CN116093560A - 一种多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，属于射频技术领域。本发明所述多层电路板构成的平面单刀双掷开关可以通过对信道转换的控制，实现对电路参量进行必要的调控，比如对电路的通断进行控制，与其他射频结构组合，实现对衰减量的多少，相移量的大小的调控等。与其他传输线开关相比，鳍线结构的开关更便于Pin管的安装、性能指标好、生产成本低。与传统的波导腔体内架设鳍线的开关结构相比，本结构通过多层介质基板叠层压合实现，继承了波导鳍线结构损耗低、色散弱的优点，并且结构更加简易，可以实现自封装、便于与其他射频电路进行集成。相比于现有技术，本发明解决了各种器件与功能模块在鳍线上安装的问题，扩展了基片集成鳍线实现的功能。

Description

一种多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体涉及一种多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构。

背景技术

射频开关是射频控制电路中的基本部件之一，可以实现对电路参量进行必要的控制，比如对单一或多组电路的通断进行控制，对衰减量、相移量的大小进行调控，是雷达和测试系统中的关键组成部分。单刀双掷开关(SPDT)主要利用多梁氏引线PIN管的组合实现多组信道间的转换。鳍线由于其物理结构，在架设多组梁氏引线PIN管时，相较于传统的微带线结构，具有天然的优势。在传统立体传输线结构中，鳍线是一种嵌入在矩形波导E面的准平面结构，鳍线的传播模式为混合模，具有低损耗、色散弱，单模带宽大等特点。另一方面，鳍线结构传输截止频率小于封装波导的截止频率，所以在具有波导的一些优点的同时，所需尺寸比传统波导所需尺寸小。但是，从加工工艺角度考虑，鳍线需要加工机械腔体进行封闭，同时需要留下凹槽来安装鳍线，以满足机械支撑以及电磁屏蔽。因此需要额外的装配步骤，将其与波导机械组装后才能工作。如今，微波组件对集成度有很高的要求，在波导中的鳍线结构很难与其他有源元器件集成，同样对其传输的电磁波很难控制。从电路尺寸角度考虑，传统的鳍线结构金属腔体体积较大，这样使得射频组件小型化很难实现。

综上所述，鳍线结构是一种优良的传输结构，具有低损耗，色散弱，高Q值等传输优点，且在PIN管等器件的安装上具有优势，然而传统的鳍线结构需要安装架设在矩形波导中，不易加工，制作成本高，且不易于其它电路以及其它电子元器件集成。

发明内容

本发明是针对背景技术存在的缺陷，提供了一种多层电路板压合成的平面集成电路结构。该结构通过多层电路板的铆接加工，形成四端口都由微带连接鳍线传输段的单刀双掷开关。该鳍线单刀双掷开关结构在鳍线槽缝上加载梁式引线Pin管：在第四端口加载直流正电压时，实现一二端口隔离，一三端口导通；在加载负电压时，实现一二端口导通，一三端口隔离，从而达到精准控制信道选择的目的。多层电路板基片集成鳍线结构继承了传统鳍线结构低损耗，色散弱，高Q值等传输优点，并且解决现有鳍线结构需要加工机械腔体和额外的人工装配，以及鳍线结构与其它平面电路集成等问题；创新的Pin管串并联结合的排布形式，优化了传统并联Pin管开关结构插入损耗大，难以优化的问题，在很大程度上提升了开关的性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种多层电路板构成的集成平面电路结构，呈十字分布，包括至少五层电路板，每层电路板包括介质基板以及印刷在基板两面的金属层。第一电路板正面金属铜覆层为全部覆铜，反面位于单刀双掷开关结构上方部分不覆铜，其余部分覆铜；第二电路板位于单刀双掷开关结构上方的部分进行镂空，正面全部覆铜，反面全部覆铜；单刀双掷开关功能区结构包含中间的介质基板以及上覆铜层与下覆铜层，呈十字结构。第一端口、第二端口、第三端口的上覆铜层结构相同，均为从微带到鳍线的过渡段，其中第二端口、第三端口的上覆铜层为轴对称结构，第四端口为阶梯阻抗变换滤波器结构。第一端口的覆铜层从上到下依次为第一微带线、第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段、第一鳍线传输段。第二端口的覆铜层从左到右依次为第二微带线、第二微带阻抗变换段、第二鳍线变换段、第二鳍线传输段。第三端口的覆铜层从右到左依次为第三微带线、第三微带阻抗变换段、第三鳍线变换段、第三鳍线传输段。其中，第一鳍线传输段、第二鳍线传输段、第三鳍线传输段呈中心对称结构。第一端口、第二端口、第三端口的下覆铜层结构相同，第一端口、第二端口、第三端口的下覆铜层结构从上到下依次为第一地面段、第一地面变换段、第一无覆铜区域和第四地面段，从左到右依次为第二地面段、第二地面变换段、第二无覆铜区域、第三地面变换段、第三地面段；第四电路板位于单刀双掷开关结构下方的部分进行镂空，正面全部覆铜，反面全部覆铜；第五电路板正面，位于单刀双掷开关结构下方的部分不覆铜，其余部分覆铜，反面全部覆铜。在每层介质基板上，单刀双掷开关结构周边都加工有连续的金属化通孔，每层介质板的金属化通孔的平面相对位置都是相同的；所有金属化通孔均采用树脂塞孔，并电镀填平。每层电路板先进行单独加工，然后用多层板技术叠压在一起，形成多层电路板构成的单刀双掷开关结构。每层板之间是无间隙接触，形成类波导结构。

通过上述方式，我们可以实现单刀双掷开关集成平面电路，单刀双掷开关电路是基于多层电路板的一种电路形式。单刀双掷开关电路至少选用五层电路板构成的多层电路板结构，每层电路板包括介质基板和设置在介质基板正反面的金属层，该结构是电路板层叠设置后形成多层电路板板体。

按照上述结构实现后，单刀双掷开关电路采用多层电路板层叠压合形成，中间一层电路板印刷微带到鳍线过渡以及微带结构，中间相邻一层电路板或者多层电路板进行局部镂空切除处理形成镂空腔。按照相应的顺序将电路板层叠在一起，再对多层电路板进行叠层压合。因为多层的电路板中一些电路板层进行了局部镂空切除处理，所以叠层压合的电路板内部形成了单刀双掷开关电路所必须的空气腔体结构。

上述具体方案所实现的单刀双掷开关电路可以通过多层介质基板叠层压合实现，有效克服了传统单刀双掷开关电路需要的机械腔体加工、结构笨重、成本较高的缺点，具有较低损耗、色散弱、结构简易，成本低，可实现自封装、以及容易与其他射频电路集成等优点。

附图说明

图1为本发明所描述的单刀双掷开关电路正视图；

图2为本发明所描述的单刀双掷开关电路第一电路板正面、第五电路板反面示意图；

图3为本发明所描述的单刀双掷开关电路第一电路板反面、第五电路板正面示意图；

图4为本发明所描述的单刀双掷开关电路第二电路板正面、第四电路板反面示意图；

图5为本发明所描述的单刀双掷开关电路第二电路板反面示意图；

图6为本发明所描述的单刀双掷开关电路第四电路板正面面示意图；

图7为本发明所描述的单刀双掷开关电路第三电路板正面示意图；

图8为本发明所描述的单刀双掷开关电路第三电路板反面示意图；

图9为本发明所描述的单刀双掷开关电路原理示意图及Pin管排布情况；

图10为本发明所描述的单刀双掷开关电路工作区域结构正面示意图

图11为本发明所描述的单刀双掷开关电路工作区域结构反面示意图

图12本发明所描述的单刀双掷开关电路仿真结果示意图一；

图13本发明所描述的单刀双掷开关电路仿真结果示意图二。

附图标记：

1-鳍线变换段，2-阻抗变换段，3-微带线，4-地面变换段，5-地面段

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

对于单刀双掷开关电路的实现，如图1所示，当电路板数量为五时，第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板、第五电路板均包括介质基板以及印刷在基板两面的金属层。第二电路板部分切除处理形成区域A，第四电路板进行局部镂空切除处理形成镂空区域B。单刀双掷开关电路空气腔体结构用连续的完全包围的金属通孔，与多层电路板的顶部金属层、底部金属层共同形成封闭的金属腔，在多层板电路形成的空腔中放置器件，包括八只pin管，以实现信道的通断功能。所述的器件放置在第三电路板的正面金属层上。多层电路板加工步骤：

步骤1：首先加工单层板，使用单层的介质基板，对电路板表面的金属按照设计进行加工预制；然后在电路板设计的相应位置加工连续的金属过孔，对需要镂空的电路板进行镂空处理；

步骤2：组装电路板，将加工完成后的电路板按照相应的顺序层叠在一起，再将多层电路板压合到一起，使之成为一个整体。

实施例：

本发明以一种多层电路板构成的X波段单刀双掷开关结构为例。首先加工电路板，使用单层的介质基板，对电路板表面的金属按照设计进行加工预制。如图7-8所示，第三电路板，使用介质材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质基板厚度为0.254mm，第一电路板、第五电路板，使用介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，介质基板厚度为2mm，第二电路板、第四电路板，使用介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，介质基板厚度为2mm。

如图2-3，第一电路板正面需要全部覆盖金属，反面的过渡区域需要去除覆铜；与第一电路板对称的第五电路板的反面需要全部覆盖金属，第五电路板的正面的过渡区域需要去除覆铜。在电路板设计的相应位置开孔形成连续的金属过孔。如图4-6，第二电路板、第四电路板进行局部镂空切除处理形成镂空腔，在电路板设计的相应位置开孔形成连续的金属过孔，在非镂空区域进行覆铜。如图9，第三电路板正反两面印刷单刀双掷开关电路，并在相应位置安装pin管，在电路板设计的相应位置加工连续的金属过孔。

单刀双掷开关未架设pin管的鳍线结构如图9示，包含中间的介质基板以及上覆铜层与下覆铜层，呈十字结构。第一端口覆铜层从上到下依次为第一微带线、第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段、第一鳍线传输段。第二端口覆铜层从左到右依次为第二微带线、第二微带阻抗变换段、第二鳍线变换段、第二鳍线传输段。第三端口覆铜层从右到左依次为第三微带线、第三微带阻抗变换段、第三鳍线变换段、第三鳍线传输段。第四端口覆铜层由下到上依次为第四微带线、第一阶梯阻抗滤波段。

如图10-11所示，上覆铜层包括左上部分金属、右上部分金属、靠下部分金属，共三部分。左上部分金属从第一端口的方向看，左边界由微带线变换至未带阻抗变换段，经过一段垂直直线变换至鳍线变换段，继续保持垂直至左上部分金属下边界，上边界、左边界分别与结构上边缘、左边缘重合；右边界从微带线开始延伸至微带阻抗变换段、鳍线变换段，然后在一段长度内保持不变，右边界与中间缝隙右侧位置保持平齐，直至左上部分金属下边界。从第二端口的方向看，上边界与结构上边界平齐，下边界由一段鳍线变换段变换至水平线，在一长度内保持不变，与中间缝隙上侧位置平齐，直至左上部分金属右边界。右上部分金属和左上部分金属呈轴对称结构。靠下部分金属由第二、第三端口的方向看，上边界为一条水平线，由一段微带线变换至微带线阻抗变换段，在一段长度内保持不变，与第二、第三端口的鳍线传输段的缝隙下边缘保持平齐，蔓延至第三端口与第二端口呈轴对称的鳍线结构。从第四端口的方向看，左边缘从微带线开始，阶梯变换至鳍线开关功能区，与鳍线开关功能区的下边缘相连。第一、第二、第三端口的下覆铜层结构相同，从上到下依次为第一地面段、第一地面变换段、第一无覆铜区域、第四覆铜区、第四地面段。第一、第二、第三端口的下覆铜层结构从左到右依次为第二地面段、第二地面变换段、第二无覆铜区域、第三无覆铜区域、第三地面变换段、第三地面段。第一端口的下覆铜层从第一地面段开始延伸，在第一地面变换段金属结构左边缘一定距离处，沿着曲线，面积逐渐减小，直至第一地面变换段金属结构右边缘。第二端口的下覆铜层从第二地面段开始延伸，在第二地面变换段金属结构下边缘一定距离处，沿着曲线，面积逐渐减小，直至第二地面变换段金属结构上边缘。第三端口与第二端口呈轴对称结构，第四端口为全覆铜区。

电路板加工预制后组装电路板，将加工完成后的电路板按照图1对应的顺序层叠在一起，再将其压合到一起，使之成为一个整体，形成多层电路板构成的单刀双掷开关结构。

本例中多层电路板构成的单刀双掷开关结构仿真结果如图12-13所示，dB(S(1,1))为其输入端口回波损耗，dB(S(3,1))为其插入损耗，dB(S(2,1))为其阻断端口隔离度，其频带可覆盖7.5GHz-10.5GHz，可通过缩小相应的尺寸提高其工作频率。

Claims (10)

1.一种多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，包括多层电路板，所述电路板包括介质基板以及印刷在基板两面的金属层；位于单刀双掷开关电路结构两侧的部分电路板进行镂空。

2.根据权利要求1所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，包括至少五层电路板，第一电路板正面金属覆层为全部覆金属，反面位于单刀双掷开关结构上方部分不覆金属，其余部分覆金属；第二电路板位于单刀双掷开关结构上方的部分进行镂空，正面全部覆金属，反面全部覆金属；第三电路板为单刀双掷开关的主要功能区，单刀双掷开关的主要功能区结构包含介质基板以及上覆金属层与下覆金属层；第四电路板位于单刀双掷开关结构下方的部分进行镂空，正面全部覆金属，反面全部覆金属；第五电路板正面，位于单刀双掷开关结构下方的部分不覆金属，其余部分覆金属，反面全部覆金属。

3.根据权利要求1所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，多层电路板包括至少四个端口；第一端口为信号输入端口，位于十字形结构上侧；第二端口为信号隔离端口，位于十字形结构左侧；第三端口为信号直通端口，位于十字形结构右侧，为从微带到鳍线的过渡段；第二端口和第三端口的覆金属层呈轴对称结构；第四端口为直流供电端口，位于十字形结构下侧，为阶梯阻抗变换滤波器结构。

4.根据权利要求3所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，第一端口的覆金属层从上到下依次为第一微带线、第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段、第一鳍线传输段；第二端口的覆金属层从左到右依次为第二微带线、第二微带阻抗变换段、第二鳍线变换段、第二鳍线传输段；第三端口的覆金属层从右到左依次为第三微带线、第三微带阻抗变换段、第三鳍线变换段、第三鳍线传输段；其中，第一鳍线传输段、第二鳍线传输段、第三鳍线传输段呈中心对称结构。

5.根据权利要求3所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，第三电路板包含介质基板、上覆铜层和下覆铜层，上覆铜层、下覆铜层位于介质基板两侧；第一端口、第二端口、第三端口的下覆铜层结构相同，第一端口的下覆铜层结构从开关电路结构上边缘延伸至鳍线工作区，依次包括第一地面段、第一地面变换段、第一无覆铜区域和第四地面段，从左到右依次为第二地面段、第二地面变换段、第二无覆铜区域、第三地面变换段、第三地面段。

6.根据权利要求3所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，第三电路板包含介质基板、上覆铜层和下覆铜层，上覆铜层、下覆铜层位于介质基板两侧；所述第一端口、第二端口、第三端口的上覆铜层结构相同，所述上覆铜层结构为从微带到鳍线的过渡段，所述第二端口、第三端口的上覆铜层呈轴对称结构，第四端口为阶梯阻抗变换滤波器结构。

7.根据权利要求6所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，第一端口的上覆铜层从上到下依次为第一微带线、第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段、第一鳍线传输段；第二端口的上覆铜层从左到右依次为第二微带线、第二微带阻抗变换段、第二鳍线变换段、第二鳍线传输段；第三端口覆铜层从右到左依次为第三微带线、第三微带阻抗变换段、第三鳍线变换段、第三鳍线传输段；其中，第一鳍线传输段、第二鳍线传输段、第三鳍线传输段呈中心对称结构。

8.根据权利要求1所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，所述平面单刀双掷开关电路结构包括三条金属过孔，第一条金属过孔左起第二鳍线变换段，右至第三鳍线变换段，方向与第二、第三端口间的鳍线结构下边沿平行；另外两条金属过孔的延鳍线为轴对称结构，分别呈几字形；第二条金属过孔的延鳍线延传输工作区左侧，先向右再向上，蔓延至上边沿；第三条金属过孔的延鳍线沿传输工作区右侧，先向左再向上，蔓延至上边沿；三条金属过孔均垂直由上至下贯穿五层电路板；三条金属过孔所包裹的区域范围为开关传输功能区。

9.根据权利要求7所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，第一、二、三微带线分别一端位于鳍线结构的上、左、右边沿，另一端向内延伸至传输功能区，与相对应编号的微带线阻抗变换段连接；微带线阻抗变换段外端与微带线内端连接，内端延伸至相对应编号的鳍线变换段，呈梯形结构；鳍线变换段采用正弦函数的形状，实现由微带至鳍线的过渡功能；鳍线传输段外端与鳍线变换段连接，内端汇聚至十字结构中心处；鳍线传输段的鳍线缝隙中架设有根据功能排布的PIN管。

10.根据权利要求4所述的多层电路板构成的平面单刀双掷开关电路结构，其特征在于，第一微带线、第二微带线、第三微带线分别与外部电路或SMA转接头相连，由直流供电区的直流电控制基片集成鳍线结构开关的第二、第三端口导通或关闭；第一微带线、第二微带线和第三微带线的宽度不同。

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