CN101557024A - 基于ltcc技术的带状线式铁氧体移相器 - Google Patents

基于ltcc技术的带状线式铁氧体移相器 Download PDF

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Abstract

基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，属于微波通讯器件技术领域。整个移相器由两层矩形旋磁铁氧体基片包夹两层矩形陶瓷介质基片形成，两层陶瓷介质基片之间夹有两条平行的磁化电流导线和一条移相用弯曲式微带线；铁氧体基片在宽度方向上超过陶瓷介质基片的两边相互连通，形成封闭的磁回路。器件工作时，铁氧体基片表面的环带形银电极接地，通过磁化电流导线施加脉冲磁化电流使旋磁铁氧体回路磁化，去掉磁化电流后使旋磁铁氧体基片工作于剩磁状态；在移相用弯曲式微带线的两个端电极之间连接微波信号，就会产生非互易的差相移。本发明与现有的铁氧体移相器相比，体积和质量都可以显著的缩小，更利于实现移相器与其它有源/无源器件和组件的集成。

Description

基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器
技术领域
本发明属于微波通讯器件技术领域，涉及LTCC工艺，具体涉及一种小型化带状线式铁氧体移相器。
背景技术
相对于PIN二极管、MMIC等形式的移相器，铁氧体移相器在插入损耗以及平均功率方面具有很大的优势。目前常见的铁氧体移相器从结构上区分主要有两大类：其一是采用在波导内加载铁氧体空心矩形棒的形式；其二是采用在铁氧体基片上印刷微带线的结构形式。前一种结构中由于波导尺寸参数要由传输电磁波的波长来确定，很难压缩，导致移相器的体积和重量都较大。而后一种结构形式中虽然铁氧体基片和微带部分的体积和重量不大，但为了磁化铁氧体基片需要额外附加磁化电路和磁路，也导致了整个微带铁氧体移相器体积偏大。此外，微带型铁氧体移相器在移相度和插损方面的性能也较差。因此，如何在缩小铁氧体移相器的体积和重量的同时，又能保证其良好的移相性能，成为当前铁氧体移相器发展所面临的一大技术难题。
近年来LTCC(低温共烧陶瓷)技术的出现和发展为开发具有创新设计的叠层铁氧体移相器创造了条件。LTCC技术作为一种先进的多层陶瓷技术，不仅可将传统陶瓷器件结构从原先的一维扩充到三维，而且LTCC技术多层化过程中采用了流延和通孔技术，除了方便于加工生产以外，还可提供比常规基板材料更好的层厚控制，得到嵌入元素值上更紧的公差，因而有望在兼顾铁氧体移相器小型化和高性能方面取得突破。
目前，虽然LTCC技术在片式电感、电容、滤波器等无源器件中已获得了广泛的应用，但由于铁氧体移相器结构较为复杂，并且其工作时铁氧体还需进行预磁化，小型化较为困难。因此，到目前为止，尚未有关于小型化LTCC叠层结构铁氧体移相器的研究报道。
发明内容
本发明提供一种基于LTCC技术的叠层带状线式铁氧体移相器，该铁氧体移相器在兼顾常规铁氧体移相器在插入损耗以及平均功率方面的优异性能的同时，能够显著缩小铁氧体移相器的体积。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，如图1至图4所示，包括：
上下两层矩形陶瓷介质基片4，两层矩形陶瓷介质基片4之间夹有两条相互平行的磁化电流导线6和一条移相用弯曲式微带线，磁化电流导线6平行于矩形陶瓷介质基片4的长边；所述移相用弯曲式微带线由特性阻抗相等的三段微带线构成，两段相互平行的直线式微带线3的中间串接U型折叠弯曲式微带线5；所述两条磁化电流导线6与移相用弯曲式微带线的直线式微带线3相互平行并保持4倍以上直线式微带线3微带线宽的间距。
上下两层矩形旋磁铁氧体基片1；所述矩形旋磁铁氧体基片1的宽度大于所述所矩形陶瓷介质基片4的宽度；两层矩形旋磁铁氧体基片1之间夹有所述两层矩形陶瓷介质基片4，宽度方向上超过矩形陶瓷介质基片4的两边相互连通，形成一个封闭的旋磁铁氧体环带状磁回路；所述上下两层矩形旋磁铁氧体基片1的外表面的中间环带部分镀有银电极2，形成移相器的带状线地电极。
所述上下两层矩形陶瓷介质基片4为单张LTCC流延陶瓷介电膜片或多张LTCC流延陶瓷介电膜片叠片而成。
所述上下两层矩形旋磁铁氧体基片1采用多张LTCC流延旋磁铁氧体膜片叠片而成。
所述磁化电流导线6和移相用弯曲式微带线采用LTCC印刷工艺印制在任一层矩形陶瓷介质基片4表面，材料为金属银。
上述方案所述的基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，为了便于引出电极，可在所述上层矩形旋磁铁氧体基片1和上层矩形陶瓷介质基片4与移相用弯曲式微带线的两段直线式微带线3的两端对应的地方开有缺口，以漏出两段直线式微带线3的两端；所述两段直线式微带线3的两端上方的缺口部分镀有银电极，作为移相器微波馈电信号的输入、输出端的端电极；所述上层矩形旋磁铁氧体基片1和上层矩形陶瓷介质基片4与磁化电流导线6的两端对应的地方开有缺口，以漏出磁化电流导线6的两端；所述两条磁化电流导线6的两端上方部分镀有银电极，作为移相器两股对称磁化电流的输入、输出端的端电极。
上述方案中，需要说明的是：
(1)、所述移项用弯曲式微带线的宽度应确保其特性阻抗为50Ω，其中U型折叠弯曲式微带线5由若干相同的四分之一波长线弯曲连接而成，且直线式微带线3的长度也大于四分之一波长。
(2)、磁化电流导线6的线宽没有特别限制。
本移相器最上表面和最下表面未印刷接地电极的四个缺口大小应确保最后在端头涂覆的为接通磁化电流的电极与接地电极之间绝缘。所述上层矩形旋磁铁氧体基片和上层矩形陶瓷介质基片为露出移相用弯曲式微带线电极端头而开的缺口，应确保微带电极端头既能充分露出来，以方便进行微波馈电，同时又要保证被盖住的弯曲微带线两端的直线式微带线3的长度大于四分之一波长。
本发明所述的移项器在制备时，首先分别制备两层矩形旋磁铁氧体基片1和两层矩形陶瓷介质基片4，并其中一层矩形陶瓷介质基片4表面印刷磁化电流导线6和移相用弯曲式微带线；然后将四层基片依次叠放，通过等静压和烧结后成为一个整体。其中这一整体内部的电极部分采用LTCC印刷工艺并和陶瓷共烧固化制得，而最上和最下表面的接地电极则可等烧结后再通过丝网印刷银浆并烧银固化制得。此外，在移相器两端四个磁化电流电极引出端的位置刷上银电极，以方便接通磁化电流。在烧结体的一个侧面也印刷有部分电极，以连通上下表面的接地电极。
本发明所述的铁氧体基片采用低温烧结的尖晶石系旋磁铁氧体粉料，经混料、流延和叠层获得；陶瓷介质基片采用低温烧结的介电陶瓷粉料，经混料、流延获得。其中两层铁氧体基片的厚度相等，间于300～5000微米之间；两层陶瓷介质基片的厚度相等，间于50～200微米之间。铁氧体和绝缘介质基片的烧结收缩率基本一致，以防止共烧时在分界处出现翘曲或开裂。
本发明与现有的铁氧体移相器相比，体积和质量都可以显著的缩小，更利于实现移相器与其它有源/无源器件和组件的集成。
附图说明
图1是本发明基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器的下层铁氧体基片形状及表面印刷电极图案。
图2是本发明基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器的陶瓷介质基片形状及表面印刷磁化电流导线和移相用弯曲式微带线图案。
图3是本发明基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器的上层铁氧体基片形状及表面印刷电极图案。
图4是本发明基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器的立体示意图。
具体实施方式
下面结合一个具体实施及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
具体实施的LTCC叠层带状线铁氧体移相器其中心频率约为9.2GHz，带宽大于300MHz，带宽内插入损耗＜2dB，驻波比VSWR≤1.5，相移量超过270度。而该铁氧体移相器的长、宽和高仅约为20mm、10mm和4mm，远小于常规的波导型和微带型的铁氧体移相器。
图1～图4为该LTCC叠层带状线铁氧体移相器各层及整体的结构示意图。主要结构包括：
下层铁氧体基片，该基片采用15张厚度为0.1mm的低温烧结旋磁锂铁氧体粉料流延膜片叠层形成，总厚度约1.5mm，宽边长为20mm，长边长为10mm，其表面印刷电极图案如图1所示。
下层陶瓷介质基片，该基片为1张厚度为0.1mm的低温烧结介电陶瓷流延膜片，陶瓷材料采用的是Ferro公司ULF140型LTCC陶瓷。该基片宽边长为15mm，长边长为10mm，其表面印刷电极图案如图2所示。其中中间印刷的为移项用弯曲式微带线，两边两条平行的磁化电流导线。
上层陶瓷介质基片，该基片为1张厚度为0.1mm的低温烧结介电陶瓷流延膜片，陶瓷材料采用的是Ferro公司ULF140型LTCC陶瓷。该基片宽边长为15mm，长边长为10mm，该基片在对应移相用弯曲式微带线的两段直线式微带线3的两端的地方以及对应磁化电流导线6的两端的地方开有六个缺口。
上层铁氧体基片，该基片采用15张厚度为0.1mm的低温烧结旋磁锂铁氧体粉料流延膜片叠层形成，总厚度约1.5mm，宽边长为20mm，长边长为10mm，其表面印刷电极图案及缺口部分如图4所示。
将以上四层基片依次叠层、等静压后共烧结，形成一个整体。其中这一整体内部的电极部分采用LTCC印刷工艺并和陶瓷共烧固化制得，而最上和最下表面的接地电极则可等烧结后再通过丝网印刷银浆并烧银固化制得。此外，在移相器两端四个磁化电流电极引出端的位置刷上银电极，以方便引入电流；在烧结体的一个侧面也印刷有部分电极，以连通上下表面的接地电极。由于第一层和第二层铁氧体基片与x轴平行的边长长于绝缘介质基片，因此通过叠层、等静压和烧结工艺后，两个铁氧体层形成了一个闭合的回路，中间夹有两层绝缘介质层以及弯曲微带电极和磁化电流电极。
如上所述，便可较好的实现本发明。该基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器在工作时，上下表面的电极均接地，通过两条直线的磁化电流电极分别施加相同大小的脉冲磁化电流，可使闭合的旋磁铁氧体回路磁化，去掉磁化电流后可使旋磁铁氧体基片工作于指定的剩磁状态，并可通过调整脉冲磁化电流的大小改变铁氧体的剩磁状态。在移相用弯曲式微带线的两个端电极分别连接同轴或微带馈电，微波信号就会产生非互易的差相移。

Claims (4)

1、基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，包括：
上下两层矩形陶瓷介质基片(4)，两层矩形陶瓷介质基片(4)之间夹有两条相互平行的磁化电流导线(6)和一条移相用弯曲式微带线，磁化电流导线(6)平行于矩形陶瓷介质基片(4)的长边；所述移相用弯曲式微带线由特性阻抗相等的三段微带线构成，两段相互平行的直线式微带线(3)的中间串接U型折叠弯曲式微带线(5)；所述两条磁化电流导线(6)与移相用弯曲式微带线的直线式微带线(3)相互平行并保持4倍以上直线式微带线(3)微带线宽的间距；
上下两层矩形旋磁铁氧体基片(1)；所述矩形旋磁铁氧体基片(1)的宽度大于所述所矩形陶瓷介质基片(4)的宽度；两层矩形旋磁铁氧体基片(1)之间夹有所述两层矩形陶瓷介质基片(4)，宽度方向上超过矩形陶瓷介质基片(4)的两边相互连通，形成一个封闭的旋磁铁氧体环带状磁回路；所述上下两层矩形旋磁铁氧体基片(1)的外表面的中间环带部分镀有银电极(2)，形成移相器的带状线地电极；
所述上下两层矩形陶瓷介质基片(4)为单张LTCC流延陶瓷介电膜片或多张LTCC流延陶瓷介电膜片叠片而成；
所述上下两层矩形旋磁铁氧体基片(1)采用多张LTCC流延旋磁铁氧体膜片叠片而成；
所述磁化电流导线(6)和移相用弯曲式微带线采用LTCC印刷工艺印制在任一层矩形陶瓷介质基片(4)表面，材料为金属银。
2、根据权利要求1所述的基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，其特征在于，
所述上层矩形旋磁铁氧体基片(1)和上层矩形陶瓷介质基片(4)与移相用弯曲式微带线的两段直线式微带线(3)的两端对应的地方开有缺口，以漏出两段直线式微带线(3)的两端；所述两段直线式微带线(3)的两端上方的缺口部分镀有银电极，作为移相器微波馈电信号的输入、输出端的端电极；所述上层矩形旋磁铁氧体基片(1)和上层矩形陶瓷介质基片(4)与磁化电流导线(6)的两端对应的地方开有缺口，以磁化电流导线(6)的两端；所述两条磁化电流导线(6)的两端上方部分镀有银电极，作为移相器两股对称磁化电流的输入、输出端的端电极。
3、根据权利要求1所述的基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，其特征在于，所述移项用弯曲式微带线的宽度应确保其特性阻抗为50Ω，其中U型折叠弯曲式微带线(5)由若干相同的四分之一波长线弯曲连接而成，且直线式微带线(3)的长度也大于四分之一波长。
4、根据权利要求1-3中所述任一基于LTCC技术的带状线式铁氧体移相器，其特征在于，所述的铁氧体基片采用低温烧结的尖晶石系旋磁铁氧体粉料，经混料、流延和叠层获得；绝缘介质基片采用低温烧结的介电陶瓷粉料，经混料、流延获得。
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