CN107845852A - 一种复合基片式微带环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合基片式微带环行器，包括铁氧体基片和介质基片组成的铁氧体‑介质基片；所述介质基片上设置有通孔；所述铁氧体基片固定在介质基片上的通孔中；所述铁氧体‑介质基片的上下表面都镀覆有金属层，其中上表面设置有微带电路，下表面设置有连续的金属层；所述微带电路中的环行结区微带电路设置于铁氧体基片上；所述微带电路中的匹配微带电路设置于介质基片上；所述微带电路的上方设置有陶瓷垫片和永磁体；所述铁氧体‑介质基片被固定于金属底座上。本发明的复合基片式微带环行器，相比于传统的全铁氧体基片式微带环行器，具有体积小和损耗低的优势，适用于表面贴装和高度集成化的微波电路中。

Description

一种复合基片式微带环行器
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，涉及一种复合基片式微带环行器。
背景技术
微波环行器作为一种多端口无源器件，是微波收发系统中的重要组成部分，其在实现微波信号发射和环行接收的同时，对反向传输的微波信号进行隔离，起到稳定和保护微波发射电路的作用。随着微波系统向高集成度方向发展，微带铁氧体环行器因其平面化、小型化的结构特点，成为铁氧体环行器的一个重要分支，广泛应用于雷达、微波通信和微波测量等领域。
目前，绝大多数的微带环行器都是将单一的旋磁铁氧体薄片作为基底(称为全铁氧体基片式微带环行器)，基底的下表面沉积有连续的金属薄膜，基底的上表面制备有微带电路。在全铁氧体基片式微带环行器中，旋磁铁氧体既参与微波信号的环行，又充当匹配微带线中的匹配介质。为了实现微带环行器的小型化，提高铁氧体基片的介电常数是一个重要手段。然而，在保证铁氧体基片旋磁性能的前提下，铁氧体基片的介电常数通常不超过20。这种情况下，铁氧体基片的介电参数会限制微带环行器中匹配电路尺寸的压缩，不利于微带环行器的小型化。
中国专利201220642184.8公开了一种嵌入式微带环行器，其在微波介质材料上制备未贯通的平底孔，将微带电路制备在微波介质材料上，将铁氧体片嵌入微波介质材料上的平底孔中，获得了一种非全铁氧体基片式微带环行器。该环行器无需通过蒸镀或溅射工艺制备金属薄膜，降低了器件的制作成本，同时提高了器件的可集成度和环境适应能力。中国专利201010227245.X公开了一种集成微带环行器，其采用铁磁金属纳米线和三氧化二铝作为复合介质，实现了一种非全铁氧体基片式微带环行器。该环行器具有自偏置磁性特质，能够显著减小环行器的体积和重量。但是，上述两种形式的非全铁氧体基片式微带环行器并没有很好的解决器件小型化和高性能的需求，因此有必要寻求更加有效的方法来解决这些问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合基片式微带环行器，减小微带环行器的体积和损耗，以实现小型化和高性能的微带环行器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种复合基片式微带环行器，包括：
铁氧体-介质基片，所述铁氧体-介质基片包括铁氧体基片和介质基片，所述介质基片上具有用于容纳铁氧体基片的通孔，所述铁氧体基片固定在介质基片上的通孔中；
金属层，所述金属层为两层，分别设置在所述铁氧体-介质基片的上下表面上，其中位于上表面的金属层上具有微带电路，位于下表面的金属层为连续的金属层；
陶瓷垫片，所述陶瓷垫片连接在微带电路的上方；
永磁体，所述永磁铁连接在陶瓷垫片的上方；
金属底座，所述金属底座与铁氧体-介质基片的下表面固定连接。
进一步的，所述微带电路包括环行结区微带电路和匹配微带电路，所述环行结区微带电路对应设置在铁氧体基片上，所述匹配微带电路对应设置在介质基片上。
进一步的，所述介质基片由微波陶瓷材料或半导体材料制成。其中，微波陶瓷材料是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷；半导体材料是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
进一步的，所述介质基片上的通孔的加工方式为：激光加工、机械钻孔加工或干/湿法刻蚀加工。
进一步的，所述铁氧体基片通过封接玻璃共烧工艺或胶粘工艺固定于介质基片上的通孔中。
进一步的，所述铁氧体-介质基片的上下表面在镀覆金属层之前采用抛光技术打磨处理，以适用于表面金属薄膜制备；即所述铁氧体-介质基片的上下表面在经过抛光技术打磨处理后再进行金属层的镀覆。
进一步的，所述金属层通过金属镀膜的方式镀覆在铁氧体-介质基片上；所述微带电路通过光刻的方式制备在金属层上。
进一步的，所述陶瓷垫片通过胶粘固定于微带电路上方。
进一步的，所述永磁体通过胶粘固定于陶瓷垫片的上方。
进一步的，所述铁氧体-介质基片下表面的金属层通过胶粘或焊接固定于金属底座上。
本发明相比于现有技术有如下有益效果：一、通过选用高介电常数的介质基片，能够显著压缩器件中匹配微带线的尺寸，实现器件的小型化；二、相比于全铁氧体基片，铁氧体基片周围的介质基片中不存在磁损耗，能够降低器件的损耗；三、通过封接玻璃共烧工艺或胶粘工艺将铁氧体基片固定于介质基片上的通孔中，能够保证铁氧体基片与介质基片的紧密结合，实现铁氧体基片与介质基片的一体化成型，相比于将铁氧体片嵌入微波介质材料上的平底孔中，后续的微带电路制备及器件组装更加简便，有利于器件的批量生产。
附图说明
图1为本发明的一种复合基片式微带环行器的分解结构示意图；
图2为本发明的一种复合基片式微带环行器的正面示意图；
图3为本发明的另一种复合基片式微带环行器的分解结构示意图；
图4为本发明的另一种复合基片式微带环行器的正面示意图。
附图标记说明：
1.金属底座，2.铁氧体基片，3.介质基片，4.通孔，5.微带电路，51.环行结区微带电路，52.匹配微带电路，6.陶瓷垫片，7.永磁体。
具体实施方式
以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施的限制。
一种复合基片式微带环行器，如图1～4所示，包括铁氧体基片和介质基片组成的铁氧体-介质基片；所述介质基片上设置有通孔；所述铁氧体基片固定在介质基片上的通孔中；所述铁氧体-介质基片的上下表面都镀覆有金属层，其中上表面设置有微带电路，下表面设置有连续的金属层；所述微带电路中的环行结区微带电路设置于铁氧体基片上；所述微带电路中的匹配微带电路设置于介质基片上；所述微带电路的上方设置有陶瓷垫片和永磁体；所述铁氧体-介质基片被固定于金属底座上。
具体的，本发明的介质基片上设置有圆形的通孔，圆形的铁氧体基片被嵌入通孔内；所述铁氧体基片与介质基片的缝隙内填有封接玻璃，通过低温共烧，铁氧体基片与介质基片上通孔的内壁固定；所述铁氧体-介质基片的上下表面通过抛光技术打磨处理，以适用于表面金属薄膜的制备；所述铁氧体-介质基片的上下表面通过金属镀膜和光刻技术分别设置有微带电路和连续的金属层，其中环行结区微带电路设置于铁氧体基片上，匹配微带电路设置于介质基片上。
本发明的复合基片式微带环行器，与传统的全铁氧体基片微带环行器相比，具有小型化和低损耗的优势。本发明通过采用高介电常数的介质基片，能够显著压缩器件中匹配微带线的尺寸，实现器件的小型化。此外，相比于全铁氧体基片，铁氧体基片周围的介质基片中不存在磁损耗，能够降低器件的损耗。
在本发明中，所述介质基片由陶瓷材料或半导体材料制成。所述陶瓷材料可以但不限定为氧化铝、钛酸镁或高介电常数复合陶瓷；所述半导体材料可以但不限定为硅、锗或碳化硅。所述介质基片上的通孔可以采用激光加工或机械钻孔加工或干/湿法刻蚀加工的方式实现。如此，可以采用多种方式将通孔加工成型，提高了加工方式的选择性。具体的，当选用氧化铝、钛酸镁或高介电常数复合陶瓷作为介质基片时，能够通过激光加工或机械钻孔加工实现通孔成型；当选用硅、锗、碳化硅等半导体材料作为介质基片时，能够通过干法/湿法腐蚀工艺实现通孔成型。
在本发明中，所述陶瓷垫片通过胶粘固定于铁氧体-介质基片上表面的微带电路上方；所述永磁体通过胶粘固定于陶瓷垫片的上方；所述铁氧体-介质基片的下表面通过焊接被固定于金属底座上，从而将铁氧体-介质基片、陶瓷垫片和永磁体固定于金属底座上。
下面通过具体的实施例说明本发明的复合基片式微带环行器的实施效果，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
如图1和图2所示，具体实施的复合基片式微带环行器工作在C波段，中心频率4.5GHz；复合基片中的介质基片由高介电常数复合陶瓷制成，介质基片厚度为0.5mm，介质基片的介电常数约为40；所述介质基片上的通孔采用机械钻孔技术制备，通孔为圆形，直径3.05mm；复合基片中的铁氧体基片呈圆形，直径3mm，介电常数13，饱和磁化强度1500Gs。
制备过程中，圆形的铁氧体基片被嵌入介质基片上的通孔内，封接玻璃被填入铁氧体基片与介质基片的缝隙内，通过低温共烧，铁氧体基片与介质基片上通孔的内壁固定。铁氧体-介质基片的上下表面通过抛光技术打磨处理，以适用于后续的表面金属薄膜的制备。
微带电路5，根据电磁仿真结果在铁氧体-介质基片上采用金属镀膜和光刻技术制备。如图2所示的微带电路5，环行结区微带电路51设置于铁氧体基片上，为圆盘形；匹配微带电路52设置于介质基片上，由3节线性渐变的匹配电路组成。
器件装配时，陶瓷垫片通过胶粘固定于铁氧体-介质基片上表面的微带电路上方；所述永磁体通过胶粘固定于陶瓷垫片的上方；所述铁氧体-介质基片的下表面通过焊接被固定于金属底座上，从而将铁氧体-介质基片、陶瓷垫片和永磁体固定于金属底座上。
上述复合基片式微带环行器的性能指标如下表：
通常，工作频率在4～5GHz的全铁氧体基片式微带环行器的尺寸为10mm×10mm，损耗为0.35dB左右。采用本发明的复合基片式微带环行器，相比于全铁氧体基片式微带环行器，器件的尺寸压缩了20％，损耗减小了0.1dB(即损耗减小了30％左右)。
实施例二：
如图3和图4所示，具体实施的复合基片式微带环行器工作在X波段，中心频率9.5GHz；复合基片中的介质基片由高介电常数复合陶瓷制成，介质基片厚度为0.5mm，介质基片的介电常数约为40；所述介质基片上的通孔采用机械钻孔技术制备，通孔为圆形，直径1.65mm；复合基片中的铁氧体基片呈圆形，直径1.6mm，介电常数12.5，饱和磁化强度2200Gs。
制备过程中，圆形的铁氧体基片被嵌入介质基片上的通孔内，封接玻璃被填入铁氧体基片与介质基片的缝隙内，通过低温共烧，铁氧体基片与介质基片上通孔的内壁固定。铁氧体-介质基片的上下表面通过抛光技术打磨处理，以适用于后续的表面金属薄膜的制备。
微带电路5，根据电磁仿真结果在铁氧体-介质基片上采用金属镀膜和光刻技术制备。如图4所示的微带电路5，环行结区微带电路51设置于铁氧体基片上，为双Y结；匹配微带电路52设置于介质基片上，由3节线性渐变的匹配电路组成。
器件装配时，陶瓷垫片通过胶粘固定于铁氧体-介质基片上表面的微带电路上方；所述永磁体通过胶粘固定于陶瓷垫片的上方；所述铁氧体-介质基片的下表面通过焊接被固定于金属底座上，从而将铁氧体-介质基片、陶瓷垫片和永磁体固定于金属底座上。
上述复合基片式微带环行器的性能指标如下表：
工作频率 9GHz～10GHz
插入损耗 ≤0.3dB
隔离度 ≥20dB
驻波系数 ≤1.2dB
温度范围 -55℃～85℃
器件尺寸 4mm×4mm
通常，工作频率在9～10GHz的全铁氧体基片式微带环行器的尺寸为6mm×6mm，损耗为0.4dB左右。采用本发明的复合基片式微带环行器，相比于全铁氧体基片式微带环行器，器件的尺寸压缩了33％，损耗减小了0.1dB(损耗减小了25％左右)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合基片式微带环行器，其特征在于，包括：
铁氧体-介质基片，所述铁氧体-介质基片包括铁氧体基片和介质基片，所述介质基片上具有用于容纳铁氧体基片的通孔，所述铁氧体基片固定在介质基片上的通孔中；
金属层，所述金属层为两层，分别设置在所述铁氧体-介质基片的上下表面上，其中位于上表面的金属层上具有微带电路，位于下表面的金属层为连续的金属层；
陶瓷垫片，所述陶瓷垫片连接在微带电路的上方；
永磁体，所述永磁铁连接在陶瓷垫片的上方；
金属底座，所述金属底座与铁氧体-介质基片的下表面固定连接。
2.根据权利要求1所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述微带电路包括环行结区微带电路和匹配微带电路，所述环行结区微带电路对应设置在铁氧体基片上，所述匹配微带电路对应设置在介质基片上。
3.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述介质基片由微波陶瓷材料或半导体材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述介质基片上的通孔的加工方式为：激光加工、机械钻孔加工或干/湿法刻蚀加工。
5.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述铁氧体基片通过封接玻璃共烧工艺或胶粘工艺固定于介质基片上的通孔中。
6.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述铁氧体-介质基片的上下表面在镀覆金属层之前采用抛光技术打磨处理。
7.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述金属层通过金属镀膜的方式镀覆在铁氧体-介质基片上；所述微带电路通过光刻的方式制备在金属层上。
8.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述陶瓷垫片通过胶粘固定于微带电路的上方；所述永磁体通过胶粘固定于陶瓷垫片的上方。
9.根据权利要求1或2所述的复合基片式微带环行器，其特征在于，所述铁氧体-介质基片下表面的金属层通过胶粘或焊接固定于金属底座上。
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