàn)接地面表面的調(diào)諧，且因此調(diào)諧到諧振頻率。
圖2顯示從上面看的一個裝置20，在平面圖中其十分類似于圖1中的裝置。圖上公開了一個微波器件12，包括在例如BCB(圖上未示出)的電介質(zhì)層之上的圓形貼片諧振器。該電介質(zhì)層被布置在第一金屬層1’上，包括2D EBG構(gòu)圖的晶體層，且它在這里包括正交帶條。其上布置該第一金屬層的鐵電膜層在圖上是看不見的，第二金屬層也是看不見的。然而，該結(jié)構(gòu)基本上相應(yīng)于圖1的結(jié)構(gòu)。接地面被布置在例如Si的基片層5’上。應(yīng)當(dāng)很清楚，貼片諧振器不一定是圓形的，相反，它可以具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，可以有一個以上的貼片等等。
圖3顯示包括具有耦合微帶線13形式的微波器件的微波裝置30的平面圖，13被提供在電介質(zhì)(未示出)上，該電介質(zhì)被布置在如圖1所示的可調(diào)諧的接地面上，其中只顯示構(gòu)圖的第一金屬層1”。接地面被布置在Si(這里)基片層5”上。裝置30例如可以形成可調(diào)諧的帶通濾波器的一部分。調(diào)諧按照圖1來實(shí)現(xiàn)。
圖4是一個替換的微波裝置40的平面圖，該微波裝置40包括具有被布置在電介質(zhì)(未示出)上的集總電感線圈14形式的微波/集成電路器件，該電介質(zhì)被布置在電感線圈14與按照本發(fā)明的可調(diào)諧的接地面(參閱圖1)之間，其中只顯示第一構(gòu)圖的(2D EBG)金屬層1。接地面被提供在基片5上。功能類似于參照圖1描述的功能，以及通過加上DC電壓到第一和第二金屬層，接地面的表面將被調(diào)諧，因此電感線圈14的電感將被調(diào)諧。
圖5是微波裝置50的截面圖。微波裝置包括被布置在電介質(zhì)44上的耦合微帶15，15，15。電介質(zhì)44被安排在接地面上，該接地面在這里在頂部包括構(gòu)圖的第一金屬層14，鐵電膜層24，它在本實(shí)施例中也被構(gòu)圖，且進(jìn)而又被安排在第二金屬層34上，該第二金屬層34在本具體實(shí)施例中也被構(gòu)圖。接地面被提供在基片54上。通過把調(diào)諧電壓V加到第一和第二金屬層，而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。
最后，圖6是再一個本發(fā)明的裝置60的截面圖。它在這里包括被提供在電介質(zhì)45上的貼片諧振器16。然而，接地面在這里包括，從頂部依次為構(gòu)圖的第一金屬層15，鐵電層25，另一個構(gòu)圖的第一金屬層16，另一個鐵電層26，和第二金屬層35。分層結(jié)構(gòu)被布置在基片55上。在所顯示的實(shí)施例中，調(diào)諧電壓被加到頂部的第一金屬層15和第二金屬層35。然而，它也可以加到第一金屬層16和第二金屬層35，或第一金屬層15和另一個第一金屬層16。任何變例在原則上都是可能的。還可以有更多的第一和第二金屬層，以及鐵電層。
應(yīng)當(dāng)看到，本發(fā)明當(dāng)然不限于具體地顯示的實(shí)施例，而是它可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)以多種方式變化。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧微波裝置(10；20；30；40；50)，包括微波/集成電路器件(11；12；13；14；15)和基片(6)，其特征在于，它包括布置在所述微波/集成電路器件與所述基片(5；5’；5”；5；54；55)之間的分層結(jié)構(gòu)，所述分層結(jié)構(gòu)起到接地面的作用且包括至少一個規(guī)則地或非規(guī)則地構(gòu)圖的第一金屬層(1；1’；1”；1；14；15；16)，至少一個第二金屬層(3；34；35)，至少一個可調(diào)諧的鐵電膜層(2；24；25；26)，由此所述各層被安排成使得該一個或者多個鐵電膜層(2；24；25；26)被提供在該/一個第一金屬層(1；1’；1”；1；14；15；16)與該/一個第二金屬層(3；34；35)之間。
2.按照權(quán)利要求1的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于構(gòu)圖的第一金屬層(1；1’；1”；1；14；15；16)包括構(gòu)圖的電磁帶隙晶體結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1或2的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于鐵電膜層(24)被構(gòu)圖。
4.按照權(quán)利要求1或2的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于鐵電膜層是均勻的(2)，即沒有被構(gòu)圖。
5.按照權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于第二金屬層(3)是均勻的，即沒有被構(gòu)圖。
6.按照權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于第二金屬層(34)被構(gòu)圖。
7.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于第二金屬層(3；34；35)包括Pt，Cu，Ag，Au或任何其它適當(dāng)?shù)慕饘佟?br> 8.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的可調(diào)諧的微波裝置，其特征在于鐵電膜層(2；24；25；26)包括SrTiO3，BaxSr1-xTiO3，或具有類似特性的材料。
9.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于接地面結(jié)構(gòu)是可調(diào)諧的，以及為了調(diào)諧，DC電壓被加在該/一個第一金屬層(1)與該/一個第二金屬層(3)之間。
10.按照權(quán)利要求9的裝置，其特征在于微波/集成電路器件的調(diào)諧是通過接地面的調(diào)諧，特別是不需要在器件上的任何去耦電路而達(dá)到的。
11.按照權(quán)利要求9或10的裝置，其特征在于通過加上DC偏置(調(diào)諧)電壓，第一金屬層(1)的介電常數(shù)受到影響，從而改變與微波/集成電路器件相鄰的接地面表面的阻抗。
12.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于微波電路包括微帶線或耦合的微帶線(13，13；15，15，15)。
13.按照權(quán)利要求1-11的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于微波電路包括貼片諧振器(11；12；16)。
14.按照權(quán)利要求1-11的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于微波電路包括電感線圈(14)。
15.按照權(quán)利要求1-11的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于微波器件包括微波傳輸線，
16.按照權(quán)利要求1-11的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于微波器件包括共面帶線器件。
17.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于基片包括半導(dǎo)體，例如Si，電介質(zhì)，金屬或具有類似特性的材料。
18.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于在微波器件與(頂部)構(gòu)圖的第一金屬層(1)之間提供低介電常數(shù)、低損耗的電介質(zhì)(4)。
19.按照權(quán)利要求18的裝置，其特征在于電介質(zhì)(4)包括BCB或任何其它聚合物。
20.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于施加的調(diào)諧電壓低于100V。
21.按照權(quán)利要求20的裝置，其特征在于調(diào)諧電壓低于約10V。
22.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于鐵電層(2)具有約1-2μm的厚度。
23.按照權(quán)利要求1-11的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于集成電路器件包括半導(dǎo)體集成電路。
24.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的裝置，其特征在于接地面結(jié)構(gòu)包括具有一個以上的鐵電層(25，26)的多層結(jié)構(gòu)，每個鐵電層被布置在第一與第二/(第一)金屬層(15，16，16，35)之間。
25.一種用于調(diào)諧包括微波/集成電路器件與基片的微波裝置的方法，其特征在于微波裝置還包括分層結(jié)構(gòu)，起到用于該裝置的接地面的作用，它被布置在微波/集成電路器件與基片之間，該方法包括以下步驟-在被布置在鐵電層(2)的相反兩面上的第一構(gòu)圖的金屬層(1)與第二金屬層(3)之間施加DC調(diào)諧電壓，這些層(1，2，3)構(gòu)成該裝置的接地面。
26.按照權(quán)利要求25的方法，其特征在于構(gòu)圖的第一金屬層包括構(gòu)圖的電磁帶隙晶體結(jié)構(gòu)。
27.按照權(quán)利要求25或26的方法，其特征在于為了調(diào)諧微波/集成電路器件，施加DC電壓的步驟影響接地面之上的阻抗，因此改變微波/集成電路器件的諧振頻率。
28.按照權(quán)利要求25-27的任一項(xiàng)的方法，其特征在于該方法包括以下步驟，在包括兩個以上的鐵電膜層的多層接地面結(jié)構(gòu)中-選擇圍繞任何的鐵電膜的第一和第二金屬層的任一金屬層，用于調(diào)諧微波/集成電路器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及可調(diào)諧微波裝置(10)，包括微波/集成電路器件(11)與基片(6)。它包括布置在所述微波/集成電路器件與所述基片(5)之間的分層結(jié)構(gòu)，所述分層結(jié)構(gòu)起到接地面的作用且它包括至少一個規(guī)則地或非規(guī)則地構(gòu)圖的第一金屬層(1)，至少一個第二金屬層(3)，至少一個可調(diào)諧的鐵電膜層(2)，由此所述層被安排成使得鐵電膜層(2)被提供在該/一個第一金屬層(1)與該/一個第二金屬層(3)之間。
文檔編號H01P5/18GK1886862SQ200380110954
公開日2006年12月27日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者S·格弗吉安, T·勒文, D·庫伊蘭斯蒂爾納 申請人:艾利森電話股份有限公司