CN105161810A - 基于复合左右手结构的ltcc小型化功率增益均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器，包括由下及上依次层叠的金属接地层、第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层以及第三金属层，第三层金属通过电阻和传输线主线相连接。结合LTCC技术，金属接地层、第一金属层、第二金属层、第三金属层以及埋置于介质层中的圆柱形金属化通孔构成三个复合左右手谐振器。本发明提供的基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器，具有小型化、均衡量大以及插损小的优点，特别适用于工作在低频段的大功率行波管功率增益平坦度的调节。

Description

基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器

技术领域

本发明属于微波毫米波功率器件技术领域，具体涉及一种基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器。

背景技术

增益均衡器是进行增益补偿的器件，用于解决行波管放大器的增益不平坦问题，多采用无源形式实现。均衡器是由传输线主线和连接在传输线主线的若干个谐振吸收单元构成，可按传输线形式分为微带线型、波导型和同轴线型三种。当传输线主线上传输的能量经过某个谐振吸收单元时，该谐振吸收单元将其谐振频率及附近的一部分能量耦合入谐振吸收单元内，依靠谐振吸收单元的吸收机构将能量吸收。通过调整谐振吸收单元的谐振频率、吸收机构的吸收量大小，可得到所需的均衡曲线。

复合左右手传输线是由美国加州大学洛杉矶分校工Itoh教授等人在2004年前后提出的一种新型的传输线结构，它是将纯左手电路和纯右手电路结合起来得到的一个综合电路模型。复合左右手传输线结构在低频阶段呈现的左手特性能产生独特的负阶谐振特性，这种负阶谐振特性使其在微波无源元件的小型化上有着非常明显的优势。

低温共烧陶瓷(LTCC)技术是MCM中的一类多层布线基板技术，是1982年由休斯公司开发的新型材料技术。该技术使元器件间互连线变短，既缩小了封装尺寸，提高了组装密度，也解决了串扰噪声，杂散电感、杂散电容耦合以及电磁场辐射等问题。将无源器件埋置在LTCC多层互连布线基板中并通过通孔互连，可以减少寄生参量，有利于增加系统的带宽和性能。

随着新一代微波功率模块小型化、高集成度的需求，均衡器的小型化设计显得尤为重要。目前常用的均衡器为微带型均衡器，由于低频段所用基片介电常数较低，使得低频段微带均衡器的尺寸普遍偏大。复合左右手传输线的负阶谐振特性可以实现均衡器尺寸的减小，而LTCC技术的多层布线结构也能够缩小均衡器尺寸，将二者结合起来可以大幅度地缩减均衡器尺寸。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种小型化的基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器，包括由下及上依次层叠的金属接地层、第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层以及第三金属层，所述第一介质层和第二介质层均设有金属化通孔，所述金属接地层、第一金属层、第二金属层以及第三金属层使用LTCC工艺印制于介质层的表面，并与金属化通孔构成三个左右手复合谐振器。

优选地，所述第三金属层包括传输线主线，第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述传输线主线为中间凸起的条状结构，所述第一电阻和第三电阻设置于传输线主线凸起左右两条边上，所述第二电阻设置于凸起上，还包括分别与第一电阻、第二电阻、第三电阻相连的第一谐振器表层金属、第二谐振器表层金属和第三谐振器表层金属。

优选地，所述第一金属层包括第一谐振器底层金属、第二谐振器底层金属和第三谐振器底层金属；所述第二金属层第一谐振器中层金属、第二谐振器中层金属和第三谐振器中层金属。

优选地，所述第一介质层包括第一介质基板，以及呈两行三列分布设置于第一介质基板上的第一金属化通孔阵列、第二金属化通孔阵列、第三金属化通孔阵列、第四金属化通孔阵列、第五金属化通孔阵列和第六金属化通孔阵列，所述第二金属化通孔阵列和第五金属化通孔阵列分别位于第一介质基板中部；所述第二介质层包括第二介质基板，以及呈三角形分布设置于第二介质基板上的第一金属化通孔阵列、第二金属化通孔阵列和第三金属化通孔阵列，所述第二金属化通孔阵列位于介质基板一侧中部，所述第二金属化通孔阵列和第三金属化通孔阵列位于第二介质基板另一侧的两端。

优选地，所述第一谐振器表层金属与第三介质层、第一谐振器中层金属、第一金属化通孔阵列、第一谐振器底层金属、第一金属化通孔阵列、第四金属化通孔阵列以及金属接地层构成第一左右手复合谐振器，所述第二谐振器表层金属与第三介质层、第二谐振器中层金属、第二金属化通孔阵列、第二谐振器底层金属、第二金属化通孔阵列、第五金属化通孔阵列以及金属接地层构成第二左右手复合谐振器，所述第三谐振器表层金属与第三介质层、第三谐振器中层金属、第三金属化通孔阵列、第三谐振器底层金属、第三金属化通孔阵列、第六金属化通孔阵列以及金属接地层构成第三左右手复合谐振器。

优选地，所述金属接地层包括虚拟金属板，呈板状。

优选地，所述第三介质层包括第三介质基板，呈板状。

优选地，所述的第一金属化通孔阵列、第二金属化通孔阵列、第三金属化通孔阵列、第四金属化通孔阵列、第五金属化通孔阵列、第六金属化通孔阵列、第一金属化通孔阵列、第二金属化通孔阵列和第三金属化通孔阵列均由两个圆柱形金属化通孔构成。

优选地，所述传输线主线采用微带线形式。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器，采用复合左右手结构的谐振器作为本发明的谐振单元，由于复合左右手结构独特的相位特性，在同等性能指标下，基于复合左右手传输线结构的谐振器具有比传统右手传输线结构谐振器更小的体积，将LTCC技术与复合左右手结构结合起来构成复合左右手结构LTCC谐振器，可以进一步减小谐振器的体积，也就可以使均衡器小型化。此外，传输线主线采用微带线形式，位于顶层表面，调整微带线长度以调节阻抗匹配。吸收能量的电阻直接制作在顶层表面，以减少电阻的寄生参量，同时也解决其散热问题。同时，本发明还具有均衡量大，插损小的优点，特别适用于工作在低频段的大功率行波管功率增益平坦度的调节。

附图说明

图1是本发明基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器爆炸结构示意图；

图2是本发明基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器立体结构示意图；

图3是本发明基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器的谐振器立体结构示意图。

附图标记说明：0、金属接地层；00、虚拟金属板；1、第一介质层；10、第一介质基板；11、第一金属化通孔阵列；12、第二金属化通孔阵列；13、第三金属化通孔阵列；14、第四金属化通孔阵列；15、第五金属化通孔阵列；16、第六金属化通孔阵列；2、第一金属层；21、第一谐振器底层金属；22、第二谐振器底层金属；23、第三谐振器底层金属；3、第二介质层；30、第二介质基板；31、第一金属化通孔阵列；32、第二金属化通孔阵列；33、第三金属化通孔阵列；4、第二金属层；41、第一谐振器中层金属；42、第二谐振器中层金属；43、第三谐振器中层金属；5、第三介质层；50、第三介质基板；6、第三金属层；60、传输线主线：61、第一电阻：62、第二电阻：63、第三电阻；64、第一谐振器表层金属；65、第二谐振器表层金属；66、第三谐振器表层金属。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1-3所示，本发明的基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器结构示意图，共七层，包括由下及上依次层叠的金属接地层0、第一介质层1、第一金属层2、第二介质层3、第二金属层4、第三介质层5以及第三金属层6。第一介质层1和第二介质层3均设有金属化通孔，所述金属接地层0、第一金属层2、第二金属层4以及第三金属层6使用LTCC工艺印制于介质层的表面，并与金属化通孔构成三个左右手复合谐振器。

金属接地层0包括虚拟金属板00，呈板状。第一金属层2包括第一谐振器底层金属21、第二谐振器底层金属22和第三谐振器底层金属23。第二金属层4包括第一谐振器中层金属41、第二谐振器中层金属42和第三谐振器中层金属43。第三金属层6包括传输线主线60，第一电阻61、第二电阻62、第三电阻63、第一谐振器表层金属64、第二谐振器表层金属65和第三谐振器表层金属66。传输线主线60为中间凸起的条状结构，第一电阻61和第三电阻63设置于传输线主线60凸起左右两条边上，所述第二电阻62设置于凸起上，第一谐振器表层金属64连接于第一电阻61，第二谐振器表层金属65连接于第二电阻62，第三谐振器表层金属66连接于第三电阻63。在本实施例中，传输线主线60采用微带线形式。顶层表面制作微带线作为传输线主线，各个谐振器间微带线长约四分之波长中心频率，调整微带线宽度以调节阻抗匹配。吸收能量的电阻也直接制作在顶层表面，可以减小电阻的寄生参量，同时也解决其散热问题。

第一谐振器表层金属64、第一谐振器中层金属41、第一谐振器底层金属21、第二谐振器表层金属65、第二谐振器中层金属42、第二谐振器底层金属22、第三谐振器表层金属66、第三谐振器中层金属43和第三谐振器底层金属23均由一横部和与横部垂直连接的两竖部构成，呈π型结构。其中，第一谐振器表层金属64、第二谐振器表层金属65、第三谐振器表层金属66的横部分别与第一电阻61、第二电阻62、第三电阻63相连接。如图3所示，第一谐振器表层金属64、第一谐振器中层金属41和第一谐振器底层金属21垂直方向上位置相对应，且第一谐振器表层金属64和第一谐振器底层金属21的横部位于同一端，第一谐振器中层金属41的横部在另一端，三者竖部位置完全对应。第二谐振器表层金属65、第二谐振器中层金属42和第二谐振器底层金属22垂直方向上位置相对应，且第二谐振器表层金属65和第二谐振器底层金属22的横部在同一端，第二谐振器中层金属42的横部在另一端，三者竖部位置完全对应。第三谐振器表层金属66、第三谐振器中层金属43和第三谐振器底层金属23垂直方向上位置相对应，且第三谐振器表层金属66和第三谐振器底层金属23的横部在同一端，第三谐振器中层金属43的横部在另一端，三者竖部位置完全对应。

第一介质层1包括第一介质基板10，第一介质基板10呈板状，以及呈两行三列分布设置于第一介质基板10两侧的第一金属化通孔阵列11、第二金属化通孔阵列12、第三金属化通孔阵列13、第四金属化通孔阵列14、第五金属化通孔阵列15和第六金属化通孔阵列16。第一金属化通孔阵列11、第五金属化通孔阵列15、第三金属化通孔阵列13成一行设置于第一介质基板10的一侧，第五金属化通孔阵列15位于中间，第一金属化通孔阵列11和第三金属化通孔阵列13位于第五金属化通孔阵列15的两侧，第四金属化通孔阵列14、第二金属化通孔阵列12和第六金属化通孔阵列16对应第一金属化通孔阵列11、第五金属化通孔阵列15、第三金属化通孔阵列13的位置，设置于第一介质基板10的另一侧，第二金属化通孔阵列12位于中间，第四金属化通孔阵列14和第六金属化通孔阵列16位于第二金属化通孔阵列12的两侧。

第二介质层3包括第二介质基板30，第二介质基板30呈板状，以及呈三角分布设置于介质基板3两侧的第一金属化通孔阵列31、第二金属化通孔阵列32和第三金属化通孔阵列33，第二金属化通孔阵列32位于第二介质基板30一侧的中部，第一金属化通孔阵列31和第三金属化通孔阵列33位于第二介质基板30另一侧的两端。

第三介质层5包括第三介质基板50，呈板状。

第一金属化通孔阵列11、第二金属化通孔阵列12、第三金属化通孔阵列13、第四金属化通孔阵列14、第五金属化通孔阵列15、第六金属化通孔阵列16、第一金属化通孔阵列31、第二金属化通孔阵列32和第三金属化通孔阵列33均由两个圆柱形金属化通孔构成。第一金属化通孔阵列31和第一金属化通孔阵列11在垂直方向上位置相对应。第二金属化通孔阵列32和第二金属化通孔阵列12垂直方向上位置相对应。第三金属化通孔阵列33和第三金属化通孔阵列13垂直方向上位置相对应。

此外，第一谐振器中层金属41的横部对应于第一金属化通孔阵列31所在位置，第二谐振器中层金属42的横部对应于第二金属化通孔阵列32所在位置，第三谐振器中层金属43对应第三金属化通孔阵列33所在位置。第一谐振器底层金属21的横部对应第四金属化通孔阵列14所在位置，第二谐振器底层金属22的横部对应第五金属化通孔阵列15所在位置，第三谐振器底层金属23的横部对应第六金属化通孔阵列16所在位置。

第一谐振器表层金属64与第三介质基板50、第一谐振器中层金属41、第一金属化通孔阵列31、第一谐振器底层金属21、第一金属化通孔阵列11、第四金属化通孔阵列14以及虚拟金属板00构成第一左右手复合谐振器。第二谐振器表层金属65与第三介质基板50、第二谐振器中层金属42、第二金属化通孔阵列32、第二谐振器底层金属22、第二金属化通孔阵列12、第五金属化通孔阵列15以及虚拟金属板00构成第二左右手复合谐振器。第三谐振器表层金属66与第三介质基板50、第三谐振器中层金属43、第三金属化通孔阵列33、第三谐振器底层金属23、第三金属化通孔阵列13、第六金属化通孔阵列16以及虚拟金属板00构成第三左右手复合谐振器。复合左右手结构的LTCC谐振器由于其独特的相位特性，在同等性能指标下，基于复合左右手传输线结构的谐振器具有比传统右手传输线结构谐振器更小的体积。

以下对本发明基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器的工作过程做详细的描述，以进一步展示本发明的工作原理和优点。

能量由增益均衡器的一端流入，沿传输线主线60流动，当能量传到第一电阻61时，第一左右手复合谐振器(涉及标号64、41、31、21、11、14)谐振频率及其附近的一部分能量通过第一电阻61，在第一左右手复合谐振器内激起电磁振荡，耦合进来的能量由电阻61吸收，非第一左右手复合谐振器谐振频率及其谐振频率附近的能量将不流过薄膜电阻61，而是继续向前行进；

当能量传到第二电阻62时，第二左右手复合谐振器(涉及标号65、42、32、22、12、15)谐振频率及其附近的一部分能量通过电阻62，在第二左右手复合谐振器内激起电磁振荡，耦合进来的能量由电阻62吸收，非第二左右手复合谐振器谐振频率及其谐振频率附近的能量将不流过电阻62，而是继续向前行进；

当能量传到第三电阻63时，工作原理与前面所述类似。

最后沿传输线主线60传输出来的能量可以实现在不同频率点上的不同大小的能量衰减。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于复合左右手结构的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：包括由下及上依次层叠的金属接地层(0)、第一介质层(1)、第一金属层(2)、第二介质层(3)、第二金属层(4)、第三介质层(5)以及第三金属层(6)，所述第一介质层(1)和第二介质层(3)均设有金属化通孔，所述金属接地层(0)、第一金属层(2)、第二金属层(4)以及第三金属层(6)使用LTCC工艺印制于介质层的表面，并与金属化通孔构成三个左右手复合谐振器。

2.根据权利要求1所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述第三金属层(6)包括传输线主线(60)，第一电阻(61)、第二电阻(62)、第三电阻(63)，所述传输线主线(60)为中间凸起的条状结构，所述第一电阻(61)和第三电阻(63)设置于传输线主线(60)凸起左右两条边上，所述第二电阻(62)设置于凸起上，还包括分别与第一电阻(61)、第二电阻(62)、第三电阻(63)相连的第一谐振器表层金属(64)、第二谐振器表层金属(65)和第三谐振器表层金属(66)。

3.根据权利要求2所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述第一金属层(2)包括第一谐振器底层金属(21)、第二谐振器底层金属(22)和第三谐振器底层金属(23)，所述第二金属层(4)包括第一谐振器中层金属(41)、第二谐振器中层金属(42)和第三谐振器中层金属(43)。

4.根据权利要求3所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述第一介质层(1)包括第一介质基板(10)，以及呈两行三列分布设置于第一介质基板(10)上的第一金属化通孔阵列(11)、第二金属化通孔阵列(12)、第三金属化通孔阵列(13)、第四金属化通孔阵列(14)、第五金属化通孔阵列(15)和第六金属化通孔阵列(16)，所述第二金属化通孔阵列(12)和第五金属化通孔阵列(15)分别位于第一介质基板(10)中部；所述第二介质层(3)包括第二介质基板(30)，以及呈三角形分布设置于介质基板(3)上的第一金属化通孔阵列(31)、第二金属化通孔阵列(32)和第三金属化通孔阵列(33)，所述第二金属化通孔阵列(32)位于第二介质基板(30)一侧中部，所述第二金属化通孔阵列(32)和第三金属化通孔阵列(33)位于第二介质基板(30)另一侧的两端。

5.根据权利要求4所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述第一谐振器表层金属(64)与第三介质层(5)、第一谐振器中层金属(41)、第一金属化通孔阵列(31)、第一谐振器底层金属(21)、第一金属化通孔阵列(11)、第四金属化通孔阵列(14)以及金属接地层(0)构成第一左右手复合谐振器，所述第二谐振器表层金属(65)与第三介质层(5)、第二谐振器中层金属(42)、第二金属化通孔阵列(32)、第二谐振器底层金属(22)、第二金属化通孔阵列(12)、第五金属化通孔阵列(15)以及金属接地层(0)构成第二左右手复合谐振器，所述第三谐振器表层金属(66)与第三介质层(5)、第三谐振器中层金属(43)、第三金属化通孔阵列(33)、第三谐振器底层金属(23)、第三金属化通孔阵列(13)、第六金属化通孔阵列(16)以及金属接地层(0)构成第三左右手复合谐振器。

6.根据权利要求1-5任一所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述第三介质层(5)包括第三介质基板(50)，呈板状。

7.根据权利要求1-5任一所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述金属接地层(0)包括虚拟金属板(00)，呈板状。

8.根据权利要求1-5任一所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述的第一金属化通孔阵列(11)、第二金属化通孔阵列(12)、第三金属化通孔阵列(13)、第四金属化通孔阵列(14)、第五金属化通孔阵列(15)、第六金属化通孔阵列(16)、第一金属化通孔阵列(31)、第二金属化通孔阵列(32)和第三金属化通孔阵列(33)均由两个圆柱形金属化通孔构成。

9.根据权利要求1-5任一所述的LTCC小型化功率增益均衡器，其特征在于：所述传输线主线(60)采用微带线形式。