CN110676551B - 一种具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法，属于太赫兹模块技术领域，包括射频连接器、微带板与模块壳体，所述射频连接器包括内导体，所述内导体设置在所述射频连接器的内部，所述微带板设置在所述模块壳体上，所述模块壳体内部设置有用于改变微带同轴转换的传输特性的空气腔，所述空气腔设置在所述微带板的下方，所述内导体与所述微带线连接。本发明通过对微波仿真和微组装工艺的研究，改变了微带同轴转换结构，优化了射频绝缘子包金带的互联方法，解决了微带同轴转换结构插入损耗过大和性能不稳定的问题，达到了理想的效果，值得被推广使用。

Description

一种具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法
技术领域
本发明涉及太赫兹模块技术领域，具体涉及一种具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法。
背景技术
近年来太赫兹频段在安检安防、无损检测等领域的应用越来越广泛，太赫兹频段的核心器件比如混频器、倍频器等模块的研究得到了快速发展。太赫兹模块的变频损耗一方面来自于芯片的内部匹配，另一方面来自中频信号微带同轴转换的插入损耗。
插入损耗过大是限制太赫兹模块性能指标的主要因素之一，传统的射频绝缘子包金带方法的性能指标受自身结构的限制，以及受微组装工艺的影响，性能不稳定，传输效率不高，插入损耗起伏较大,为此，提出具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何降低太赫兹模块中微带同轴转换结构的插入损耗，提供了一种具有空气腔的微带同轴转换结构，该结构通过对微波仿真和微组装工艺的研究，改变了微带同轴转换结构，优化了射频绝缘子包金带的互联方法，解决了微带同轴转换结构插入损耗过大和性能不稳定的问题，达到了理想的效果。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括射频连接器、微带板与模块壳体，所述射频连接器包括内导体，所述内导体设置在所述射频连接器的内部，所述微带板设置在所述模块壳体上，所述模块壳体内部设置有用于改变微带同轴转换的传输特性的空气腔，所述空气腔设置在所述微带板的下方，所述内导体与所述微带线连接。由于在模块壳体的内部靠近微带板的下方开设一个空气腔，该空气腔能够有效地改善微带同轴转换的传输特性，使整个微带同轴转换结构的插入损耗大大降低，起伏也更小。
更进一步的，所述微带同轴转换结构还包括导电带，所述内导体通过所述导电带与所述微带线连接。
更进一步的，所述导电带为金带，所述金带缠绕在所述内导体的端部，所述金带缠绕后形成椭圆环状，所述金带的下部与所述微带线连接。
更进一步的，所述射频连接器还包括射频绝缘子，所述射频绝缘子的外导体与所述模块壳体并联后接地，所述内导体轴向贯穿所述射频绝缘子设置。
本发明还提供了一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，包括以下步骤：
S1：射频连接器的选择与装配
选择射频连接器，将射频连接器的射频绝缘子安装到模块壳体上，利用金带将内导体与微带线连接，形成初步微带同轴转换结构；
S2：仿真初步微带同轴转换结构的微波特性，设置空气腔并进行匹配
建立初步微带同轴转换结构的三维电磁仿真模型，在该仿真模型中，在微带板下方模块壳体的内部设置一个空气腔，利用仿真工具对步骤S1中的初步微带同轴转换结构的微波特性进行仿真分析，从而确定空气腔的参数，从而形成最终的微带同轴转换结构；
S3：设计微组装工艺的装配过程
对步骤S2中的微带同轴转换结构的微组装工艺的装配过程进行设计，提高装配的一致性。
更进一步的，在所述步骤S1中，将射频绝缘子安装到模块壳体上之前，先在所述外导体上均匀地涂抹一层导电胶，再将所述外导体安装到所述模块壳体内部后，最后将导电胶固化。在外导体上均匀的涂抹一层适量的导电胶，安装到模块壳体后，让导电胶充分固化，从而有效地避免因焊料过少没有填充侧壁的空隙或焊料过多进入空气腔对传输特性产生的不利影响。
更进一步的，在所述步骤S1中，所述射频绝缘子的阻抗特性由射频绝缘子的尺寸决定、玻璃的介电常数决定。
更进一步的，在所述步骤S1中，在所述射频绝缘子与所述微带板的连接处引入补偿间隙，用于调整由装配引入的不连续性。
更进一步的，在所述步骤S2中，有空气腔匹配时在0～40GHz频带内最终微带同轴转换结构的插入损耗小于没有空气腔匹配时在0～40GHz频带内初步微带同轴转换结构的插入损耗。
更进一步的，在所述步骤S3中，所述微带同轴转换结构的微组装工艺的装配过程包括以下步骤：
S31：取一小段金带，将金带焊接在微带线上；
S32：使用导电胶将射频绝缘子外导体粘接在模块壳体里并将其固化；
S33：将金带缠绕在内导体的外部，使金带形成椭圆环状；
S34：截去金带多余的长度，将金带连接在内导体上。
本发明相比现有技术具有以下优点：该具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法，由于在模块壳体的内部靠近微带板的下方开设一个空气腔，该空气腔能够有效地改善微带同轴转换的传输特性，使整个微带同轴转换结构的插入损耗大大降低，起伏也更小；并且在外导体上均匀的涂抹一层适量的导电胶，安装到模块壳体后，让导电胶充分固化，从而有效地避免因焊料过少没有填充侧壁的空隙或焊料过多进入空气腔对传输特性产生的不利影响；最后，通过引入补偿间隙尽可能地消除了由于射频连接器装配而带来的不连续性，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例一中微带同轴转换结构的结构示意图；
图2是本发明实施例一中微带同轴转换结构互联方法的实施流程示意图；
图3是本发明实施例二中射频绝缘子包金带结构的三维电磁仿真模型；
图4是本发明实施例二中为空气腔对微带同轴转换传输特性的影响曲线；
图5是本发明实施例二中金带反向压接的示意图。
图1与图5中：1、模块壳体；2、射频绝缘子；3、内导体；4、微带板；5、微带线；6、金带；7、补偿间隙；8、空气腔。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种具有空气腔8的微带同轴转换结构，包括射频连接器、微带板4与模块壳体1，所述射频连接器包括内导体3，所述内导体3设置在所述射频连接器的内部，所述微带板4设置在所述模块壳体1上，所述模块壳体1内部设置有用于改变微带同轴转换的传输特性的空气腔8，所述空气腔8设置在所述微带板4的下方，所述内导体3与所述微带线5连接。由于在模块壳体1的内部靠近微带板4的下方开设一个空气腔8，该空气腔8能够有效地改善微带同轴转换的传输特性，使整个微带同轴转换结构的插入损耗大大降低，起伏也更小。
所述微带同轴转换结构还包括导电带，所述内导体3通过所述导电带与所述微带线5连接。
所述导电带为金带6，所述金带6缠绕在所述内导体3的端部，所述金带6缠绕后形成椭圆环状，所述金带6的下部与所述微带线5连接。
所述射频连接器还包括射频绝缘子2，所述射频绝缘子2的外导体与所述模块壳体1并联后接地，所述内导体3轴向贯穿所述射频绝缘子2设置。
如图2所述，本实施例还提供了一种具有空气腔8的微带同轴转换结构互联方法，包括以下步骤：
S1：射频连接器的选择与装配
选择射频连接器，将射频连接器的射频绝缘子2安装到模块壳体1上，利用金带6将内导体3与微带线5连接，形成初步微带同轴转换结构；
S2：仿真初步微带同轴转换结构的微波特性，设置空气腔8并进行匹配
建立初步微带同轴转换结构的三维电磁仿真模型，在该仿真模型中，在微带板4下方模块壳体1的内部设置一个空气腔8，利用仿真工具对步骤S1中的初步微带同轴转换结构的微波特性进行仿真分析，从而确定空气腔8的参数，从而形成最终的微带同轴转换结构；
S3：设计微组装工艺的装配过程
对步骤S2中的微带同轴转换结构的微组装工艺的装配过程进行设计，提高装配的一致性。
在所述步骤S1中，将射频绝缘子2安装到模块壳体1上之前，先在所述外导体上均匀地涂抹一层导电胶，再将所述外导体安装到所述模块壳体1内部后，最后将导电胶固化。在外导体上均匀的涂抹一层适量的导电胶，安装到模块壳体1后，让导电胶充分固化，从而有效地避免因焊料过少没有填充侧壁的空隙或焊料过多进入空气腔8对传输特性产生的不利影响。
在所述步骤S1中，所述射频绝缘子2的阻抗特性由射频绝缘子2的尺寸决定、玻璃的介电常数决定。
在所述步骤S1中，在所述射频绝缘子2与所述微带板4的连接处引入补偿间隙7，用于调整由装配引入的不连续性。
在所述步骤S2中，有空气腔8匹配时在0～40GHz频带内最终微带同轴转换结构的插入损耗小于没有空气腔8匹配时在0～40GHz频带内初步微带同轴转换结构的插入损耗。
在所述步骤S3中，所述微带同轴转换结构的微组装工艺的装配过程包括以下步骤：
S31：取一小段金带6，将金带6焊接在微带线5上；
S32：使用导电胶将射频绝缘子2的外导体粘接在模块壳体1里并将其固化；
S33：将金带6缠绕在内导体3的外部，使金带6形成椭圆环状；
S34：截去金带6多余的长度，将金带6焊接在内导体3上。
实施例二
本实施例提供了一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，包括如下步骤：
第一步：射频连接器的选择与装配。射频连接器选择40GHz、2.92mm、可拆卸式连接器，该射频连接器包括射频绝缘子与内导体。选用的是外导体直径为D＝1.93mm，内导体直径为d＝0.3mm，介电常数为4.1的射频绝缘子，模块壳体为不锈钢SU303制作而成，内导体为铍青铜，表面镀金，该模块壳体为太赫兹模块的壳体。
射频绝缘子本身的阻抗特性，由射频绝缘子的尺寸决定(如外导体直径D、内导体直径d)、玻璃的介电常数等决定，装配引入的不连续性，可以由补偿间隙进行调整。射频绝缘子本身的阻抗特性和装配引入的不连续性，都会对传输特性产生影响。微带板上的射频绝缘子安装孔的同轴度，对传输特性也有较大影响。使用时可依据射频连接器厂家的推荐的公差尺寸精度进行设计。
射频绝缘子外导体与模块壳体的钎焊质量也影响传输特性，如果焊料过少没有填充外导体与模块壳体之间的空隙，或焊料过多进入空气腔，都会影响驻波比。为了达到良好的钎焊效果，选择导电胶H20E，预先在射频绝缘子外导体上均匀的涂抹一层适量的导电胶，安装到模块壳体后，放到120℃的烘箱里烘烤1小时，让导电胶充分固化。
第二步：使用三维仿真软件仿真射频绝缘子包金带结构的微波特性，找出影响因素，并进行匹配。如图3所示，为射频绝缘子包金带结构的三维电磁仿真模型，图中方形阴影即为空气腔所在位置。该方法选用的微带板是介电常数为3.8的石英微带板，石英介质的厚度是0.1mm,表面镀厚度为2um的金。射频绝缘子内导体伸出模块壳体的长度为1mm，金带的环绕半径为0.275mm。
如图4所示，为空气腔对微带同轴转换的传输特性的影响，通过仿真可知，在微带板下方挖一个空气腔，能够有效改善微带同轴转换的传输特性。经过仿真优化，确定空气腔的宽度0.6mm、深度0.5mm。
由于空气腔上方的微带板没有接地，这部分微带线的特性阻抗发生改变，阻止了微波在微带板的传播，促使微波从金带传播到射频连接器的内导体，减小了反射系数，提高了传输效率。
当有空气腔匹配时，在0～40GHz频带内微带同轴转换(背靠背)的插入损耗小于0.5dB；当没有空气腔时，在0～40GHz频带内微带同轴转换(背靠背)的插入损耗小于2dB，且起伏很大。
第三步：射频绝缘子包金带工艺装配方法。
如图5所示，该方法使用金带反向压接的方法将微带线与内导体实现互联。具体操作步骤如下：
取一小段金带6，使用电阻焊工艺将金带6压接在微带线5的合适位置；
使用导电胶将射频绝缘子2的外导体粘接在模块壳体1里，放在烘箱固化；
将金带6从下往上拨，缠绕在内导体3上，使金带6形成椭圆环状；
用手术刀割掉金带6多余的长度，用劈刀将金带6压接在内导体3上，形成稳定的椭圆形；
使用电阻焊工艺将金带6焊接在内导体3上。
综上所述，上述两组实施例中的具有空气腔的微带同轴转换结构及其互联方法，由于在模块壳体的内部靠近微带板的下方开设一个空气腔，该空气腔能够有效地改善微带同轴转换的传输特性，使整个微带同轴转换结构的插入损耗大大降低，起伏也更小；并且在外导体上均匀的涂抹一层适量的导电胶，安装到模块壳体后，让导电胶充分固化，从而有效地避免因焊料过少没有填充侧壁的空隙或焊料过多进入空气腔对传输特性产生的不利影响；最后，通过引入补偿间隙尽可能地消除了由于射频连接器装配而带来的不连续性，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种具有空气腔的微带同轴转换结构，其特征在于：包括射频连接器、微带板与模块壳体，所述射频连接器包括内导体，所述内导体设置在所述射频连接器的内部，所述微带板设置在所述模块壳体上，所述模块壳体内部设置有用于改变微带同轴转换的传输特性的空气腔，所述空气腔设置在所述微带板的下方，所述内导体与所述微带板 连接；
所述微带同轴转换结构还包括导电带，所述内导体通过所述导电带与所述微带板 连接；
所述导电带为金带，所述金带缠绕在所述内导体的端部，所述金带缠绕后形成椭圆环状，所述金带的下部与所述微带板 连接；
使用金带反向压接的方式将微带板 与内导体实现互联，具体操作步骤如下：
取一小段金带，使用电阻焊工艺将金带压接在微带板 的合适位置；
使用导电胶将射频绝缘子的外导体粘接在模块壳体里，放在烘箱固化；
将金带从下往上拨，缠绕在内导体上，使金带形成椭圆环状；
用手术刀割掉金带多余的长度，用劈刀将金带压接在内导体上，形成稳定的椭圆形；
使用电阻焊工艺将金带焊接在内导体上。
2.根据权利要求1所述的一种具有空气腔的微带同轴转换结构，其特征在于：所述射频连接器还包括射频绝缘子，所述射频绝缘子的外导体与所述模块壳体并联后接地，所述内导体轴向贯穿所述射频绝缘子设置。
3.一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，其特征在于，用于通过如权利要求1或2所述的微带同轴转换结构进行微带同轴互联工作，包括以下步骤：
S1：射频连接器的选择与装配
选择射频连接器，将射频连接器的射频绝缘子安装到模块壳体上，利用金带将内导体与微带板 连接，形成初步微带同轴转换结构；
S2：仿真初步微带同轴转换结构的微波特性，设置空气腔并进行匹配
建立初步微带同轴转换结构的三维电磁仿真模型，在该仿真模型中，在微带板下方模块壳体的内部设置一个空气腔，利用仿真工具对步骤S1中的初步微带同轴转换结构的微波特性进行仿真分析，从而确定空气腔的参数，从而形成最终的微带同轴转换结构；
S3：设计微组装工艺的装配过程
对步骤S2中的微带同轴转换结构的微组装工艺的装配过程进行设计，提高装配的一致性。
4.根据权利要求3所述的一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，其特征在于：在所述步骤S1中，将射频绝缘子安装到模块壳体上之前，先在所述外导体上均匀地涂抹一层导电胶，再将所述外导体安装到所述模块壳体内部后，最后将导电胶固化。
5.根据权利要求3所述的一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述射频绝缘子的阻抗特性由射频绝缘子的尺寸决定、玻璃的介电常数决定。
6.根据权利要求3所述的一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，其特征在于：在所述步骤S1中，在所述射频绝缘子与所述微带板的连接处引入补偿间隙，用于调整由装配引入的不连续性。
7.根据权利要求3所述的一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，其特征在于：在所述步骤S2中，有空气腔匹配时在0～40GHz频带内最终微带同轴转换结构的插入损耗小于没有空气腔匹配时在0～40GHz频带内初步微带同轴转换结构的插入损耗。
8.根据权利要求3所述的一种具有空气腔的微带同轴转换结构互联方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述微带同轴转换结构的微组装工艺的装配过程包括以下步骤：
S31：取一小段金带，将金带焊接在微带板 上；
S32：使用导电胶将射频绝缘子外导体粘接在模块壳体里并将其固化；
S33：将金带缠绕在内导体的外部，使金带形成椭圆环状；
S34：截去金带多余的长度，将金带连接在内导体上。
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