CN104201442B - 一种基于ltcc技术的微带线移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于LTCC技术的微带线移相器，包括：矩形铁氧体基片、第一、二、三、四耦合弯曲线段、螺线管及焊盘，其特征在于，所述矩形铁氧体基片中心开设矩形基片窗口；所述四段耦合弯曲线分布位于基片上表面，其中第一、四耦合弯曲线段分别位于基片窗口宽边两侧的铁氧体基片上，第二、三耦合弯曲线段并列设置于基片窗口长边一侧的铁氧体基片上；所述螺线管设置于基片窗口长边另一侧铁氧体基片上，与铁氧体基片形成绕制结构，其首尾端导线连接焊盘。该微带线移相器除了具有插入损耗低和平均功率容量大的自身优点外，将磁化回路集成到铁氧体基片中，显著减小了一般铁氧体移相器体积，有利于实现移相器的小型化。

Description

一种基于LTCC技术的微带线移相器
技术领域
本发明属于微波通信器件领域，具体涉及一种基于LTCC技术的小型化微带铁氧体移相器。
背景技术
应用于微波通信领域的移相器，主要的作用是把微波信号的相位改变。要求移相器具有插入损耗小、反射小、相移量大、体积小等特点。常见移相器主要有三大类，第一类是基于半导体器件(如PIN二极管、MMIC等)设计开关阵列移相器；第二类是基于MEMS工艺的MEMS移相器；第三类是基于微波陶瓷材料的移相器，应用于移相器的微波陶瓷材料主要有微波介质材料(如：BST等)和磁性铁氧体材料(如：YIG、LiZn等)，铁氧体移相器在插入损耗、功耗和功率容量方面具有绝对优势，合理的设计铁氧体材料及器件，可以使插入损耗小于1dB。
目前，常见的铁氧体移相器主要有两大类，一类是采用波导传输型，如波导加载铁氧体空心矩形棒、Reggia-Spencer移相器等；另一类是采用传输线型，如铁氧体基片上印刷微带线、带状线。波导传输型铁氧体移相器，波导尺寸由所传播的电磁波波长决定，因此很难小型化；带状线和微带线型移相器可以缩小体积，但带状线移相器需要铁氧体和介质陶瓷共烧，并且不同体系的铁氧体材料收缩率不同，所以其成品率受工艺严格控制；微带线移相器虽不受上述工艺限制，但目前其结构的磁化回路体积庞大。如文献[Xi Yang，Jing Wu,etc.Compact andLow Loss Phase Shifter With Low Bias Field Using Partially Magnetized Ferrite.IEEE Tran.onmagn.49(7):3882-3885]所报道的基于YIG基片微带线移相器，该移相器结构在YIG矩形基片上设计了9段曲折耦合微带金属线，但该移相器需要在外置的电磁铁中将YIG基片进行磁化，所以整体上仍然不能小型化。因此，如何使移相器小型化的同时，又能具有高的相移优值，是当前移相器研究的热点。
近年来，LTCC(低温共烧陶瓷)技术的发展，为传输线型铁氧体移相器的设计提供了工艺基础。面向三维空间封装的LTCC技术，不仅具有方便生产加工的流延和通孔技术，更主要的是，其具有更好层厚控制能力，有望促使小型化、高性能的微波器件取得快速发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术的微带线结构铁氧体移相器，该微带线移相器除了具有插入损耗低和平均功率容量大的自身优点外，还克服了带状线铁氧体移相器对工艺的敏感性缺点，并且显著减小了一般铁氧体移相器体积，有利于实现移相器的小型化。
本发明的技术方案为：
一种基于LTCC技术的微带线移相器，包括：矩形铁氧体基片、第一耦合弯曲线段、第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段、螺线管及焊盘，其特征在于，所述矩形铁氧体基片中心开设矩形基片窗口；所述第一耦合弯曲线段、第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段分布位于基片上表面，其中第一耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段分别位于基片窗口宽边两侧的铁氧体基片上、且平行于矩形铁氧体基片的宽边，第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段并列设置于基片窗口长边一侧的铁氧体基片上，且平行于矩形铁氧体基片的长边，四段耦合弯曲线之间通过特征阻抗为50欧姆的微带线互连；所述螺线管设置于基片窗口长边另一侧铁氧体基片上，与铁氧体基片形成绕制结构，其首尾端导线分别连接焊盘。
进一步的，所述焊盘设置于矩形铁氧体基片上表面，与螺线管位于同一侧，所述螺线管由分布位于矩形铁氧体基片上、下表面的两部分梳状金属线条通过基片上预设通孔对齐互连构成。
所述矩形铁氧体基片的尺寸大小由移相器工作频率和相移量确定，设移相器工作频率为fc，介质中波长为λc，则矩形铁氧体基片厚度为0.15～0.2λc、长为2～2.5λc、宽为1.5～2λc。
所述耦合弯曲线段均由内部特征阻抗为50欧姆、端口特征阻抗为50欧姆的微带线构成，耦合弯曲微带线的长度为0.25λc的任意奇数倍。
所述螺线管的匝数与矩形铁氧体基片材料的饱和磁化强度成正比，螺线管的线宽与馈入的电流成正比。
更进一步的，所述矩形基片窗口几何中心与铁氧体基片的几何中心重合，基片窗口宽度为三分之一倍铁氧体基片宽度，基片窗口长度为二分之一倍铁氧体基片长度。
所述焊盘尺寸为2mm*2mm。
所述的矩形铁氧体基片采用LTCC工艺，通过混料、流延、打孔、等静压技术制备得到。
需要说明的是：
本发明铁氧体基片材料使用具有旋磁性、低矫顽力、低微波损耗的铁氧体材料，如LiZn铁氧体、YIG铁氧体。耦合弯曲微带线物理尺寸与移相器工作频率、铁氧体基片的材料参数、铁氧体基片的厚度有关，合理设计其宽度和间距，使得每部分的弯曲耦合微带线由内部特征阻抗为50欧姆以及端口特征阻抗为50欧姆的微带线构成。耦合弯曲微带线的长度为0.25λc的任意奇数倍。
螺线管是利用通孔将铁氧体基片上、下表面的上层金属线条和铁氧体基片下层金属线条相连得到，螺线管的的匝数与铁氧体基片材料的饱和磁化强度成正比，螺线管的线宽与馈入的电流成正比。
本发明中利用LTCC工艺制作铁氧体基片后，需要在中心设计一个矩形基片窗口，其目的在于产生闭合的磁路。四段弯曲耦合微带线和螺线管的布局，当螺线管线圈通入电流时，在铁氧体基片的长边和宽边产生的磁场，平行于弯曲耦合微带线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明提供一种基于LTCC技术的微带线移相器，该微带线移相器具有插入损耗低和平均功率容量大的优点，与现有的铁氧体移相器相比，体积和质量显著减小，实现了移相器的小型化，有利于移相器与其他微波器件集成，摒弃了传统微带铁氧体移相器的庞大磁化装置，克服了带状线铁氧体移相器对工艺敏感的缺点，充分利用基片产生的磁化回路，得到更大相移优值参数。
附图说明
图1是铁氧体基片上表面金属层版图。
图2是铁氧体基片下表面金属层版图。
图3是本发明微带线移相器整体结构示意图，其中、1(1-1、1-2)为同轴接头、2为矩形铁氧体基片、3为微带线地参考面、4为焊盘、5为螺线管、6为通孔、7为矩形基片窗口、8为耦合弯曲线段。
图4是本发明微带线移相器馈入正向电流时基片磁化示意图。
图5是本发明微带线移相器馈入反向电流时基片磁化示意图。
图6是本发明微带线移相器插入损耗仿真结果图。
图7是本发明微带线移相器反射参数仿真图。
图8是本发明微带线移相器相移量仿真图。
具体实施方式
本发明的相移优值参数和反射参数主要由铁氧体基片材料本征参数、铁氧体基片厚度、弯曲耦合微带线长度决定。下面结合具体实施例与附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明不局限于此。
具体实施的基于LTCC技术的微带线移相器仿真结果如图6至图8所示，中心频率为11.5GHz，带宽3.5GHz，带宽内插入损耗<1.1dB，相移优值290°/dB。该移相器物理尺寸为：长*宽*高＝28mm*16mm*1.01mm，该物理尺寸小于常规波导型移相器、与微带型铁氧体移相器物理尺寸相接近。
图1至图3为本实施例移相器的整体结构图，图1为上层丝网图案，图2为接地层丝网图案，图3为整体结构示意图；包括：矩形铁氧体基片2、第一耦合弯曲线段8-1、第二耦合弯曲线段8-2、第三耦合弯曲线段8-3、第四耦合弯曲线段8-4、螺线管5及焊盘4-1、4-2，其特征在于，所述矩形铁氧体基片中心开设矩形基片窗口7；
所述第一耦合弯曲线段、第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段分布位于基片上表面，其中第一耦合弯曲线段8-1、第四耦合弯曲线段8-4分别位于基片窗口宽边左、右侧的铁氧体基片上、且平行于矩形铁氧体基片的宽边，第二耦合弯曲线段8-2、第三耦合弯曲线段8-3并列设置于基片窗口长边一侧的铁氧体基片上，且平行于矩形铁氧体基片的长边，四段耦合弯曲线之间通过特征阻抗为50欧姆的微带线互连；
所述螺线管5设置于基片窗口长边另一侧铁氧体基片上，基片相应位置预设通孔6，螺线管由分布位于矩形铁氧体基片上、下表面的两部分梳状金属线条通过基片上预设通孔对齐互连构成，与铁氧体基片形成绕制结构，其首尾末端导线连接焊盘。所述焊盘与螺线管位于同一侧，设置于矩形铁氧体基片上表面。
具体实施方案如下：铁氧体基片采用13张厚度为0.1mm的旋磁锂铁氧体预烧粉料的流延膜片叠层得到，厚度为1.3mm，长度为35mm，宽度为20mm，先将膜片根据丝网图案打孔，然后叠片、通孔注银、等静压，在中心位置开设长约9mm、宽约4mm的基片窗口；将生基片进行烧结，得到长28mm，宽16mm，高1mm的铁氧体基片成品；
基片表面抛光，采用丝网印刷技术分别印刷上下层电路图案。
将移相器微波输入输出端分别接到微波电路中，螺线管焊盘通过导线接入驱动电路中，当驱动电路馈入正向电流脉冲时，铁氧体基片置为顺时针闭合磁化状态、如图4所示，正向电流脉冲结束，铁氧体基片工作于剩磁状态，此时微波信号输出端口得到参考相位。
当驱动电路馈入负向电流脉冲时，铁氧体基片被反向磁化，置为逆时针闭合磁化状态、如图5所示，负向电流脉冲结束，铁氧体基片工作于剩磁状态，此时微波信号输出端口得到新的相位。通过改变负向电流脉冲的宽度或幅值，可以改变反向磁化的剩磁状态，微波信号可以产生0到最大相移量之间的任何值。
综上所述，可实现本发明，得到结构紧凑的微带线铁氧体移相器。

Claims (8)

1.一种基于LTCC技术的微带线移相器，包括：矩形铁氧体基片、第一耦合弯曲线段、第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段、螺线管及焊盘，其特征在于，所述矩形铁氧体基片中心开设矩形基片窗口；所述第一耦合弯曲线段、第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段分布位于基片上表面，其中第一耦合弯曲线段、第四耦合弯曲线段分别位于基片窗口宽边两侧的铁氧体基片上、且平行于矩形铁氧体基片的宽边，第二耦合弯曲线段、第三耦合弯曲线段并列设置于基片窗口长边一侧的铁氧体基片上，且平行于矩形铁氧体基片的长边，四段耦合弯曲线之间通过特征阻抗为50欧姆的微带线互连；所述螺线管设置于基片窗口长边另一侧铁氧体基片上，与铁氧体基片形成绕制结构，其首尾端导线分别连接焊盘。
2.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述焊盘设置于矩形铁氧体基片上表面，与螺线管位于同一侧，所述螺线管由分布位于矩形铁氧体基片上、下表面的两部分梳状金属线条通过基片上预设通孔对齐互连构成。
3.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述矩形铁氧体基片的尺寸大小由移相器工作频率和相移量确定，设移相器工作频率为fc，介质中波长为λc，则矩形铁氧体基片厚度为0.15～0.2λc、长为2～2.5λc、宽为1.5～2λc。
4.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述耦合弯曲线段均由内部特征阻抗为50欧姆、端口特征阻抗为50欧姆的微带线构成，耦合弯曲微带线的长度为0.25λc的任意奇数倍、λc为介质中波长。
5.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述螺线管的匝数与矩形铁氧体基片材料的饱和磁化强度成正比，螺线管的线宽与馈入的电流成正比。
6.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述矩形基片窗口几何中心与铁氧体基片的几何中心重合，基片窗口宽度为三分之一倍铁氧体基片宽度，基片窗口长度为二分之一倍铁氧体基片长度。
7.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述焊盘尺寸为2mm*2mm。
8.按权利要求1所述基于LTCC技术的微带线移相器，其特征在于，所述的矩形铁氧体基片采用LTCC工艺，通过混料、流延、打孔、等静压技术制备得到。
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