CN107919516B - 一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，包括从上往下依次层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四金属层。本发明可以实现对谐振频率的宽调谐功能，同时，与相同结构的微带、基片集成波导结构相比，实现了结构的小型化，这就使得以基片集成同轴线谐振器为基础的滤波器或者振荡器实现宽调谐和小型化成为可能。

Description

一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器

技术领域

本发明涉及微波毫米波无源器件，特别是涉及一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器。

背景技术

随着现在毫米波电路与系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标要求越来越高，同时也要求体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、宽带化、低成本方向发展。其中，微波毫米波系统的小型化和宽带化是建立在单个元器件的小型化和宽带化的基础上的，因此设计单个微波器件的小型化和宽带化是电路设计的关键。

谐振器是构成微波电路的基础元件，它可以用来设计各种滤波器和振荡器。传统的谐振器有石英晶体谐振器、介质谐振器和波导腔体谐振器等等，它们因具有较高的Q值而被广泛的使用，但是由于它们具有三维的结构，很难与标准的印制板电路(PCB)集成在一起。基于微带线结构的谐振器具有平面电路的特点，所以其很容易实现整个系统的集成。但是，微带平面结构的谐振器由于是一个半封闭的结构，其辐射损耗较大，品质因数较低，特别是在高频段，很少使用微带结构的谐振器。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术是近十几年提出的一种集成于介质基片的具有低插入损耗、低辐射、高功率容量等特性的新的波导结构，它是由介质基片上下表面的金属覆层、侧面的金属化孔阵列和其中所围的介质共同构成。它不仅可以实现有源和无源的集成，使得毫米波系统小型化，甚至可以把毫米波系统制作在一个封装上，从而降低器件和系统的制作成本。基片集成波导的特性和矩形波导十分类似，它等效于减高的矩形波导，所以由基片集成波导制成的谐振器，不仅具有高Q值、高功率容量、易于集成等优点，同时基片集成波导结构由两排金属化通孔阵列构成，所以这种结构可以利用PCB或者LTCC工艺实现，并且可以和微带电路完美集成。

目前，基于基片集成波导技术的谐振器具有一个致命的缺陷，即占用PCB面积较大。特别是在低频段，十分不利于系统的小型化。同时，现有的谐振器其工作带宽十分有限，限制了它在宽带系统中的使用。因此，为了克服以上两个不足，急需提出一种新的谐振器结构，不仅具有小型化的特点，而且具有宽带特性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够克服现有技术中存在的缺陷的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，包括从上往下依次层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四金属层，第一金属层上设有变容二极管以及对称的第一微带线和第二微带线，第三金属层上设有U型谐振单元，U型谐振单元两侧设有对称的第一同轴耦合线和第二同轴耦合线，第一同轴耦合线通过贯穿第一金属层至第四金属层的第一信号孔连接第一微带线，第二同轴耦合线通过贯穿第一金属层至第四金属层的第二信号孔连接第二微带线，变容二极管的阴极端还连接贯穿第一金属层至第四金属层的第三信号孔，所述压控谐振器还包括贯穿第二金属层至第四金属层的屏蔽孔，屏蔽孔包围着U型谐振单元、第一同轴耦合线和第二同轴耦合线组成的整体。

进一步，所述第一信号孔、第二信号孔和第三信号孔各自的周围都设有贯穿第一金属层至第四金属层的屏蔽孔。

进一步，所述U型谐振单元的长度等于工作波长的一半。

进一步，所述第一同轴耦合线和第二同轴耦合线的长度为工作波长的四分之一。

进一步，所述第一信号孔、第二信号孔、第三信号孔和所有屏蔽孔的内壁金属化，形状为圆柱或者长方体。

进一步，所述所有屏蔽孔都用金属化矩形长槽替代。

进一步，所述第二金属层和第四金属层上与第三信号孔正对的位置处分别设有第一反焊盘和第二反焊盘。

进一步，所述第二金属层和第四金属层上与第一信号孔正对的位置处分别设有第三反焊盘和第四反焊盘，第二金属层和第四金属层上与第二信号孔正对的位置处分别设有第五反焊盘和第六反焊盘。

有益效果：本发明公开了一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，可以实现对谐振频率的宽调谐功能，同时，与相同结构的微带、基片集成波导结构相比，实现了结构的小型化，这就使得以基片集成同轴线谐振器为基础的滤波器或者振荡器实现宽调谐和小型化成为可能。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中压控谐振器的侧视图；

图2为本发明具体实施方式中压控谐振器的第一金属层上的电路图案；

图3为本发明具体实施方式中压控谐振器的第二金属层上的电路图案；

图4为本发明具体实施方式中压控谐振器的第三金属层上的电路图案；

图5为本发明具体实施方式中压控谐振器的第四金属层上的电路图案；

图6为本发明具体实施方式中压控谐振器的整体结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，如图1所示，包括从上往下依次层叠的第一金属层11、第一介质层12、第二金属层13、第二介质层14、第三金属层15、第三介质层16和第四金属层17，如图6所示，第一金属层11上设有变容二极管8以及对称的第一微带线21和第二微带线22，第三金属层上设有U型谐振单元6，U型谐振单元6两侧设有对称的第一同轴耦合线41和第二同轴耦合线42，第一同轴耦合线41通过贯穿第一金属层11至第四金属层17的第一信号孔31连接第一微带线21，第二同轴耦合线42通过贯穿第一金属层11至第四金属层17的第二信号孔32连接第二微带线22，变容二极管的阴极端9还连接贯穿第一金属层11至第四金属层17的第三信号孔33，压控谐振器还包括贯穿第二金属层13至第四金属层17的第四屏蔽孔5，第四屏蔽孔5包围着U型谐振单元6、第一同轴耦合线41和第二同轴耦合线42组成的整体。第一信号孔31、第二信号孔32和第三信号孔33各自的周围都设有贯穿第一金属层11至第四金属层17的屏蔽孔，分别为第一屏蔽孔1111、第二屏蔽孔1112和第三屏蔽孔1113，如图2所示。U型谐振单元6的长度等于工作波长的一半。第一同轴耦合线41和第二同轴耦合线42的长度为工作波长的四分之一。第二金属层13和第四金属层17上与第三信号孔33正对的位置处分别设有第一反焊盘111和第二反焊盘112，如图3和图5所示。第二金属层13和第四金属层17上与第一信号孔31正对的位置处分别设有第三反焊盘101和第四反焊盘103，第二金属层13和第四金属层17上与第二信号孔32正对的位置处分别设有第五反焊盘102和第六反焊盘104，如图3和图5所示。

下面对压控谐振器的设计思路和具体尺寸进行介绍：

由于基片集成同轴线与传统的同轴线的传播模式十分类似，所以可以将二者等效起来。传统同轴线的特征阻抗与同轴线内外导体的比值和内外导体之间填充的介质有关。本具体实施方式中，基片集成同轴线的填充介质为第二介质层14和第三介质层16，介质为Rogers RT/Duroid5880，厚度都为0.508mm，其内导体为第一同轴耦合线41和第二同轴耦合线42，第一同轴耦合线41和第二同轴耦合线42宽度均为w1，内导体两侧的第四屏蔽孔5的间距为s0，通过调整w1与s0的比值，使得基片集成同轴线的特征阻抗为50欧姆。

在毫米波频段，常用PCB工艺结构下，第四屏蔽孔5的直径d一般取0.3mm-1mm，间距p一般取0.6-2mm，这样才能保证从通孔缝隙泄露的能量最小，同时，第一信号孔31、第二信号孔32、第三信号孔33和所有屏蔽孔的内壁均金属化，形状为圆柱或者长方体，其中，第四屏蔽孔5甚至可以用金属化矩形长槽替代。

一般来讲，可以用来作为传输线谐振器的结构有很多，其中短路半波长传输线、短路四分之一波长传输线和开路半波长传输线都是常用的谐振器结构。本具体实施方式中，采用开路半波长谐振传输线结构作为谐振器的尺寸，其目的在于实现调谐功能。在低频段，开路半波长谐振传输线结构占用了较大的面积，因此，处于对电路尺寸小型化的构想，本具体实施方式中采用U型谐振单元6，其PCB面积可以减少为原来的一半。同时，U型谐振单元6两臂之间的间距为2w1。

本具体实施方式中采用平行侧边耦合结构来设计谐振器的耦合输入输出电路，第一同轴耦合线41和第二同轴耦合线42的长度均为l，第一同轴耦合线41和U型谐振单元6的间距为s，第二同轴耦合线42和U型谐振单元6的间距也为s，耦合强度可以通过调节耦合长度l和耦合间距s进行调节，如图4和图6所示。

由于基片集成同轴线的信号是在第三金属层15中间传输，而第一微带线21和第二微带线22却在第一金属层11，参考附图2所示，二者的互连通过第一信号孔31和第二信号孔32进行互连，必然，第一信号孔31和第二信号孔32会穿过第二金属层13和第四金属层17，参考附图3和图5所示，所以，必须在第二金属层13和第四金属层17上分别开一个直径为r1的第三反焊盘101和第五反焊盘102。为了减少此过渡结构的引入带来的阻抗不匹配问题，需要在第一信号孔31和第二信号孔32四周分别放置第一屏蔽孔1111和第二屏蔽孔1112，第一屏蔽孔1111和第二屏蔽孔1112分别紧挨着相应的反焊盘。对该过渡结构模型在三维电磁场仿真软件中(如CST、High Frequency Structure Simulator(HFSS)、Advanced DesignSystem(ADS)等)进行建模并全波仿真与调谐优化，优化变量为第一信号孔31的直径和第三反焊盘101的直径r1，优化目标为设计的目标频率带宽内的S参数(散射参数)中的S11幅值很小(一股低于-20dB以下)，S21幅值较大(一般应大于-l dB)。表明该过渡电路回波损耗较大，插入损耗较小。即可以确定该过渡结构的具体尺寸参数。

U型谐振单元6的谐振频率取决于其长度，要想改变其谐振频率，可以通过在U型谐振单元6开路末端加载变容二极管8的方式实现调谐。参考附图1，变容二极管8放置在第一金属层11上，变容二极管的阳极端7通过金属化通孔接地，变容二极管的阴极端9通过第三信号孔33和U型谐振单元6的末端相连，同时在第二金属层13和第四金属层17上分别开了一个直径为r2的第一反焊盘111和第二反焊盘112。通过优化第三信号孔33的直径和第一反焊盘111的大小来减少此过渡电路的反射损耗。附图6清楚地展示了本发明的整体结构电路图。

通过本发明提供的方法和电路结构，可以实现小型化和宽带化的基片集成同轴线谐振器，同时也为基于基片集成同轴线的滤波器和振荡器的小型化和宽带化提供了一个参考。

Claims (8)

1.一种宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：包括从上往下依次层叠的第一金属层(11)、第一介质层(12)、第二金属层(13)、第二介质层(14)、第三金属层(15)、第三介质层(16)和第四金属层(17)，第一金属层(11)上设有变容二极管(8)以及对称的第一微带线(21)和第二微带线(22)，第三金属层上设有U型谐振单元(6)，U型谐振单元(6)两侧设有对称的第一同轴耦合线(41)和第二同轴耦合线(42)，第一同轴耦合线(41)通过贯穿第一金属层(11)至第四金属层(17)的第一信号孔(31)连接第一微带线(21)，第二同轴耦合线(42)通过贯穿第一金属层(11)至第四金属层(17)的第二信号孔(32)连接第二微带线(22)，变容二极管的阳极端(7)通过金属化通孔接地，变容二极管的阴极端(9)通过第三信号孔(33)与U型谐振单元(6)末端相连，变容二极管的阴极端(9)还连接贯穿第一金属层(11)至第四金属层(17)的第三信号孔(33)，所述压控谐振器还包括贯穿第二金属层(13)至第四金属层(17)的屏蔽孔，屏蔽孔包围着U型谐振单元(6)、第一同轴耦合线(41)和第二同轴耦合线(42)组成的整体。

2.根据权利要求1所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述第一信号孔(31)、第二信号孔(32)和第三信号孔(33)各自的周围都设有贯穿第一金属层(11)至第四金属层(17)的屏蔽孔。

3.根据权利要求1所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述U型谐振单元(6)的长度等于工作波长的一半。

4.根据权利要求1所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述第一同轴耦合线(41)和第二同轴耦合线(42)的长度为工作波长的四分之一。

5.根据权利要求2所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述第一信号孔(31)、第二信号孔(32)、第三信号孔(33)和所有屏蔽孔的内壁金属化，形状为圆柱或者长方体。

6.根据权利要求5所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述所有屏蔽孔都用金属化矩形长槽替代。

7.根据权利要求1所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述第二金属层(13)和第四金属层(17)上与第三信号孔(33)正对的位置处分别设有第一反焊盘(111)和第二反焊盘(112)。

8.根据权利要求1所述的宽带小型化基片集成同轴线压控谐振器，其特征在于：所述第二金属层(13)和第四金属层(17)上与第一信号孔(31)正对的位置处分别设有第三反焊盘(101)和第四反焊盘(103)，第二金属层(13)和第四金属层(17)上与第二信号孔(32)正对的位置处分别设有第五反焊盘(102)和第六反焊盘(104)。