CN115664364B - 基于厚薄膜电路的大功率限幅器及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器及实现方法，属于微波射频技术，本方案将限幅器的器件分层布局，薄膜电路层与第1层厚膜电路之间设有由两个空白陶瓷基板构成的牺牲层组，牺牲层组顶面设有薄膜基板，薄膜电路层位于薄膜基板上；相邻两层之间设有一陶瓷介质板；比较器、微带定向耦合器、检波二极管、扼流线圈、PIN限幅二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容布局在第1层薄膜电路上；电感、电阻、负载布局在中间的一层厚膜电路上；最后一层厚膜电路的底面设有一钼铜金属层，从薄膜电路层到钼铜金属层，贯通设置有多个散热孔。本方案极大减小限幅器尺寸和重量，并且具有更好的散热性能，从而器件稳定性更强。

Description

基于厚薄膜电路的大功率限幅器及实现方法

技术领域

本申请属于微波射频技术，涉及限幅器，尤其涉及一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器及实现方法。

背景技术

限幅器广泛用于雷达接收机前端，作为无线通信系统的保护装置，使得低噪放、混频器等敏感性较强的器件免受大功率微波信号的损坏。限幅器根据是否提供外部偏置信号可分为有源和无源两大类。前者体积较大，需要供电，电路设计复杂，容易引入干扰信号，特别是系统断电时无法提供保护功能；后者电路结构简单，体积小，无论系统供电与否，均可实现功率限幅作用。

大功率限幅器除了最基本的结构，常使用耦合、检波 、控制的方式为限幅二极管提供外加偏置。现有的大功率限幅器实现方式多是二维结构，一般会将电路中需要的各器件设置在电路板或基板上，通过电路板的线路或光刻的线路进行连接，这样一方面整个器件所占面积或体积较大，并不能满足当前对于射频器件往小型化高度集成方向发展的需求，另一方面其散热相对集中，需要设置较为庞大的散热器来使用，进一步增加了体积，同时热集中会容易导致局部膨胀等变形，可能会对信号传输的造成影响效果。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本申请提供一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器及实现方法，通过多层厚膜电路结合陶瓷基板、牺牲层结构、钼铜金属层构建，将限幅器电路中的器件分层布局，并通过导通过孔进行电气和信号导通以及向不同层分布热耗，不仅极大减小限幅器尺寸和重量，并且具有更好的散热性能，从而器件稳定性更强。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器，所述限幅器包括比较器、微带定向耦合器、电感、扼流线圈，比较器两个输入端分别连接检波二极管负极端和外部参考电平，检波二极管正极端连接地，微带定向耦合器的输入端连接信号输入，耦合端连接比较器的输出端，直通输出端连接第三电容，隔离端连接50欧姆匹配负载，第三电容通过第一微带线与第五电容一端相连，PIN限幅二极管正极端、扼流线圈一端跨连在第一微带线上，第五电容另一端信号输出，PIN限幅二极管负极端接地，匹配负载连接第二电容，第二电容连接地，电感一端跨连在微带定向耦合器的下半部微带上，另一端通过第二微带线连接电阻，第一电容一端跨连在第二微带线上，另一端接地，电阻通过第三微带线连接扼流线圈另一端，第四电容一端跨连在第三微带线上，第四电容另一端接地。

限幅器布局于自上而下叠设的一层薄膜电路层和多层厚膜电路中，薄膜电路层与第1层厚膜电路之间设有由两个空白陶瓷基板构成的牺牲层组，牺牲层组顶面设有薄膜基板，薄膜电路层位于薄膜基板上；相邻两层厚膜电路之间设有一陶瓷介质板；

比较器、微带定向耦合器、检波二极管、扼流线圈、PIN限幅二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容布局在薄膜电路层上；

电感、电阻、负载布局在中间的一层厚膜电路上；

最后一层厚膜电路的底面设有一钼铜金属层，从薄膜电路层到钼铜金属层，贯通设置有多个散热孔。

进一步，牺牲层组的表面经过减薄、打磨、抛光处理为平整面，薄膜基板形成于平整面上，薄膜电路层通过镀薄膜方式形成于薄膜基板上。

一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器的实现方法，包括步骤：

S1、提供2个空白陶瓷基板，将其粘合在一起构成牺牲层，在牺牲层顶面设置薄膜基板，在薄膜基板顶面加工出薄膜电路层，获得表层组，并对表层组加工出导通过孔和散热孔；

S2、在薄膜电路层上设置比较器、微带定向耦合器、检波二极管、扼流线圈、PIN限幅二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一微带线、第二微带线、第三微带线，并使比较器的一个输入端连接检波二极管负极端，另一个输入端用于连接外部参考电平，检波二极管正极端连接地，微带定向耦合器的输入端用于连接信号输入，耦合端连接比较器的输出端，直通输出端连接第三电容，第三电容通过第一微带线与第五电容一端相连，PIN限幅二极管正极端、扼流线圈一端跨连在第一微带线上，第五电容另一端信号输出，PIN限幅二极管负极端接地，第四电容一端跨连在第三微带上，第四电容另一端接地，第一电容一端跨连在第二微带线上，另一端接地；

S3、提供4个顶面具有厚膜电路层的陶瓷介质板，依次为第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板，根据设计需求加工出相应导通过孔和散热孔，在第四介质板底面设置底层厚膜电路；

S6、在第二介质板的厚膜电路上设置电感、电阻、50欧姆匹配负载，电感、电阻、负载的两端分别通过导通过孔连接到薄膜电路层上，并实现负载连接微带定向耦合器隔离端和第二电容一端之间，第二电容另一端接地，电感一端跨连在微带定向耦合器的下半部微带上，另一端通过第二微带线连接电阻，电阻通过第三微带线连接扼流线圈另一端；

S5、提供一钼铜金属层；

S6、将第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板按自上而下的顺序叠合，将表层组设于第一介质板上，将钼铜金属层叠于底层厚膜电路层下，并对齐相应的导通过孔和散热孔，烧结成型。

本发明有益效果在于：

1、通过将不同的器件设置在不同的层进行布局，实现了空间上的布局，将原来的二维结构转换为三维结构，可极大缩小体积尺寸及重量；可以分散由于集中布局引起的热耗集中问题；

2、厚膜由于加工精度不高、表面金属不平整，会给射频信号传输带来较大的损耗，在大功率信号下带来发热、射频线间打火、介质击穿等问题，本申请中表层采用ALN薄膜介质板，并且在ALN薄膜介质板下设置两层ALN厚膜基板作为牺牲层组，将其减薄、打磨、抛光后使得保持表面平整，消除厚膜烧制过程中由于受热不均带来的收缩、膨胀等弯曲问题，再在ALN薄膜介质板上面加工第1层薄膜电路的薄膜金属层，确保表面平整，即可解决厚膜表面金属不平整带来的问题，同时，薄膜工艺的高精度加工保证，也可以满足小型化的要求。薄膜介质板也是用ALN，即也保持整个系统基板材质的一致性，保持具有相同热膨胀系数、导热系数等，以保证良好叠合；

3、由于是在表面的薄膜金属层上进行微带线定向耦合器的设置，其线间距可以易于控制到较小的程度，具体加工精度可达到±5微米，通过薄膜电路直接印制在表面形成一体化电路，而不是将加工好的耦合器额外安装在电路表面，有利于散热，能够提升系统功率容量。

附图说明

图1是本申请实施例的大功率限幅器基本电路结构图。

图2是本申请实施例的限幅器布局于多层厚薄膜电路的爆炸结构视图。

图3是图2中的A部放大视图。

图4是本申请实施例的薄膜电路层至第2层厚膜电路的爆炸结构视图。

附图标记说明：101-检波二极管、102-PIN限幅二极管、121-第一电容、122-第二电容、123-第三电容、124-第四电容、125-第五电容、111-电感、112-扼流线圈、131-电阻、132-负载、11-薄膜电路层、12-第1层厚膜电路、13-第2层厚膜电路、14-第3层厚膜电路、15-第4层厚膜电路、16-第5层厚膜电路、21-薄膜基板、22-牺牲层组、31-第一介质板、32-第二介质板、33-第三介质板、34-第四介质板、4-散热孔、51-比较器、52-微带定向耦合器、53-第一微带线、54-第二微带线、55-第三微带线、61-第一接地过孔、62-第二接地过孔、63-第三接地过孔、7-钼铜金属层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例的一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其电路结构如图1所示，包括比较器51、微带定向耦合器52、电感111、扼流线圈112等。

在本实例中，比较器51两个输入端分别连接检波二极管101负极端和外部参考电平，检波二极管101正极端连接地，微带定向耦合器52的输入端连接信号输入，耦合端连接比较器51的输出端，直通输出端连接第三电容123，隔离端连接50欧姆匹配负载132，第三电容123通过第一微带线53与第五电容125一端相连，PIN限幅二极管102正极端、扼流线圈112一端跨连在第一微带线53上，第五电容125另一端信号输出，PIN限幅二极管102负极端接地，负载132连接第二电容122，第二电容122连接地，电感111一端跨连在微带定向耦合器52的下半部微带上，另一端通过第二微带线54连接电阻131，第一电容121一端跨连在第二微带线54上，另一端接地，电阻131通过第三微带线55连接扼流线圈112另一端，第四电容124一端跨连在第三微带线55上，第四电容124另一端接地。

在未设置比较器51时，检波二极管101直接连接到耦合端，当小功率信号输入时微带定向耦合器52的输入端，通过微带定向耦合器52耦合电流小于检波二极管101导通电流，信号直接通过第三电容123、第五电容125滤波后输出；当大功率信号输入时，通过微带定向耦合器52耦合电流大于检波二极管101导通电流，检波二极管101工作，提供一个检波电流，检波电流经过电阻131后转换成电压，经过扼流线圈112后为PIN限幅二极管102提供导通电压，PIN限幅二极管102开始工作，大功率信号被快速反射，起到限幅的防护效果。在本实例中，为了提供精确的限幅效果，在检波二极管101后面设置比较器51，通过改变比较器51的参考电压，可以精准的设计限幅器的限幅电平。

第一电容121、第二电容122和第四电容124阻止直流信号通过；负载132为50欧姆匹配负载，将可能出现的该方向传播信号吸收掉；电感111阻止高频信号通过。

本实例中，将上述限幅器布局在一层薄膜电路层11和多层厚膜电路结合的混合结构中，将二维电路变成三维高密度集成电路，如图2-图4所示：

混合结构中，自上而下，包括薄膜电路层11、第1层厚膜电路12、第2层厚膜电路13、第3层厚膜电路14、第4层厚膜电路15、第5层厚膜电路16。第5层厚膜电路16底面设有钼铜金属层7，钼铜金属层7连接到限幅器的金属壳体。

薄膜电路层11和第1层厚膜电路12之间设有由两个空白陶瓷基板（ALN厚膜基板）构成的牺牲层组22，牺牲层组22的表面经过减薄、打磨、抛光处理为平整面，顶面的平整面上形成有薄膜基板21，薄膜基板21为ALN薄膜介质板。薄膜电路层11为薄膜金属层，通过镀薄膜方式形成于薄膜基板21上。

相邻两层厚膜电路之间设有一陶瓷介质板，第1层厚膜电路12与第2层厚膜电路13之间为第一介质板31、第2层厚膜电路13之间与第3层厚膜电路14之间为第二介质板32、第3层厚膜电路14之间与第4层厚膜电路15之间为第三介质板33、第4层厚膜电路15与第5层厚膜电路16之间为第四介质板34。

第1层厚膜电路12、第3层厚膜电路14、第4层厚膜电路15为金属地层。第5层厚膜电路16为材质为钨的厚膜金属层。

本实例的限幅器的比较器51、微带定向耦合器52、检波二极管101、扼流线圈112、PIN限幅二极管102、第一电容121、第二电容122、第三电容123、第四电容124、第五电容125、第一微带线53、第二微带线54、第三微带线55布局在薄膜电路层11上；电感111、电阻131、负载132布局在第2层厚膜电路13上。在不同层之间的器件连接，通过导通过孔实现连接，其中，电感111、电阻131、负载132的两端分别通过导通过孔连接到薄膜电路层11。

通过将不同的器件设置在不同的层进行布局，实现了空间上的布局，将原来的二维结构转换为三维结构，可极大缩小体积尺寸及重量；可以分散集中布局引起的热耗集中问题。同时，将不同的接地，通过接地过孔连接到不同的层，比如检波二极管101正极端通过第一接地过孔61连接到第1层厚膜电路12上进行接地。PIN限幅二极管102负极端通过第二接地过孔62连接到第4层厚膜电路15上进行接地。第一电容121、第二电容122、第四电容124的接地通过第三接地过孔63连接到第3层厚膜电路14上，从而使得各器件件接地分开设置，有利于系统功率容量提升，同时，也可以避免相互干扰，提高整体电磁兼容性。

另外，本实例中的表层采用ALN薄膜介质板和薄膜金属层，并且在ALN薄膜介质板下设置两层ALN厚膜基板作为牺牲层组，将其减薄、打磨、抛光后使得保持表面平整，消除厚膜烧制过程中由于受热不均带来的收缩、膨胀等弯曲问题，平整后，ALN薄膜介质板和薄膜电路层11可以实现良好叠合。

优选的，在本实例中，从薄膜电路层11到钼铜金属层7，贯通设置有多个散热孔4，而钼铜金属层7是连接限幅的金属壳体的，通过金属化过孔穿通到表层实现系统散热向下传导，并经过钼铜金属层7向金属壳体传导，利于散热。同时，由于第5层厚膜电路16为钨材质的厚膜金属层，其热膨胀系数并不与金属壳体一致，无法达到理想的直接连接状态，通过钼铜金属层7的设置，不仅起到散热作用，还能很好的实现与金属壳体的相连。

本实例的限幅器的实现方法，包括如下步骤：

S1、提供2个空白陶瓷基板，将其粘合在一起构成牺牲层22，在牺牲层22顶面设置薄膜基板21，牺牲层组22的表面经过减薄、打磨、抛光处理为平整面，薄膜基板21形成于平整面上，通过镀薄膜方式在薄膜基板21上形成薄膜电路层11，获得表层组，并对表层组加工出导通过孔和散热孔4。

S2、在薄膜电路层11上设置比较器51、微带定向耦合器52、检波二极管101、扼流线圈112、PIN限幅二极管102、第一电容121、第二电容122、第三电容123、第四电容124、第五电容125、第一微带线53、第二微带线54、第三微带线55，并使比较器51的一个输入端连接检波二极管101负极端，另一个输入端用于连接外部参考电平，检波二极管101正极端连接地，微带定向耦合器52的输入端用于连接信号输入，耦合端连接比较器51的输出端，直通输出端连接第三电容123，第三电容123通过第一微带线53与第五电容125一端相连，PIN限幅二极管102正极端、扼流线圈112一端跨连在第一微带线53上，第五电容125另一端信号输出，PIN限幅二极管102负极端接地，第四电容124一端跨连在第三微带55上，第四电容124另一端接地，第一电容121一端跨连在第二微带线54上，另一端接地。除了采用第一微带线53、第二微带线54、第三微带线55进行相应器件的连接，其他连接关系通过键合金丝来实现。

S3、提供4个顶面具有厚膜电路层的陶瓷介质板，依次为第一介质板31、第二介质板32、第三介质板33、第四介质板34，根据设计需求加工出相应导通过孔和散热孔4，在第四介质板32底面设置底层厚膜电路。

S4、在第二介质板32的厚膜电路上设置电感111、电阻131、50欧姆匹配负载132，第二电容122另一端接地，电感111一端跨连在微带定向耦合器52的下半部微带上，另一端通过第二微带线54连接电阻131，电阻131通过第三微带线55连接扼流线圈112另一端。

S5、提供一钼铜金属层7。

S6、将第一介质板31、第二介质板32、第三介质板33、第四介质板34按自上而下的顺序叠合，将表层组设于第一介质板31上，将钼铜金属层7叠于底层厚膜电路层下，并对齐相应的导通过孔和散热孔4，烧结成型。成型后，散热孔从薄膜电路层连通至钼铜金属层，电感111、电阻131、负载132的两端分别通过导通过孔连接到薄膜电路层11上，并实现负载132连接微带定向耦合器52隔离端和第二电容122一端之间。

其中，部分导通过孔为接地过孔，成型后，检波二极管101正极端通过第一接地过孔61连接到第1层厚膜电路12上进行接地。PIN限幅二极管102负极端通过第二接地过孔62连接到第4层厚膜电路15上进行接地。第一电容121、第二电容122、第四电容124的接地通过第三接地过孔63连接到第3层厚膜电路14上。

S7、装配于金属壳体中，并钼铜金属层与金属壳体导通连接。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于：

所述限幅器包括比较器（51）、微带定向耦合器（52）、电感（111）、扼流线圈（112），比较器（51）两个输入端分别连接检波二极管（101）负极端和外部参考电平，检波二极管（101）正极端连接地，微带定向耦合器（52）的输入端连接信号输入，耦合端连接比较器（51）的输出端，直通输出端连接第三电容（123），隔离端连接50欧姆匹配负载（132），第三电容（123）通过第一微带线（53）与第五电容（125）一端相连，PIN限幅二极管（102）正极端、扼流线圈（112）一端跨连在第一微带线（53）上，第五电容（125）另一端信号输出，PIN限幅二极管（102）负极端接地，负载（132）连接第二电容（122），第二电容（122）连接地，电感（111）一端跨连在微带定向耦合器（52）的下半部微带上，另一端通过第二微带线（54）连接电阻（131），第一电容（121）一端跨连在第二微带线（54）上，另一端接地，电阻（131）通过第三微带线（55）连接扼流线圈（112）另一端，第四电容（124）一端跨连在第三微带线（55）上，第四电容（124）另一端接地；

所述限幅器布局于自上而下叠设的一层薄膜电路层（11）和多层厚膜电路中，薄膜电路层（11）与第1层厚膜电路之间设有由两个空白陶瓷基板构成的牺牲层组（22），牺牲层组（22）顶面设有薄膜基板（21），薄膜电路层（11）位于薄膜基板（21）上；相邻两层厚膜电路之间设有一陶瓷介质板；

比较器（51）、微带定向耦合器（52）、检波二极管（101）、扼流线圈（112）、PIN限幅二极管（102）、第一电容（121）、第二电容（122）、第三电容（123）、第四电容（124）、第五电容（125）、第一微带线（53）、第二微带线（54）、第三微带线（55）布局在薄膜电路层（11）上；

电感（111）、电阻（131）、负载（132）布局在中间的一层厚膜电路上；

最后一层厚膜电路的底面设有一钼铜金属层（7），从薄膜电路层（11）到钼铜金属层（7），贯通设置有多个散热孔（4）。

2.根据权利要求1所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于，电感（111）、电阻（131）、负载（132）的两端分别通过导通过孔连接到薄膜电路层（11）。

3.根据权利要求1所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于，所述限幅器布局于一层薄膜电路层（11）和5层厚膜电路中，电感（111）、电阻（131）、负载（132）布局在第2层厚膜电路（13）上，第1层厚膜电路（12）、第3层厚膜电路（14）、第4层厚膜电路（15）为金属地层，第5层厚膜电路（16）为厚膜金属层，检波二极管（101）正极端通过第一接地过孔（61）连接到第1层厚膜电路（12）上进行接地，PIN限幅二极管（102）负极端通过第二接地过孔（62）连接到第4层厚膜电路（15）上进行接地，第一电容（121）、第二电容（122）、第四电容（124）的接地通过第三接地过孔（63）连接到第3层厚膜电路（14）上。

4.根据权利要求1所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于，牺牲层组（22）的表面经过减薄、打磨、抛光处理为平整面，薄膜基板（21）形成于平整面上，薄膜电路层（11）通过镀薄膜方式形成于薄膜基板（21）上。

5.根据权利要求1所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于，薄膜基板（21）为ALN薄膜介质板。

6.根据权利要求3所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于，厚膜金属层为钨。

7.根据权利要求1所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器，其特征在于，钼铜金属层（7）连接到限幅器的金属壳体。

8.一种基于厚薄膜电路的大功率限幅器的实现方法，其特征在于，包括步骤：

S1、提供2个空白陶瓷基板，将其粘合在一起构成牺牲层（22），在牺牲层（22）顶面设置薄膜基板（21），在薄膜基板（21）顶面加工出薄膜电路层（11），获得表层组，并对表层组加工出导通过孔和散热孔（4）；

S2、在薄膜电路层（11）上设置比较器（51）、微带定向耦合器（52）、检波二极管（101）、扼流线圈（112）、PIN限幅二极管（102）、第一电容（121）、第二电容（122）、第三电容（123）、第四电容（124）、第五电容（125）、第一微带线（53）、第二微带线（54）、第三微带线（55），并使比较器（51）的一个输入端连接检波二极管（101）负极端，另一个输入端用于连接外部参考电平，检波二极管（101）正极端连接地，微带定向耦合器（52）的输入端用于连接信号输入，耦合端连接比较器（51）的输出端，直通输出端连接第三电容（123），第三电容（123）通过第一微带线（53）与第五电容（125）一端相连，PIN限幅二极管（102）正极端、扼流线圈（112）一端跨连在第一微带线（53）上，第五电容（125）另一端信号输出，PIN限幅二极管（102）负极端接地，第四电容（124）一端跨连在第三微带（55）上，第四电容（124）另一端接地，第一电容（121）一端跨连在第二微带线（54）上，另一端接地；

S3、提供4个顶面具有厚膜电路层的陶瓷介质板，依次为第一介质板（31）、第二介质板（32）、第三介质板（33）、第四介质板（34），根据设计需求加工出相应导通过孔和散热孔（4），在第四介质板（34）底面设置底层厚膜电路；

S4、在第二介质板（32）的厚膜电路上设置电感（111）、电阻（131）、50欧姆匹配负载（132），电感（111）、电阻（131）、负载（132）的两端分别通过导通过孔连接到薄膜电路层（11）上，并实现负载（132）连接微带定向耦合器（52）隔离端和第二电容（122）一端之间，第二电容（122）另一端接地，电感（111）一端跨连在微带定向耦合器（52）的下半部微带上，另一端通过第二微带线（54）连接电阻（131），电阻（131）通过第三微带线（55）连接扼流线圈（112）另一端；

S5、提供一钼铜金属层（7）；

S6、将第一介质板（31）、第二介质板（32）、第三介质板（33）、第四介质板（34）按自上而下的顺序叠合，将表层组设于第一介质板（31）上，将钼铜金属层（7）叠于底层厚膜电路层下，并对齐相应的导通过孔和散热孔（4），烧结成型。

9.根据权利要求8所述的基于厚薄膜电路的大功率限幅器的实现方法，其特征在于，在S1中，牺牲层组（22）的表面经过减薄、打磨、抛光处理为平整面，薄膜基板（21）形成于平整面上，薄膜电路层（11）通过镀薄膜方式形成于薄膜基板（21）上。

Images