CN116722331A - 基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构 - Google Patents

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施永荣
刘世劼
包建晔
何淑君
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Abstract

本发明提供了一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，包括：微带线基板、50欧姆微带线、金属墙、金属盖板，微带线基板上布设有两道弯折的50欧姆微带线，且两道50欧姆微带线之间通过金属墙隔离；金属盖板的下方设置有周期排布的销钉，金属墙的顶面上刻蚀有周期排布的凹槽，其中，销钉与凹槽的位置相对应；金属盖板加载在微带线基板上，且销钉嵌入对应的凹槽内，以形成嵌入式销钉单元；两道50欧姆微带线在微带线基板上的进出口位置构成微波模组电磁带隙封装结构的四个输入输出端口。在保持电磁带隙封装“非电接触”特点和优势的同时，实现X波段通道之间的隔离，并可用于提高射频模组多通道之间的隔离。

Description

基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，具体地，涉及一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构。
背景技术
对于微波电路模组设计与制造而言，金属壳体封装至关重要，不仅能够为内部射频芯片、分立元器件、基板与接插件等提供具有结构强度的安装空间，而且能够提供系统零电势参考。此外，螺钉封盖、激光焊接封盖、钎焊封盖与平行封焊等金属壳体封装能够满足不同的环境与可靠性等级要求。典型微波模组内部射频路径空间环境通常设计为金属波导，通过金属波导的高通特性，滤除金属波导主模工作频率以下通道空间环境内的电磁噪声，通道空间环境过金属壳体内部的金属墙和金属封装盖板实现。理想状态而言，金属壳体内部金属墙上表面和封装金属盖板下表面是无缝连接。
然而实际数控机床机械加工的金属壳体或盖板表面均存在一定的粗糙度，使得模组内金属墙和金属盖板的上下贴合存在一定的间隙，在加工精度比较粗糙和模组尺寸较大的情况下，该间隙也会随之增大。上述金属壳体盖板封装间隙会构建微波模组内电磁噪声耦合与串扰的路径，从而降低射频路径之间的隔离度，这种电磁噪声在多通道电磁隔离要求高的应用中需要进行有效抑制。
利用电磁带隙技术去实现微波和毫米波模组内电磁噪声的抑制，这些电磁带隙结构无需金属盖板和内部金属墙体之间电连接，该非电接触特点使得微波模组金属壳体封装对机械加工精度不敏感，能够在所设计电磁带隙结构阻带范围内实现模组内电磁噪声的有效抑制。
利用电磁带隙技术实现微波模组内电磁噪声抑制的研究最早可以追溯到“软硬表面”的研究，瑞典研究人员将该技术应用于构建间隙波导，并基于间隙波导技术衍生出一系列天线与电路的研究；相关研究人员早期也开展了金属销钉型单元及其他单元的电磁带隙对微带电路和放大器链路封装的研究。电磁带隙技术较早以“高阻抗表面”出现于天线工程领域，用于表面波的抑制，可以等效于电感电容并联谐振串接于表面波传播路径中；而在平行平板环境中，电磁带隙可以简单等效于电感电容串联谐振并接于平行金属板环境中，构建“低阻抗路径”实现电磁噪声的有效抑制，这方面的研究在数模混合电路电源开关噪声抑制领域也有诸多研究报道。上述利用电磁带隙技术开展的微波与毫米波模组内电磁噪声抑制的研究并未解决射频多通道高隔离度要求的场景应用需求问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构。
第一方面，本申请实施提供一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，包括：微带线基板、50欧姆微带线、金属墙、金属盖板，所述微带线基板上布设有两道弯折的50欧姆微带线，且两道50欧姆微带线之间通过金属墙隔离；所述金属盖板的下方设置有周期排布的销钉，所述金属墙的顶面上刻蚀有周期排布的凹槽，其中，所述销钉与凹槽的位置相对应；
所述金属盖板加载在所述微带线基板上，且所述销钉嵌入对应的凹槽内，以形成嵌入式销钉单元；
两道50欧姆微带线在所述微带线基板上的进出口位置构成微波模组电磁带隙封装结构的四个输入输出端口。
可选地，每道50欧姆微带线的弯折数量大于等于。
可选地，微波模组电磁带隙封装结构适用的射频模组的工作频段包括：微波频段、毫米波频段。
可选地，所述输入输出端口采用微带形式，或者通过鳍线至微带过段，转成波导法兰端口。
可选地，所述微带线基板采用Rogers RO4350，相对介电常数□r和损耗角正切tan分别为3.66和0.004。
可选地，所述金属盖板与金属墙之间的间隙距离为4.0mm，所述销钉嵌入凹槽后，销钉下端面与凹槽底面之间的间隙距离为0.5mm，凹槽深度为2mm，凹槽宽度为3.5mm，销钉宽度为2.5mm。
可选地，所述嵌入式销钉单元的阻带范围为7.3-13.1GHz。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本申请提供的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，能够融合电磁带隙的“非电接触”特性和典型微波模组内金属隔离墙设计，实现微波模组自身金属壳体封装和降低加工敏感性的同时，实现X波段通道之间的隔离，提高微波模组内部相邻射频通道之间的隔离性能，适用于射频模组多通道之间的隔离场景。有效弥补了微波模组电磁带隙封装技术在通道隔离度研究方面的不足，制作成本低，可适用于大规模批量化生产，进一步推进微波模组电磁带隙封装技术的工程化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的三维示意图；
图2为本申请实施例提供的嵌入式销钉单元的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的尺寸标注示意图；
图4为本申请实施例提供的金属盖板上无嵌入式销钉单元的微波模组设计三维示意图。
图5(a)为本申请实施例提供的嵌入式销钉单元的色散图；
图5(b)为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的仿真结果示意图一；
图5(c)为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的仿真结果示意图二；
图6(a)为本申请实施例提供的三种实物的单一通道内微带线上微波信号的传输性能测试结果示意图；
图6(b)为Case-I和嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能对比示意图；
图6(c)为Case-II和嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能对比示意图。
图中：
1-微带线基板、2-50欧姆微带线、3-金属墙、4-金属盖板、5-销钉、6-凹槽、7-输入输出端口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请实施提供一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，包括：微带线基板1、50欧姆微带线2、金属墙3、金属盖板4，微带线基板1上布设有两道弯折的50欧姆微带线2，且两道50欧姆微带线2之间通过金属墙隔离；金属盖板4的下方设置有周期排布的销钉5，金属墙3的顶面上刻蚀有周期排布的凹槽6，其中，销钉5与凹槽6的位置相对应；金属盖板4加载在微带线基板1上，且销钉5嵌入对应的凹槽6内，以形成嵌入式销钉单元；两道50欧姆微带线2在微带线基板1上的进出口位置构成微波模组电磁带隙封装结构的四个输入输出端口7。
示例性的，每道50欧姆微带线2的弯折数量大于等于1。
示例性的，微波模组电磁带隙封装结构适用的射频模组的工作频段包括：微波频段、毫米波频段。
示例性的，输入输出端口7采用微带形式，或者通过鳍线至微带过段，转成波导法兰端口。
示例性的，微带线基板1采用Rogers RO4350，相对介电常数□r和损耗角正切tan分别为3.66和0.004。
示例性的，金属盖板4与金属墙3之间的间隙距离为4.0mm，销钉5嵌入凹槽6后，销钉5下端面与凹槽6底面之间的间隙距离为0.5mm，凹槽6深度为2mm，凹槽6宽度为3.5mm，销钉5宽度为2.5mm。
示例性的，嵌入式销钉单元的阻带范围为7.3-13.1GHz。
图1为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的三维示意图，如图1所示，在两个微带线基板1上设计两条有两处弯折的50欧姆微带线2，在两条50欧姆微带线2之间以及旁边有带凹槽6的金属墙3，加载金属销钉5的金属盖板4放置于金属墙3上层。其输入输出端口7共有4个，分别为输入port 1、port 2、port 3、port4。其中，微带线基板可以采用Rogers RO4350，相对介电常数□r和损耗角正切tan□分别为3.66和0.004。
图2为本申请实施例提供的嵌入式销钉单元的结构示意图，如图2所示，具体结构尺寸为：p＝12.0mm,s＝3.5mm,w＝2.5mm,h＝4.0mm,d＝2mm,g＝0.5mm。
图3为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的尺寸标注示意图，如图3所示，具体结构尺寸为：h1＝0.508mm,h2＝4.508mm,w1＝1.0mm,w2＝15.0mm,l1＝29.0mm,l2＝24.0mm,l3＝31.0mm。
图4为本申请实施例提供的金属盖板上无嵌入式销钉单元的微波模组设计三维示意图，如图4所示，上层的金属盖板与金属墙理想压合时(即金属盖板与金属墙之间的间隙为0)为case-Ⅰ，金属盖板与金属墙之间的间隙为0.1mm为case-Ⅱ。
图5(a)为本申请实施例提供的嵌入式销钉单元的色散图，如图5(a)所示，嵌入式销钉单元的阻带范围为7.3-13.1GHz。
图5(b)为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的仿真结果示意图一；图5(c)为本申请实施例提供的一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构的仿真结果示意图二。如图5(b)、图5(c)所示，上述Case-I、Case-II和嵌入式销钉型电磁带隙三种微波模组封装情况下单一通道内微带线自身传输性能和相邻通道电磁噪声隔离性能对比图。从图5(b)可见，单一通道内微带线上的微波信号能够正常传输；如图5(c)所示，相比于Case-II，采用嵌入式销钉型电磁带隙封装的微波模组相邻通道间的电磁噪声耦合和串扰在7.3-13.1GHz频率范围内得到了平均更深的抑制；对于Case-I而言，由于仿真是理想情况，相邻通道之间不存在电磁噪声的耦合和串扰路径，因此隔离仿真值为0。
图6(a)为本申请实施例提供的三种实物的单一通道内微带线上微波信号的传输性能测试结果示意图；图6(b)为Case-I和嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能对比示意图；图6(c)为Case-II和嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能对比示意图。在图6(a)中给出了上述三种实物测试的单一通道内微带线上微波信号的传输性能，可以看到在15GHz频率范围内，微波信号回波损耗基本大于20dB，和图5(b)的仿真性能基本吻合。图6(b)所示是Case-I和嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能对比，可见在Case-I情况下尽管是正常平整的金属封装盖板。但是由于实际加工的金属表面非理想平面，存在一定的光洁度和平整度，为相邻通道间电磁噪声的耦合和串扰提供了路径；相比于Case-I的情况，嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能更好。在7.3-13.1GHz频率范围内对电磁噪声的平均隔离程度更大。图6(c)也给出了Case-II和嵌入式销钉型电磁带隙封装的电磁噪声隔离性能对比，相比于Case-II的情况，后者在7.3-13.1GHz频率范围内对电磁噪声的平均隔离程度也更大。
本实施例中提供的嵌入式销钉单元能够融合电磁带隙的“非电接触”特性和典型微波模组内金属隔离墙设计，实现微波模组自身金属壳体封装和降低加工敏感性的同时，提高微波模组内部相邻射频通道之间的隔离性能。这一研究有效弥补了微波模组电磁带隙封装技术在通道隔离度研究方面的不足，能够进一步推进微波模组电磁带隙封装技术的工程化应用。
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，包括：微带线基板(1)、50欧姆微带线(2)、金属墙(3)、金属盖板(4)，所述微带线基板(1)上布设有两道弯折的50欧姆微带线(2)，且两道50欧姆微带线(2)之间通过金属墙隔离；所述金属盖板(4)的下方设置有周期排布的销钉(5)，所述金属墙(3)的顶面上刻蚀有周期排布的凹槽(6)，其中，所述销钉(5)与凹槽(6)的位置相对应；
所述金属盖板(4)加载在所述微带线基板(1)上，且所述销钉(5)嵌入对应的凹槽(6)内，以形成嵌入式销钉单元；
两道50欧姆微带线(2)在所述微带线基板(1)上的进出口位置构成微波模组电磁带隙封装结构的四个输入输出端口(7)。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，每道50欧姆微带线(2)的弯折数量大于等于1。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，微波模组电磁带隙封装结构适用的射频模组的工作频段包括：微波频段、毫米波频段。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，所述输入输出端口(7)采用微带形式，或者通过鳍线至微带过段，转成波导法兰端口。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，所述微带线基板(1)采用Rogers RO4350，相对介电常数和损耗角正切分别为3.66和0.004。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，所述金属盖板(4)与金属墙(3)之间的间隙距离为4.0mm，所述销钉(5)嵌入凹槽(6)后，销钉(5)下端面与凹槽(6)底面之间的间隙距离为0.5mm，凹槽(6)深度为2mm，凹槽(6)宽度为3.5mm，销钉(5)宽度为2.5mm。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的基于嵌入式销钉单元的微波模组电磁带隙封装结构，其特征在于，所述嵌入式销钉单元的阻带范围为7.3-13.1GHz。
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