一種基于ltcc技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波通信器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于LTCC技術(shù)的小型化基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用于微波通信領(lǐng)域的移相器主要有PIN、MMIC移相器，MEMS移相器和鐵氧體移相器。其中，鐵氧體移相器相對于PIN二極管、MMIC等形式的移相器，在插入損耗、功耗和功率容量方面有很大的優(yōu)勢。
[0003]目前常見的微波鐵氧體移相器主要是采用在傳統(tǒng)波導(dǎo)(如矩形波導(dǎo))加載鐵氧體環(huán)的形式制作的，如典型Reggia-Spencer移相器等，這種傳統(tǒng)波導(dǎo)型鐵氧體移相器中波導(dǎo)尺寸由所傳播的電磁波波長決定，很難壓縮，導(dǎo)致移相器的體積和重量都較大，且很難與有源電路連接。因此，如何在縮小鐵氧體移相器的體積和重量的同時(shí)，保證其良好的性能，成為當(dāng)前鐵氧體移相器發(fā)展所面臨的一大技術(shù)難題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供了一種基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，該基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器在兼顧插入損耗和平均功率方面的優(yōu)異性能的同時(shí)，能顯著減小鐵氧體移相器的體積，實(shí)現(xiàn)與有源電路的集成。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，包括介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊，所述介質(zhì)基板的上表面設(shè)置有第一金屬層，介質(zhì)基板的下表面設(shè)置有第二金屬層，所述介質(zhì)基板上設(shè)置有兩排相互平行的金屬柱并且所述金屬柱貫穿第一金屬層、介質(zhì)基板、第二金屬層形成基片集成波導(dǎo)，其特征在于，所述鐵氧體塊嵌入所述介質(zhì)基板中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿介質(zhì)基板，所述介質(zhì)塊嵌入所述鐵氧體塊中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿鐵氧體塊，所述介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊具有相同的中心;所述鐵氧體塊上繞制η匝螺線管線圈，以在鐵氧體內(nèi)形成磁場回路，所述螺線管線圈的兩個(gè)端口之間施加電壓脈沖。
[0007]進(jìn)一步地，所述基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的第一金屬層包括兩個(gè)50歐姆微帶線和兩個(gè)過渡結(jié)構(gòu)，所述過渡結(jié)構(gòu)為一段漸寬的金屬帶條。
[0008]進(jìn)一步地，所述金屬柱為金屬填充的圓柱、長方體等。
[0009]進(jìn)一步地，所述螺線管線圈為金屬導(dǎo)體，采用絲網(wǎng)印刷方法制得。
[0010]進(jìn)一步地，所述鐵氧體塊、介質(zhì)基板及介質(zhì)塊的尺寸大小由移相器的工作頻率和相移量確定。
[0011 ]進(jìn)一步地，所述基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器采用LTCC疊層工藝制得;各層介質(zhì)和各層旋磁鐵氧體采用對應(yīng)的漿料，經(jīng)過混料、流延、打孔、等靜壓技術(shù)制備得到。
[0012]進(jìn)一步地，所述鐵氧體塊采用具有旋磁性、低矯頑力、低微波損耗的尖晶石系鐵氧體粉料，如LiZn鐵氧體、YIG鐵氧體，經(jīng)混料、流延和疊層制得。
[0013]進(jìn)一步地，所述第一金屬層和第二金屬層采用銀、銅等金屬導(dǎo)體制得。
[0014]本發(fā)明所述移相器的工作原理如下:
[0015]將移相器的微波輸入輸出端分別接到微波電路中，在螺線管線圈的兩個(gè)輸入電極端口間施加電壓脈沖;饋入正向電壓脈沖時(shí)，鐵氧體將被飽和磁化，去掉磁化電流后，鐵氧體將工作在剩磁狀態(tài)，此時(shí)輸出端口得到一個(gè)參考相位;當(dāng)饋入負(fù)向電壓脈沖時(shí)，將改變鐵氧體的剩磁狀態(tài)，得到一個(gè)新的相位，從而得到一個(gè)非互易相位差。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供的基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)式鐵氧體移相器相比，體積大大減小，同時(shí)可以通過微帶線等結(jié)構(gòu)與有源電路連接，有利于實(shí)現(xiàn)移相器的小型化以及與其他微波有源電路的集成;且得到的鐵氧體移相器具有插入損耗低和平均功率容量大的優(yōu)異性能。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器沿A-A’面的截面圖；其中，I為介質(zhì)基板，2為鐵氧體塊，3為金屬柱，4為介質(zhì)塊；
[0019]圖3為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的頂層和底層金屬圖案;其中，(a)為第一金屬層圖案，(b)為第二金屬層圖案，5為50歐姆微帶線，6為過渡結(jié)構(gòu)；
[0020]圖4為實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器中每匝線圈的繞制方式示意圖；7為線圈；
[0021]圖5為實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的插入損耗仿真結(jié)果圖；
[0022]圖6為實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的回波損耗仿真結(jié)果圖；
[0023]圖7為實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的電壓駐波比仿真結(jié)果圖；
[0024]圖8為實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的相移量仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0026]實(shí)施例
[0027]如圖1、2所示，為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括介質(zhì)基板1、鐵氧體塊2和介質(zhì)塊4，所述介質(zhì)基板的上表面設(shè)置有第一金屬層，介質(zhì)基板的下表面設(shè)置有第二金屬層，所述介質(zhì)基板上設(shè)置有兩排相互平行的金屬柱3并且所述金屬柱貫穿第一金屬層、介質(zhì)基板、第二金屬層形成基片集成波導(dǎo)，其特征在于，所述鐵氧體塊2嵌入所述介質(zhì)基板I中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿介質(zhì)基板，所述介質(zhì)塊4嵌入所述鐵氧體塊2中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿鐵氧體塊，所述介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊具有相同的中心;所述鐵氧體塊上繞制有以鐵氧體塊為磁芯的η匝螺線管線圈，每匝螺線管線圈的繞制方式如圖4所示，每匝線圈均以鐵氧體塊為磁芯，在介質(zhì)塊和介質(zhì)基板之間繞制，以在鐵氧體內(nèi)形成磁場回路，所述螺線管線圈的兩個(gè)端口之間施加電壓脈沖電。
[0028]進(jìn)一步地，所述基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器采用LTCC疊層工藝、由20層層疊得至1J，每層厚度為0.1mm;移相器整體結(jié)構(gòu)的長為35mm，寬為12mm，高為2mm。
[0029]如圖3所示，所述基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的第一金屬層即頂層金屬層包括兩個(gè)50歐姆微帶線5和兩個(gè)過渡結(jié)構(gòu)6，所述過渡結(jié)構(gòu)6為一段漸寬的金屬帶條，所述50歐姆微帶線的寬為1.21mm，厚度為2mm;所述第二金屬層即底層金屬層覆蓋移相器的整個(gè)底面。所述基片集成波導(dǎo)中兩排平行的銀填充的金屬圓柱共20層，每層厚度0.1mm，分布于介質(zhì)材料中間；每排有71個(gè)金屬圓柱，每排金屬圓柱中相鄰兩金屬圓柱中心間距為0.5mm，單個(gè)圓柱的直徑為0.3mm，高為2mm，兩排金屬圓柱之間的距離為8mm。
[0030]進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板和介質(zhì)塊采用的介質(zhì)材料為Ferro公司的ULF140型LTCC陶瓷，介電常數(shù)為14、正切損耗角為0.002;所述鐵氧體塊采用的鐵氧體材料采用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度4jtMS為2300gauss的LiZn鐵氧體漿料，由LTCC工藝制得。
[0031]進(jìn)一步地，所述鐵氧體塊的厚度h與介質(zhì)基板的厚度相同，如圖2所示，在鐵氧體移相器的寬度方向上，介質(zhì)基板與介質(zhì)塊之間的鐵氧體塊的寬度a為鐵氧體塊的厚度h的0.8?1.2倍。
[0032]進(jìn)一步地，位于介質(zhì)基板和介質(zhì)塊之間的鐵氧體塊可分為上下左右四部分，如圖2所示，上、下部分的鐵氧體長為35mm，寬為4.7mm，高為0.9mm，左、右兩部分鐵氧體長為35mm，寬為1.1mm，高為0.2mm，左、右兩部分鐵氧體之間的間距即介質(zhì)塊的寬度為3.5mm。
[0033]進(jìn)一步地，所述左或右部分的鐵氧體上采用絲網(wǎng)印刷法繞制3匝螺線管線圈，每匝螺線管線圈的繞制方式如圖4所示，每匝線圈均以鐵氧體塊為磁芯，在介質(zhì)塊和介質(zhì)基板之間繞制，以在鐵氧體內(nèi)形成磁場回路;相鄰兩匝線圈通過金屬柱連接，螺線管線圈的兩個(gè)端口通過金屬柱連接至頂層，得到兩個(gè)輸入電極端口，用于施加電壓脈沖。
[0034]進(jìn)一步地，實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的尺寸為長*寬*高=35mm*12mm*2mm，大大小于常規(guī)矩形波導(dǎo)型移相器，同時(shí)可以通過微帶線等與有源電路連接，有利于實(shí)現(xiàn)移相器的小型化以及與其他微波有源電路的集成。
[0035]圖5、6、7、8為實(shí)施例基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器的插入損耗仿真結(jié)果圖、回波損耗仿真結(jié)果圖、電壓駐波比仿真結(jié)果圖和相移量仿真圖。由圖5、6、7、8可知，實(shí)施例所述基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，其中心頻率為9.2GHz，工作頻率在8GHz?I IGHz，帶寬3GHz，帶寬內(nèi)插入損耗S12〈-0.6dB，回波損耗SI l<-28dB，駐波比VSER〈1.08，在9.2GHz達(dá)到381度的相移量，在8GHz達(dá)到477度的相移量，在IlGHz達(dá)到295度的相移量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，包括介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊，所述介質(zhì)基板的上表面設(shè)置有第一金屬層，介質(zhì)基板的下表面設(shè)置有第二金屬層，所述介質(zhì)基板上設(shè)置有兩排相互平行的金屬柱并且所述金屬柱貫穿第一金屬層、介質(zhì)基板、第二金屬層形成基片集成波導(dǎo)，其特征在于，所述鐵氧體塊嵌入所述介質(zhì)基板中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿介質(zhì)基板，所述介質(zhì)塊嵌入所述鐵氧體塊中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿鐵氧體塊;所述鐵氧體塊上繞制η匝螺線管線圈，以在鐵氧體內(nèi)形成磁場回路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，其特征在于，所述介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊具有相同的中心。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，其特征在于，所述第一金屬層包括兩個(gè)50歐姆微帶線和兩個(gè)過渡結(jié)構(gòu)，所述過渡結(jié)構(gòu)為一段漸寬的金屬帶條。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，其特征在于，所述金屬柱為金屬填充的圓柱或長方體。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，其特征在于，所述鐵氧體塊、介質(zhì)基板及介質(zhì)塊的尺寸由移相器的工作頻率和相移量確定。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，其特征在于，所述基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器采用LTCC疊層工藝制得;各層介質(zhì)和各層旋磁鐵氧體采用對應(yīng)的漿料，經(jīng)過混料、流延、打孔、等靜壓技術(shù)制備得到。
【專利摘要】一種基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器，屬于微波通信器件領(lǐng)域。包括介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊，所述鐵氧體塊嵌入介質(zhì)基板中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿介質(zhì)基板，所述介質(zhì)塊嵌入鐵氧體塊中且沿基片集成波導(dǎo)的傳輸方向貫穿鐵氧體塊，介質(zhì)基板、鐵氧體塊和介質(zhì)塊的中心相同；所述鐵氧體塊上繞制n匝螺線管線圈，螺線管線圈的兩個(gè)端口之間施加電壓脈沖。本發(fā)明基于LTCC技術(shù)的基片集成波導(dǎo)式鐵氧體移相器與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)式鐵氧體移相器相比，體積大大減小，同時(shí)可以通過微帶線等結(jié)構(gòu)與有源電路連接，有利于實(shí)現(xiàn)移相器的小型化以及與其他微波有源電路的集成；且得到的鐵氧體移相器具有插入損耗低和平均功率容量大的優(yōu)異性能。
【IPC分類】H01P1/19
【公開號】CN105576327
【申請?zhí)枴緾N201510963086
【發(fā)明人】楊青慧, 鄭向聞, 安照輝, 李元勛, 張懷武, 董師伶, 郁國良
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月21日