一種基于ltcc技術的微帶線移相器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種基于LTCC技術的微帶線移相器，包括：矩形鐵氧體基片、第一、二、三、四耦合彎曲線段、螺線管及焊盤，其特征在于，所述矩形鐵氧體基片中心開設矩形基片窗口；所述四段耦合彎曲線分布位于基片上表面，其中第一、四耦合彎曲線段分別位于基片窗口寬邊兩側的鐵氧體基片上，第二、三耦合彎曲線段并列設置于基片窗口長邊一側的鐵氧體基片上；所述螺線管設置于基片窗口長邊另一側鐵氧體基片上，與鐵氧體基片形成繞制結構，其首尾端導線連接焊盤。該微帶線移相器除了具有插入損耗低和平均功率容量大的自身優點外，將磁化回路集成到鐵氧體基片中，顯著減小了一般鐵氧體移相器體積，有利于實現移相器的小型化。
【專利說明】—種基于LTCC技術的微帶線移相器
【技術領域】
[0001]本發明屬于微波通信器件領域，具體涉及一種基于LTCC技術的小型化微帶鐵氧體移相器。
【背景技術】
[0002]應用于微波通信領域的移相器，主要的作用是把微波信號的相位改變。要求移相器具有插入損耗小、反射小、相移量大、體積小等特點。常見移相器主要有三大類，第一類是基于半導體器件(如PIN 二極管、MMIC等)設計開關陣列移相器；第二類是基于MEMS工藝的MEMS移相器；第三類是基于微波陶瓷材料的移相器，應用于移相器的微波陶瓷材料主要有微波介質材料(如=BST等)和磁性鐵氧體材料(如:YIG、LiZn等)，鐵氧體移相器在插入損耗、功耗和功率容量方面具有絕對優勢，合理的設計鐵氧體材料及器件，可以使插入損耗小于ldB。
[0003]目前，常見的鐵氧體移相器主要有兩大類，一類是采用波導傳輸型，如波導加載鐵氧體空心矩形棒、Reggia-Spencer移相器等；另一類是采用傳輸線型，如鐵氧體基片上印刷微帶線、帶狀線。波導傳輸型鐵氧體移相器，波導尺寸由所傳播的電磁波波長決定，因此很難小型化；帶狀線和微帶線型移相器可以縮小體積，但帶狀線移相器需要鐵氧體和介質陶瓷共燒，并且不同體系的鐵氧體材料收縮率不同，所以其成品率受工藝嚴格控制；微帶線移相器雖不受上述工藝限制，但目前其結構的磁化回路體積龐大。如文獻[Xi Yang, Jingffu, etc.Compact and Low Loss Phase Shifter With Low Bias Field Using PartiallyMagnetized Ferrite.1EEE Tran, on magn.49 (7): 3882-3885]所報道的基于 YIG 基片微帶線移相器，該移相器結構在YIG矩形基片上設計了 9段曲折耦合微帶金屬線，但該移相器需要在外置的電磁鐵中將YIG基片進行磁化，所以整體上仍然不能小型化。因此，如何使移相器小型化的同時，又能具有高的相移優值，是當前移相器研究的熱點。
[0004]近年來，LTCC (低溫共燒陶瓷)技術的發展，為傳輸線型鐵氧體移相器的設計提供了工藝基礎。面向三維空間封裝的LTCC技術，不僅具有方便生產加工的流延和通孔技術，更主要的是，其具有更好層厚控制能力，有望促使小型化、高性能的微波器件取得快速發展。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種基于LTCC技術的微帶線結構鐵氧體移相器，該微帶線移相器除了具有插入損耗低和平均功率容量大的自身優點外，還克服了帶狀線鐵氧體移相器對工藝的敏感性缺點，并且顯著減小了一般鐵氧體移相器體積，有利于實現移相器的小型化。
[0006]本發明的技術方案為:
[0007]—種基于LTCC技術的微帶線移相器，包括:矩形鐵氧體基片、第一耦合彎曲線段、第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段、螺線管及焊盤，其特征在于，所述矩形鐵氧體基片中心開設矩形基片窗口 ；所述第一耦合彎曲線段、第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段分布位于基片上表面，其中第一耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段分別位于基片窗口寬邊兩側的鐵氧體基片上、且平行于矩形鐵氧體基片的寬邊，第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段并列設置于基片窗口長邊一側的鐵氧體基片上，且平行于矩形鐵氧體基片的長邊，四段耦合彎曲線之間通過特征阻抗為50歐姆的微帶線互連；所述螺線管設置于基片窗口長邊另一側鐵氧體基片上，與鐵氧體基片形成繞制結構，其首尾端導線分別連接焊盤。
[0008]進一步的，所述焊盤設置于矩形鐵氧體基片上表面，與螺線管位于同一側，所述螺線管由分布位于矩形鐵氧體基片上、下表面的兩部分梳狀金屬線條通過基片上預設通孔對齊互連構成。
[0009]所述矩形鐵氧體基片的尺寸大小由移相器工作頻率和相移量確定，設移相器工作頻率為f。，介質中波長為λ。，則矩形鐵氧體基片厚度為0.15?0.2 λ。、長為2?2.5 λ。、寬為1.5?2入。。
[0010]所述耦合彎曲線段均由內部特征阻抗為50歐姆、端口特征阻抗為50歐姆的微帶線構成，耦合彎曲微帶線的長度為0.25 λ。的任意奇數倍。
[0011]所述螺線管的匝數與矩形鐵氧體基片材料的飽和磁化強度成正比，螺線管的線寬與饋入的電流成正比。
[0012]更進一步的，所述矩形基片窗口幾何中心與鐵氧體基片的幾何中心重合，基片窗口寬度為三分之一倍鐵氧體基片寬度，基片窗口長度為二分之一倍鐵氧體基片長度。
[0013]所述焊盤尺寸為2mm*2mm。
[0014]所述的矩形鐵氧體基片采用LTCC工藝，通過混料、流延、打孔、等靜壓技術制備得到。
[0015]需要說明的是:
[0016]本發明鐵氧體基片材料使用具有旋磁性、低矯頑力、低微波損耗的鐵氧體材料，如LiZn鐵氧體、YIG鐵氧體。中耦合彎曲微帶線物理尺寸與移相器工作頻率、鐵氧體基片的材料參數、鐵氧體基片的厚度有關，合理設計其寬度和間距，使得每部分的彎曲耦合微帶線由內部特征阻抗為50歐姆以及端口特征阻抗為50歐姆的微帶線構成。耦合彎曲微帶線的長度為0.25 λ。的任意奇數倍。
[0017]螺線管是利用通孔將鐵氧體基片上、下表面的上層金屬線條和鐵氧體基片下層金屬線條相連得到，螺線管的的匝數與鐵氧體基片材料的飽和磁化強度成正比，螺線管的線寬與饋入的電流成正比。
[0018]本發明中利用LTCC工藝制作鐵氧體基片后，需要在中心設計一個矩形基片窗口，其目的在于產生閉合的磁路。四段彎曲耦合微帶線和螺線管的布局，當螺線管線圈通入電流時，在鐵氧體基片的長邊和寬邊產生的磁場，平行于彎曲耦合微帶線。
[0019]本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果:
[0020]本發明提供一種基于LTCC技術的微帶線移相器，該微帶線移相器具有插入損耗低和平均功率容量大的優點，與現有的鐵氧體移相器相比，體積和質量顯著減小，實現了移相器的小型化，有利于移相器與其他微波器件集成，摒棄了傳統微帶鐵氧體移相器的龐大磁化裝置，克服了帶狀線鐵氧體移相器對工藝敏感的缺點，充分利用基片產生的磁化回路，得到更大相移優值參數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是鐵氧體基片上表面金屬層版圖。
[0022]圖2是鐵氧體基片下表面金屬層版圖。
[0023]圖3是本發明微帶線移相器整體結構示意圖，其中I同軸接頭、2為矩形鐵氧體基片、3為微帶線地參考面、4為焊盤、5為螺線管、6為通孔、7為矩形基片窗口、8為耦合彎曲線段。
[0024]圖4是本發明微帶線移相器饋入正向電流時基片磁化示意圖。
[0025]圖5是本發明微帶線移相器饋入反向電流時基片磁化示意圖。
[0026]圖6是本發明微帶線移相器插入損耗仿真結果圖。
[0027]圖7是本發明微帶線移相器反射參數仿真圖。
[0028]圖8是本發明微帶線移相器相移量仿真圖。
【具體實施方式】
[0029]本發明的相移優值參數和反射參數主要由鐵氧體基片材料本征參數、鐵氧體基片厚度、彎曲耦合微帶線長度決定。下面結合具體實施例與附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明不局限于此。
[0030]具體實施的基于LTCC技術的微帶線移相器仿真結果如圖6至圖8所示，中心頻率為11.5GHz，帶寬3.5GHz，帶寬內插入損耗〈1.ldB，相移優值290° /dB。該移相器物理尺寸為:長*寬*高=28mm*16mm*1.0lmm,該物理尺寸小于常規波導型移相器、與微帶型鐵氧體移相器物理尺寸相接近。
[0031]圖1至圖3為本實施例移相器的整體結構圖，圖1為上層絲網圖案，圖2為接地層絲網圖案，圖3為整體結構示意圖；包括:矩形鐵氧體基片2、第一耦合彎曲線段8-1、第二耦合彎曲線段8-2、第三耦合彎曲線段8-3、第四耦合彎曲線段8-4、螺線管5及焊盤4_1、4-2，其特征在于，所述矩形鐵氧體基片中心開設矩形基片窗口 7 ；
[0032]所述第一耦合彎曲線段、第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段分布位于基片上表面，其中第一耦合彎曲線段8-1、第四耦合彎曲線段8-4分別位于基片窗口寬邊左、右側的鐵氧體基片上、且平行于矩形鐵氧體基片的寬邊，第二耦合彎曲線段8-2、第三耦合彎曲線段8-3并列設置于基片窗口長邊一側的鐵氧體基片上，且平行于矩形鐵氧體基片的長邊，四段耦合彎曲線之間通過特征阻抗為50歐姆的微帶線互連；
[0033]所述螺線管5設置于基片窗口長邊另一側鐵氧體基片上，基片相應位置預設通孔6，螺線管由分布位于矩形鐵氧體基片上、下表面的兩部分梳狀金屬線條通過基片上預設通孔對齊互連構成，與鐵氧體基片形成繞制結構，其首尾末端導線連接焊盤。所述焊盤與螺線管位于同一側，設置于矩形鐵氧體基片上表面。
[0034]具體實施方案如下:鐵氧體基片采用13張厚度為0.1mm的旋磁鋰鐵氧體預燒粉料的流延膜片疊層得到，厚度為1.3mm，長度為35mm，寬度為20mm，先將膜片根據絲網圖案打孔，然后疊片、通孔注銀、等靜壓，在中心位置開設長約9_、寬約4_的基片窗口 ；將生基片進行燒結，得到長28mm,寬16mm,高Imm的鐵氧體基片成品；
[0035]基片表面拋光，采用絲網印刷技術分別印刷上下層電路圖案。
[0036]將移相器微波輸入輸出端分別接到微波電路中，螺線管焊盤通過導線接入驅動電路中，當驅動電路饋入正向電流脈沖時，鐵氧體基片置為順時針閉合磁化狀態、如圖4所示，正向電流脈沖結束，鐵氧體基片工作于剩磁狀態，此時微波信號輸出端口得到參考相位。
[0037]當驅動電路饋入負向電流脈沖時，鐵氧體基片被反向磁化，置為逆時針閉合磁化狀態、如圖5所示，負向電流脈沖結束，鐵氧體基片工作于剩磁狀態，此時微波信號輸出端口得到新的相位。通過改變負向電流脈沖的寬度或幅值，可以改變反向磁化的剩磁狀態，微波信號可以產生O到最大相移量之間的任何值。
[0038]綜上所述，可實現本發明，得到結構緊湊的微帶線鐵氧體移相器。
【權利要求】
1.一種基于LTCC技術的微帶線移相器，包括:矩形鐵氧體基片、第一耦合彎曲線段、第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段、螺線管及焊盤，其特征在于，所述矩形鐵氧體基片中心開設矩形基片窗口 ；所述第一耦合彎曲線段、第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段分布位于基片上表面，其中第一耦合彎曲線段、第四耦合彎曲線段分別位于基片窗口寬邊兩側的鐵氧體基片上、且平行于矩形鐵氧體基片的寬邊，第二耦合彎曲線段、第三耦合彎曲線段并列設置于基片窗口長邊一側的鐵氧體基片上，且平行于矩形鐵氧體基片的長邊，四段耦合彎曲線之間通過特征阻抗為50歐姆的微帶線互連；所述螺線管設置于基片窗口長邊另一側鐵氧體基片上，與鐵氧體基片形成繞制結構，其首尾端導線分別連接焊盤。
2.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述焊盤設置于矩形鐵氧體基片上表面，與螺線管位于同一側，所述螺線管由分布位于矩形鐵氧體基片上、下表面的兩部分梳狀金屬線條通過基片上預設通孔對齊互連構成。
3.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述矩形鐵氧體基片的尺寸大小由移相器工作頻率和相移量確定，設移相器工作頻率為f。，介質中波長為λ。，則矩形鐵氧體基片厚度為0.15?0.2 λ。、長為2?2.5 λ。、寬為1.5?2 λ。。
4.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述耦合彎曲線段均由內部特征阻抗為50歐姆、端口特征阻抗為50歐姆的微帶線構成，耦合彎曲微帶線的長度為0.25 λ。的任意奇數倍。
5.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述螺線管的匝數與矩形鐵氧體基片材料的飽和磁化強度成正比，螺線管的線寬與饋入的電流成正比。
6.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述矩形基片窗口幾何中心與鐵氧體基片的幾何中心重合，基片窗口寬度為三分之一倍鐵氧體基片寬度，基片窗口長度為二分之一倍鐵氧體基片長度。
7.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述焊盤尺寸為2mm氺2mmο
8.按權利要求1所述基于LTCC技術的微帶線移相器，其特征在于，所述的矩形鐵氧體基片采用LTCC工藝，通過混料、流延、打孔、等靜壓技術制備得到。
【文檔編號】H01P1/195GK104201442SQ201410338740
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】楊青慧, 王明, 郝欣欣, 張懷武, 賈利軍, 廖宇龍, 文岐業 申請人:電子科技大學