CN110729968B - 太赫兹倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太赫兹倍频器，属于太赫兹器件领域，包括金属外壳、设于金属外壳内腔中的电路基板、设于电路基板上且依次连接的输入波导结构、滤波电路结构、第一匹配电路结构、倍频芯片、第二匹配电路结构及输出波导结构，金属外壳上与电路基板对应的第二类压点处设有第二热膨胀适配层，第二热膨胀适配层包括与金属外壳一体设置的适配基板及设于适配基板上且开口方向平行于电路基板板面的多个适配通孔，适配基板还与电路基板连接。本发明提供的太赫兹倍频器通过多空板状结构能有效释放电路基板与金属外壳之间的应力，可以有效改善电路基板与金属外壳之间的热膨胀失配，进而使电路基板的使用稳定性得到有效提升。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，更具体地说，是涉及一种太赫兹倍频器。
背景技术
太赫兹波是指频率范围在0.1THz-10THz内的电磁波，具有非常优秀的特性，能够广泛应用在安检、医疗、航天、检测等领域。太赫兹倍频器可以将低频的电磁波进行倍频形成太赫兹波，是获得太赫兹波的核心器件。由于太赫兹倍频器中的电路基板与金属外壳内腔之间存在较大的热膨胀系数失配，导致电路基板的使用性能不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹倍频器，以解决现有技术中存在的电路基板与金属外壳内腔之间存在较大的热膨胀系数失配，导致电路基板的使用性能不稳定的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种太赫兹倍频器，包括：金属外壳、设于所述金属外壳内腔中的电路基板、设于所述电路基板上且依次连接的输入波导结构、滤波电路结构、第一匹配电路结构、倍频芯片、第二匹配电路结构及输出波导结构，所述金属外壳上与所述电路基板对应的第二类压点处设有第二热膨胀适配层，所述第二热膨胀适配层包括与所述金属外壳一体设置的适配基板及设于所述适配基板上且开口方向平行于所述电路基板板面的多个适配通孔，所述适配基板还与所述电路基板连接。
在一个实施例中，所述适配通孔包括圆孔、椭圆孔、多边形孔中的一种或多种的组合。
在一个实施例中，多个所述适配通孔的分布方式包括矩形阵列式分布、环形阵列式分布或不规则分布中的一种或多种的组合。
在一个实施例中，所述适配通孔的内径为10nm-10μm，所述适配通孔的深度大于1μm。
在一个实施例中，所述电路基板的上板面与所述倍频芯片对应的第一类压点处设有第一热膨胀适配层，所述第一热膨胀适配层为多层复合材料调节层。
在一个实施例中，所述第一热膨胀适配层包括从上至下层叠分布的第一铜层、第一钼层及第二铜层。
在一个实施例中，所述电路基板与所述第二热膨胀适配层之间还设有第三热膨胀适配层，所述第三热膨胀适配层为多层复合材料调节层。
在一个实施例中，所述第三热膨胀适配层包括从上至下层叠分布的第三铜层、第二钼层及第四铜层。
在一个实施例中，所述倍频芯片与所述电路基板之间还设有第四热膨胀适配层，所述第四热膨胀适配层为金属层。
在一个实施例中，所述第四热膨胀适配层为锡层、钼层或钨层中的一种。
本发明提供的太赫兹倍频器的有益效果在于：与现有技术相比，本发明太赫兹倍频器，在电路基板第二类压点处设置第二热膨胀适配层，第二热膨胀适配层与金属外壳一体设置，并在第二热膨胀适配层的适配基板上设置适配通孔，使第二热膨胀适配层为多孔板状构件，通过多空板状结构能有效释放电路基板与金属外壳之间的应力，可以有效改善电路基板与金属外壳之间的热膨胀失配，进而使电路基板的使用稳定性得到有效提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的太赫兹倍频器的内部结构俯视图；
图2为本发明一实施例提供的太赫兹倍频器的A-A剖视图；
图3为本发明另一实施例采用的太赫兹倍频器的剖视图；
图4为图3的B部放大图；
图5为图3中第二热膨胀适配层的俯视图。
其中，图中各附图标记：
1-金属外壳；2-电路基板；3-输入波导结构；4-滤波电路结构；5-第一匹配电路结构；6-倍频芯片；7-第二匹配电路结构；8-输出波导结构；9-第一热膨胀适配层；901-第一铜层；902-第一钼层；903-第二铜层；10-第二热膨胀适配层；1001-适配基板；1002-适配通孔；11-第三热膨胀适配层；1101-第三铜层；1102-第二钼层；1103-第四铜层；12-第四热膨胀适配层；13-波导-悬置带线过渡结构；14-悬置带线-波导过渡结构；15-键合丝；16-焊料层
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的太赫兹倍频器进行说明。所述太赫兹倍频器，包括金属外壳1、设于金属外壳1内腔中的电路基板2、设于电路基板2上且依次连接的输入波导结构3、滤波电路结构4、第一匹配电路结构5、倍频芯片6、第二匹配电路结构7及输出波导结构8，金属外壳1上与电路基板2对应的第二类压点处设有第二热膨胀适配层10，第二热膨胀适配层10包括与金属外壳1一体设置的适配基板1001及设于适配基板1001上且开口方向平行于电路基板2板面的多个适配通孔1002，适配基板1001还与电路基板2连接。
本发明提供的太赫兹倍频器，与现有技术相比，在电路基板2第二类压点处设置第二热膨胀适配层10，第二热膨胀适配层10与金属外壳1一体设置，并在第二热膨胀适配层10的适配基板1001上设置适配通孔1002，使第二热膨胀适配层10为多孔板状构件，通过多空板状结构能有效释放电路基板2与金属外壳1之间的应力，可以有效改善电路基板2与金属外壳1之间的热膨胀失配，进而使电路基板2的使用稳定性得到有效提升。
其中，每个适配通孔1002的中轴均相互平行。
其中，第二热膨胀适配层10的材质可以与金属外壳1的材质一致，即可直接在金属外壳1上加工出第二热膨胀适配层10的多孔结构；其材质也可以与金属外壳1不一致，保证第二热膨胀适配层10与金属外壳1是一体设置的即可。
具体地，电路基板2为采用石英、蓝宝石、碳化硅、氮化铝或金刚石等绝缘体加工成的片状矩形基板，基板上加工有电容、电阻、电感、传输线、过渡结构以及压点等电路基本元件，以组成给倍频芯片6加电的电路。
具体地，倍频芯片6采用半导体非线性器件芯片，可以是GaAs、GaN、InP、Si、SiC、ZnO、Ga2O3、AlN、InN等常见的半导体的二极管或三极管芯片。
具体地，金属外壳1为采用Cu、Al、Au、Ag等金属加工成的零件，内部设有空腔结构。
具体地，倍频芯片6与电路基板2之间的辅助连接采用焊料或导电胶实现；倍频芯片6与金属外壳1之间的辅助连接采用焊料或导电胶实现。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，适配通孔1002包括圆孔、椭圆孔、多边形孔中的一种或多种的组合。当适配通孔1002分布的足够密集的时候，适配通孔1002的形状对其释放应力的效力影响不明显，因此，适配通孔1002的选择有多种，可根据实际使用及制造要求设置。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，多个适配通孔1002的分布方式包括矩形阵列式分布、环形阵列式分布或不规则分布中的一种或多种的组合。矩形阵列、环形阵列等规则排列方式便于加工制造，同时应力在第二热膨胀适配层10上分散均匀，能够达到快速释放应力的效果。不规则的排列方式能使第二热膨胀适配层10的结构强度更高，延长使用寿命。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为了保证多孔结构的应力释放能力，适配通孔1002的内径为10nm-10μm，适配通孔1002的深度大于1μm。适配通孔1002的深度即第二热膨胀适配层10的厚度。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为进一步改善电路基板2与倍频芯片6之间的热膨胀适配性，电路基板2的上板面与倍频芯片6对应的第一类压点处设有第一热膨胀适配层9。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，第一热膨胀适配层为多层复合材料调节层。多层复合材料调节层利用其层叠设置的多层结构，通过不同材料之间的热膨胀性能、导电性能、导热性能的组合，能达到比单一层状材料更好的综合物理性能，进而有利于提高器件的整体性能。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，第一热膨胀适配层9包括从上至下层叠分布的第一铜层901、第一钼层902及第二铜层903。
第一热膨胀适配层9实际上是铜钼铜(Cu/Mo/Cu)材料，为一种三明治结构的平板复合材料，可采用纯钼做芯材，双面再覆以纯铜或者弥散强化铜，属于金属基平面层状复合型材料。中间的钼层为低膨胀材料，两侧的铜层为高导电导热的材料层。其热膨胀系数可调，热导率高，耐高温性能优异。
作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为了保证热膨胀适配的可靠性，同时尽量不占用更多的内部空间，第一热膨胀适配层9的厚度为10nm-100μm。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为进一步改善电路基板2与金属外壳1之间的热膨胀适配性，电路基板2与第二热膨胀适配层10之间还设有第三热膨胀适配层11，第三热膨胀适配层为多层复合材料调节层。多层复合材料调节层利用其层叠设置的多层结构，通过不同材料之间的热膨胀性能、导电性能、导热性能的组合，能达到比单一层状材料更好的综合物理性能，进而有利于提高器件的整体性能。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，第三热膨胀适配层11包括从上至下层叠分布的第三铜层1101、第二钼层1102及第四铜层1103。
第三热膨胀适配层11实际上是铜钼铜(Cu/Mo/Cu)材料，为一种三明治结构的平板复合材料，可采用纯钼做芯材，双面再覆以纯铜或者弥散强化铜，属于金属基平面层状复合型材料。中间的钼层为低膨胀材料，两侧的铜层为高导电导热的材料层。其热膨胀系数可调，热导率高，耐高温性能优异。
作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为了保证热膨胀适配的可靠性，同时尽量不占用更多的内部空间，第三热膨胀适配层11的厚度为10nm-100μm。
具体地，电路基板2与第二热膨胀适配层10之间可通过焊料层16直接连接；或者，第二热膨胀适配层10与电路基板2之间设置有第三热膨胀适配层11，通过第二热膨胀适配层10和第三热膨胀适配层11的叠加使用达到更好的改善热膨胀适配性的效果。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为进一步提高倍频芯片6和电路基板2之间的热膨胀适配性，倍频芯片6与电路基板2之间还设有第四热膨胀适配层12，第四热膨胀适配层12为金属层。金属材料韧性好，具有导电性，热膨胀系数也比较低，更适合作为器件的适配层。
其中，第四热膨胀适配层12与倍频芯片6之间可通过焊料层16直接连接；或者，第四热膨胀适配层12与倍频芯片6之间设置有第一热膨胀适配层9，通过第四热膨胀适配层12和第一热膨胀适配层9的叠加使用达到更好的改善热膨胀适配性的效果。
请参阅图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，第四热膨胀适配层12为锡层、钼层或钨层中的一种。其热膨胀系数能满足使用需求，且导热性能和结构稳定性也较好。
作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，为了保证热膨胀适配的可靠性，同时尽量不占用更多的内部空间，第四热膨胀适配层12的厚度为10nm-100μm。
请参阅图1，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，滤波电路结构4通过延伸至输入波导结构3内的波导-悬置带线过渡结构13与输入波导结构3连接。
请参阅图1，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，第二匹配电路结构7通过延伸至输出波导结构8内的悬置带线-波导过渡结构14与输出波导结构8连接。
请参阅图1及图2，作为本发明提供的太赫兹倍频器的一种具体实施方式，第四热膨胀适配层12上设有与金属外壳1连接的键合丝15。
工作时低频信号由输入波导结构3进入，通过波导-悬置带线过渡结构13进入悬置微带线，通过滤波电路结构4、第一匹配电路结构5进入倍频芯片6，形成高次谐波，高次谐波经第二匹配电路结构7、悬置带线-波导过渡结构14进入输出波导结构8，并由输出波导结构8输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.太赫兹倍频器，其特征在于：包括金属外壳、设于所述金属外壳内腔中的电路基板、设于所述电路基板上且依次连接的输入波导结构、滤波电路结构、第一匹配电路结构、倍频芯片、第二匹配电路结构及输出波导结构，所述金属外壳上与所述电路基板对应的第二类压点处设有第二热膨胀适配层，所述第二热膨胀适配层包括与所述金属外壳一体设置的适配基板及设于所述适配基板上且开口方向平行于所述电路基板板面的多个适配通孔，所述适配基板还与所述电路基板连接；所述倍频芯片与所述电路基板之间还设有第四热膨胀适配层，所述第四热膨胀适配层为金属层；所述第四热膨胀适配层与所述倍频芯片之间设置有第一热膨胀适配层，所述第一热膨胀适配层为多层复合材料调节层。
2.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于：所述适配通孔包括圆孔、椭圆孔、多边形孔中的一种或多种的组合。
3.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于：多个所述适配通孔的分布方式包括矩形阵列式分布、环形阵列式分布或不规则分布中的一种或多种的组合。
4.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于：所述适配通孔的内径为10nm-10μm，所述适配通孔的深度大于1μm。
5.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于：所述第一热膨胀适配层包括从上至下层叠分布的第一铜层、第一钼层及第二铜层。
6.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于：所述电路基板与所述第二热膨胀适配层之间还设有第三热膨胀适配层，所述第三热膨胀适配层为多层复合材料调节层。
7.如权利要求6所述的太赫兹倍频器，其特征在于：所述第三热膨胀适配层包括从上至下层叠分布的第三铜层、第二钼层及第四铜层。
8.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于：所述第四热膨胀适配层为锡层、钼层或钨层中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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