CN104968186B - 一种基于三维打印制造技术的小型化微波电路封装屏蔽盒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒。该屏蔽盒不仅具有较小的电尺寸，同时具有良好的腔模抑制性能；它包括金属盒盖和金属盒腔，其中金属盒盖通过三维打印制造技术实现。金属盒盖的内表面上排列有二维周期结构单元，该结构单元由金属柱和“凹”字形金属盖组成，形成倒置雨伞型结构，其中，金属柱的一端与屏蔽盒盖的内表面垂直相连，金属柱的另一端与“凹”字形金属盖的凹槽底部内表面垂直相连。每个倒置雨伞型结构单元和正下方的屏蔽盒底之间构成串联电感电容谐振，倒置雨伞型结构单元之间则构成并联电感电容谐振，这两种谐振共同构成了抑制封装屏蔽盒内噪声的阻带，可以有效的保证封装屏蔽盒内的微波电路正常工作。

Description

一种基于三维打印制造技术的小型化微波电路封装屏蔽盒

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域。具体涉及一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒。

背景技术

随着微波集成电路生产工艺的不断进步，许多复杂的微波、毫米波电路模块组件被开发出来适应时代的发展。由于多数微波、毫米波电路模块组件处于户外工作环境，因此容易受到恶劣自然环境的影响，所以一般情况下需要对其进行金属封装屏蔽；这样做带来的另一个好处就是可以防止封装内部电路模块和周围外界环境之间的电磁干扰。但是，由于金属屏蔽盒自身也是一种谐振腔结构，内部微波电路辐射的电磁场会激励起金属屏蔽盒自身的多个谐振模式，如果这些谐振模式的谐振频率和封装在屏蔽盒内电路的工作频率相近的话，就会对内部电路形成干扰，降低电路的相关性能。因此，有效抑制高集成微波电路封装屏蔽盒内的噪声是近年来的一个研究热点。

传统的抑制微波电路封装屏蔽盒内噪声的方法就是将电路模块直接固定在金属屏蔽盒中，并在金属屏蔽盒内部利用金属壁划分几个独立的隔离区域(一般为放置有源器件的位置区域)，即构成几个小型金属腔，并在这些小型金属腔区域的屏蔽盒盖下表面贴附上吸波材料以抑制高Q值的腔体谐振模式。这种封装方法通常是将电路模块设计好以后进行后期调试，导致产品研发周期时间加长、成本提高、且有时候隔离效果不是十分理想，另外吸波材料的使用还会在高频引入较大的额外损耗。

针对于此，瑞典科学家提出了缝隙波导封装技术，该技术理念利用理想电壁和理想磁壁之间不支持电磁波传播的基本原理，通过在金属屏蔽盒盖的下方引入四分之一波长的金属柱阵列将金属盒盖等效为理想磁壁，实现了噪声传播的高阻抗表面，但是这样做的缺点就是低频噪声抑制需要的金属柱长度较长，屏蔽盒的厚度较大；且单元尺寸较大，不利于有限屏蔽盒内加载更多的金属柱单元，削弱了噪声隔离度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒，以克服微波电路加载金属屏蔽盒引起腔体谐振噪声的技术缺陷；且引入三维打印技术加工所设计的复杂屏蔽盒结构，克服了传统机械加工工艺的不足。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒，包括封装屏蔽盒盖和封装屏蔽盒腔，所述封装屏蔽盒盖的内表面上排列有二维周期结构单元，该结构单元由金属柱和“凹”字型金属盖构成，形成倒置雨伞型结构，其中，金属柱的一端与屏蔽盒盖的内表面垂直相连，金属柱的另一端与“凹”字型金属盖的凹槽底部内表面垂直相连；所述封装屏蔽盒腔底部的内表面设有一层介质衬底，所述“凹”字型金属盖与介质衬底之间有一定的间距。

进一步地，所述封装屏蔽盒盖由三维打印制造技术加工制作而成。

进一步地，所述金属柱的截面为圆形、长方形或者正方形。

本发明所提供的用于微波电路封装的新型屏蔽盒，与传统封装屏蔽盒以及缝隙波导理想磁导体的封装相比，有益效果在于：既实现了盒内噪声的抑制，又实现了封装屏蔽盒的低剖面设计和小型化设计。一方面，利用相邻倒置雨伞型金属单元之间的电容效应和“凹”字型金属盖自身的电感效应在盒内噪声传播路径上引入并联谐振，阻碍噪声的有效传播；另外一方面，利用倒置雨伞型金属单元和金属盒内腔之间的电容效应和金属柱单元自身的电感效应在盒内噪声产生路径上引入串联谐振，有效抑制噪声的生成。上述这些特点使得本发明提供的微波电路封装屏蔽盒有效地抑制了封装屏蔽盒内的腔体噪声，保证了屏蔽盒内微波电路的正常工作和相关性能，且实现了屏蔽盒的低剖面和加载单元尺寸的小型化。另外，本发明中设计的倒置雨伞型金属单元结构相对复杂，传统数控切割机床制造工艺难度大，生产成本高；针对于此，本发明引入三维打印技术可以有效降低所设计的微波电路封装屏蔽盒的制造成本和加工难度。

附图说明

图1为根据本发明提出的用于微波电路新型封装屏蔽盒盖的三维示意图。

图2为根据本发明提出的用于微波电路新型封装屏蔽盒腔的三维示意图。

图3为本发明所提出的倒置雨伞型金属单元和对应部分金属盒盖、金属盒腔的一个单元的三维示意图(a)和一个单元的设计参数标注图(b)。

图4为根据本发明仿真的屏蔽盒内噪声抑制阻带的色散图(a)和插入损耗图(b)。

其中，附图标记说明如下：1-封装屏蔽盒盖；2-和封装屏蔽盒盖相连接的倒置雨伞型金属周期单元；3-封装屏蔽盒腔；4-部分封装屏蔽盒盖；5-金属柱；6-“凹”字型金属盖；7-衬底介质；8-部分封装屏蔽盒腔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒实施进行具体说明：

本发明设计的一种用于微波电路封装的新型封装屏蔽盒如图1所示，包括封装屏蔽盒盖1，倒置雨伞型金属周期单元2，倒置雨伞型金属周期单元2和封装屏蔽盒盖1相连，倒置雨伞型金属周期单元2的下表面与四周面积较大，增加单元电容，降低阻带中心频率。图2是封装屏蔽盒腔3。每个倒置雨伞型周期单元2和正下方的封装屏蔽盒腔3之间构成串联电感电容谐振，倒置雨伞型金属周期单元2之间则构成并联电感电容谐振。对于微波电路加载金属盒盖引起的噪声而言，倒置雨伞型结构会对产生的噪声进行滤除，其中串联电感电容提供了低阻抗的滤除路径，并联电感电容谐振提供了高阻抗的滤除路径。本发明通过以上结构设计，最终实现了对封装微波电路引起的腔体噪声的隔离和抑制。保证了屏蔽盒内微波电路的正常工作。

图3(a)所示是由部分封装屏蔽盒盖4、金属柱5、“凹”字型金属盖6、衬底介质7、部分封装屏蔽盒腔8组成的一个周期单元，其中金属柱5的一端与屏蔽盒盖的内表面垂直相连，金属柱5的另一端与“凹”字型金属盖6的凹槽底部内表面垂直相连。。

如图3(b)所示封装屏蔽盒盖4的厚度为h₁，封装屏蔽盒腔8厚度为h₂，封装屏蔽盒内微波电路的衬底介质7厚度为t，倒置雨伞型金属单元中金属柱5的长度为L₂，宽度为W₁，倒置雨伞型金属单元中“凹”字型金属盖6的底面长度和宽度分别为W_d1和L₁，倒置雨伞型金属单元“凹”字型金属盖6四臂的长度和宽度为h和d，倒置雨伞型金属单元下表面距微波电路衬底介质7表面的距离为g，单元周期为p。

本发明根据图1设计的噪声抑制阻带频率范围在4.2GHz至10.5GHz的微波电路封装屏蔽盒1，其微波电路衬底介质7的介电常数为4.4，微波电路衬底介质7的厚度t＝0.5mm，封装屏蔽盒盖1的厚度为h₁＝1mm，封装屏蔽盒腔体3厚度为h₂＝1mm，其它单元结构参数为：W₁＝1.5mm，L₂＝4mm，W_d1＝6mm，L₁＝1mm，g＝1mm，h＝2.5mm，d＝0.5mm，p＝7.5mm。

图4是本发明的仿真结果，图4(a)和(b)分别是屏蔽盒内噪声抑制阻带的色散图和插入损耗图，可以看到在4.2-10.5GHz频率范围内产生了阻带，倒置雨伞型周期单元的体积大小相比于阻带中心频率处自由空间波长为0.184×0.184×0.159。

Claims (3)

1.一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒，包括封装屏蔽盒盖和封装屏蔽盒腔，其特征在于，所述封装屏蔽盒盖的内表面上排列有二维周期结构单元，该结构单元由金属柱和“凹”字型金属盖构成，形成倒置雨伞型结构，其中，金属柱的一端与屏蔽盒盖的内表面垂直相连，金属柱的另一端与“凹”字型金属盖的凹槽底部内表面垂直相连；所述封装屏蔽盒腔底部的内表面设有一层介质衬底，所述“凹”字型金属盖与介质衬底之间有一定的间距；所述金属柱的长度为4mm，所述“凹”字型金属盖四臂的长度和宽度分别为2.5mm和0.5mm，所述“凹”字型金属盖的底面长度和宽度分别为6mm和1mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒，其特征在于，所述封装屏蔽盒盖由三维打印制造技术加工制作而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维打印制造技术的新型微波电路封装屏蔽盒，其特征在于，所述金属柱的截面为圆形、长方形或者正方形。