CN1246930C - 多层锥形传输线和器件 - Google Patents

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Abstract

一种多层陶瓷器件(100),包括由接地层(114)分开的多个介质层(104A-G),并包括总体上为折叠结构的多个传输线段(118),形成锥形传输线(102)。传输线的外形可以变化,并包括如图示曲线(200、206、212)所限定的外形。

Description

多层锥形传输线和器件
技术领域
本发明涉及多层陶瓷器件,更具体的涉及用于高带宽应用的多层锥形传输线器件。
背景技术
在本领域中采用传输线进行通过多层陶瓷封装的层的信号传播很流行。例如,通常根据预定的图形在陶瓷未烧结带(ceramic greentape)层上通过丝网印刷导电膏(例如,包括银、金、铜、镍、钯、铂等)建立这种器件的多层。共同焙烧所述层以形成致密陶瓷封装。通常形成通孔用于连接导电层之间的电气通路。
在许多射频应用中,需要在很宽的频率范围上实现阻抗匹配。一种希望的方法是如本领域所已知的采用锥形传输线。但是,发现陶瓷封装尺寸约束阻止了锥形传输线器件的最佳设计。因此,需要改善在很宽的频率范围上有用,并且可以集成到用于微小尺寸应用的多层陶瓷封装中的阻抗匹配变压器。
在本领域中在先的其它技术的说明例子包括在美国专利No.5119048、5140288、5949304和5977850中所公开的,所有这些明确引入作为参考。
发明内容
本发明提供了一种锥形传输线陶瓷器件,包括:第一接地层;在所述第一接地层的至少一部分上的第一介质层;在所述第一介质层上的锥形传输线的第一锥形部分,所述第一锥形部分从第一宽度收缩到比所述第一宽度小的第二宽度;在所述第一锥形部分上的第二介质层;在所述第二介质层的至少一部分上的第二接地层;在所述第二接地层的至少一部分上的第三介质层;在所述第三介质层上的另一个锥形传输线的第二锥形部分,所述第二锥形部分从第三宽度收缩到比所述第三宽度小的第四宽度,所述第三宽度近似地产生由所述第二宽度得到的特性阻抗;以及用来可传输信号地连接所述第一锥形部分与所述第二锥形部分,并与每个所述接地层相间隔的结构。
本发明还提供了一种制造多层锥形传输线器件的方法,包括以下步骤:a)提供具有第一和第二相对侧面的第一介质层;b)在所述介质层的所述第一侧面上放置第一接地平面;c)在所述介质层的所述第二侧面上形成第一传输线段;d)在所述第一传输线段上形成第二介质层;e)在所述第二介质层上形成第二接地平面;f)在所述第二接地平面上形成第三介质层;g)在所述第三介质层上形成第二传输线段;h)所述第二传输线段收缩,并且具有小于第一传输线段宽度的宽度;i)导电连接所述第一和第二传输线段;以及j)相对于所述传输线段电隔离所述接地平面。
附图说明
图1示出了根据本发明的说明性的多层陶瓷封装的侧面剖视
图。
图2示出了总体上对应于图1的多层陶瓷封装中的传输体结构的一种可能的折叠传输线结构的透视图。
图3示出了根据本发明的另一个说明性的多层陶瓷封装的侧面剖视图,显示了在输入/输出方案方面与图1的封装的不同。
图4A-4C示出了传输线剖面的三个例子。
图5是沿图1的5-5线的剖面图。
图6是根据本发明制造多层陶瓷封装的示意图。
图7是用于说明本发明的一个优选多层陶瓷封装的通用性(versatility)的频率范围图。
图8是具有根据本发明的多层陶瓷封装的器件的原理图。
图9示出了采用层间边缘绕接(edgewrapping)的可能结构的顶视图。
图10示出了采用层间边缘绕接的可能结构的侧面剖视图。
具体实施方式
参考图1和2,描述了具有根据本发明的锥形传输线102的多层陶瓷封装100。多层陶瓷封装100包括多个陶瓷层,分别用标号104A到104G表示。104的每个层实际上包括两个介质层和三个金属层,如图6E所示。第一端口106,比如输入电极,形成在介质层104A中。第二端口108也形成在介质层104A中;已认识到,在另一种方案的器件100’(类似的标号表示类似的元件)中,第一端口106’和第二端口108’可以分别形成在相关的不同层中,如图3所示。但是,在同一层上形成端口106和端口108的优点是可以用在通常的表面安装结构中。
另外,在介质层104A的表面上形成第一接地平面110,在介质层104G的表面上形成第二接地平面112。可选的,多个中间接地平面114布置在封装100中,并且分开一个或多个相应的介质层。通过多个通孔116将接地平面互相连接。
锥形传输线102最好包括多个传输线段118,一个或多个这种段设置在封装的不同层中。传输线段118在关键地方相对于多层陶瓷封装100内侧的介质层104A-G定位。传输线也可以称作形成在介质陶瓷层104A-104G中的电极。通常在介质层104A-104G中冲压一系列通孔或过孔(未示出),并且用导电材料金属化,以形成通孔连接(用标号120示出了多个),从而连接传输线段,用标号118示出了多个传输线段。在一个实施例中,通孔连接120的横向剖面面积可选地接近它们连接的各传输线段118的剖面面积。
配置各个传输线段118,使得相对于各自相邻的段,宽度或特性阻抗不同。但是,最好各段一起能够基本实现在图4A-4C中所描述的锥形传输线的一个的特性。因此,在特别优选的实施例中,如果首尾相连放置,则各段的形状基本上类似于分别在图4A-4C中描述的锥形传输线200、206或202之一。
最好,在各自层中各传输线段118互相叠置,并通过通孔连接120互相连接。在一个优选实施例中,如图1所示,各段具有纵轴线,并且叠置各段从而使它们的纵轴线总体上轴向对齐。但是,这不是限制性的,可以采用其它相对取向(例如,正交、成角度等)用于各段在他们各自层中的相对布置。整个结构效果是产生折叠型结构,各段相邻成折叠状。
图3示出了相对于图1和2的设计的备选设计。如上所述,在图3中,第一端口106’放在与第二端口108’不同的层中。此外,所显示的段在器件的第一部分122’中的断续层中交错,并在器件的第二部分124’中的附加层之间交错。可以对图1和2的器件进行这两种修改中的一种或两种(即,端口位置或层交错),也可以针对各种应用而对器件进行其它修改以调整性能。
图4示出了由本发明的器件的各传输线段进行模拟的传输线外形的例子。在图4A中所示的第一线200具有第一外形202,包括总体上以指数规律逐渐收缩的边缘204。在本实施例的一个方面,所得到的阻抗曲线由以下公式描述:
Z(x)=Z0eax
其中Z0和a为常数,x为轴向尺寸。
图4B所示的第二线206具有第二外形208,包括基本上线性收缩的边缘210。图4C所示的第三线212具有第三外形214,其边缘216既有曲线收缩2在每侧包括拐点218(曲线从凹变为凸的位置)。在图4A-4C中标出的尺寸是相对的,并不是限制性的。他们可以根据所需的特性随应用而变化。此外,也可以采用上述结构的组合以及其它锥形结构。
虽然在一个优选实施例中,通过叠置传输线段实现了模拟上述外形的目的,但是应当理解,在本发明的范围内也可以采用其它技术,包括但不限于重新定向各段或在公共层中间断地采用多个几何上合适的子段。
图5非限制性地示出了,将器件100中的通孔连接器120与接地平面隔开的一种示例性的方法。以与通孔连接器相间隔的关系形成接地平面,例如接地平面114,在它们之间放置共面介质部分126。
根据本发明的多层陶瓷封装器件可以采用任何合适的技术制造。作为非限制性的举例,器件可以采用陶瓷未烧结带(具有适合作为介质的陶瓷材料),将导电膏层(例如其中分散有微粒导电金属,例如银、金、铜、镍、钯、铂等的基质)丝网印刷或用其它方法淀积到未烧结带上而一层一层地制造。在适当的温度下通过烧结使器件硬化,以形成含有导电金属的层。最好将多层组合在一起和共同焙烧在一起。此外,可以先硬化各层,随后装配。
图6示出了一个器件的一部分的制造顺序,其中,提供第一层陶瓷未烧结带302,并形成第一组通孔304(图6A)。然后,在第一层陶瓷未烧结带302上形成金属薄层,作为第一接地平面300。在图6C中,在第一层陶瓷未烧结带302上淀积(例如,丝网印刷导电膏)具有第一宽度和比第一宽度窄的第二宽度的第一传输线段306,并用导电膏填充第一组通孔304。在随后放在第一传输线段306上的第二层陶瓷未烧结带308中形成第二组通孔308(图6D)。然后,如图6E所示,在第二层陶瓷未烧结带308(包括用于通孔的位置,如图5所讨论的)上放置第二接地平面312。然后,重复上述过程建立其它层,第三未烧结带层314放在第二接地平面312上(图6F),在第三未烧结带层314上形成第二传输线段316,并具有第三宽度和比第三宽度窄的第四宽度(后者的宽度使其特性阻抗基本接近第一传输线段的第二宽度所得到的特性阻抗)。还形成第三传输线段318。根据需要形成输入和输出电极。器件中的通孔连接本身可以总体上是直的(例如,垂直)或锥形的。
在这里已经介绍了用陶瓷材料构成的优选实施例。当然,应当认识到,同样也可以采用其它材料和制造方法来实现多层、锥形传输线器件,包括但不限于非陶瓷、多层、有机印制电路板材料和制造技术。
参考图7,可以看到由本发明的技术提供的通用性。最好,本发明的封装器件在宽频率范围上提供阻抗匹配和大于10dB的回波损耗(Return Loss)。更具体的,在800MHz到915MHz和1700MHz到2100MHz的频率范围上,优选的器件显示出大于10dB的回波损耗。在一个优选实施例中,为了在大约4Ohm和大约20Ohm之间匹配,根据本发明的具有约15dB的回波损耗的器件具有大约700MHz到大约2.3GHz的带宽。
根据本发明的多层陶瓷封装器件可用在许多不同的应用中,特别是在射频应用中。作为非限制性的举例,图8示出了在宽带放大器400中两个这种器件的使用。器件400包括输入部分402和输出部分404。输入部分与合适的射频电路(例如放大器等;未示出)进行信号通信。接下来,输出部分404可以与合适的输出器件(例如,天线;未示出)进行信号通信。输入部分402和输出部分404通过合适的晶体管406连接。在优选器件中,输入部分402包括与降压变压器(即,第一多层陶瓷封装器件410)相连的输入匹配网络408,该变压器然后与晶体管406连接。输出部分404通过与用于与输出器件连接的输出匹配网络414相连的升压变压器(即,第二多层陶瓷封装器件412)与晶体管406连接。
当然,应当认识到,也可以采用许多其它组合,包括但不限于消除网络408和/或414,对每个输入或输出部分使用多于一个的多层陶瓷封装器件,或者分开或单独制造或使用输入和输出部分。
多层陶瓷封装器件的变压器性能允许许多不同的阻抗变换范围,从大约0.1∶1到大约10∶1,更具体的大约从0.2∶1到大约5∶1。更高或更低的变比也可以。在一个非常优选的实施例中,具有图1所示的传输线结构的变压器具有至少5∶1的变换比例,而封装尺寸不超过大约400mil乘以大约50mil乘以大约125mil。因此,满足了改善在宽频率范围上使用的,能够有效地集成到微小尺寸应用例如可软件定义的无线电应用中的阻抗匹配变压器的需要。
图9示出了陶瓷封装500的备选实施例,利用边缘绕接(edgewrapping)进行各层之间的导电连接。本实施例示出了多个与传输线段513和接地层(ground layer)503交替的介质层510。通过提供顶部接地层511和底部接地层512的电隔离,第一端口505和第二端口506形成在器件的表面。在本实施例中,传输线段513用导电金属通过边缘绕接501连接。
图10示出了图9沿10-10线的剖面图。接地平面503与传输线段513和线段绕接501电隔离。此外,接地平面503通过边缘绕接509和/或通孔连接508的方式与其它的接地平面层电连接。
虽然已经图示和介绍了本发明的优选实施例,但是很明显本发明并不限于此。对于本领域的技术人员存在许多修改、变更、变型、替代和等价物,而不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种锥形传输线陶瓷器件(100),包括:
第一接地层(112);
在所述第一接地层的至少一部分上的第一介质层(104G);
在所述第一介质层上的锥形传输线(118)的第一锥形部分(102),所述第一锥形部分从第一宽度收缩到比所述第一宽度小的第二宽度;
在所述第一锥形部分上的第二介质层(104F);
在所述第二介质层的至少一部分上的第二接地层(114);
在所述第二接地层的至少一部分上的第三介质层(104E);
在所述第三介质层上的另一个锥形传输线的第二锥形部分(102),所述第二锥形部分从第三宽度收缩到比所述第三宽度小的第四宽度,所述第三宽度近似地产生由所述第二宽度得到的特性阻抗;以及
用来可传输信号地连接所述第一锥形部分与所述第二锥形部分、并与每个所述接地层相间隔的结构。
2.如权利要求1所述的器件,其中,所述器件通过用于信号通信的电路(410,406,412)耦合到匹配网络(408)。
3.根据权利要求1的器件,其中,所述第一锥形部分和所述第二锥形部分的每个具有互相平行的纵轴线。
4.根据权利要求3的器件,其中,所述纵轴线彼此相邻。
5.根据权利要求1的器件,其中,如果端对端放置,所述第一锥形部分和所述第二锥形部分呈现的轮廓线为指数曲线的形状。
6.根据权利要求1的器件,其中,如果端对端放置,所述第一锥形部分和所述第二锥形部分呈现的曲线沿它们的长度具有从凹形转换到凸形的拐点。
7.根据权利要求1的器件,其中,所述器件在从800MHz到915MHz和从1700MHz到2100MHz的频率范围上表现出代表可接受的阻抗变换的回波损耗。
8.根据权利要求2的器件,其中,当端接一个选定阻抗时,所述器件在从800MHz到915MHz的频率范围和从1700MHz到2100MHz的频率范围中的至少一个范围上表现出代表可接受的阻抗变换的回波损耗。
9.根据权利要求2的器件,其中,所述器件在从800MHz到915MHz和从1700MHz到2100MHz的每一个频率范围上表现出代表可接受的阻抗变换的回波损耗。
10.根据权利要求2的器件,还包括具有与所述第一匹配网络可传输信号地通信的天线的射频输出元件。
11.制造多层锥形传输线器件的方法,包括以下步骤:
a)提供具有第一和第二相对侧面的第一介质层;
b)在所述介质层的所述第一侧面上放置第一接地平面;
c)在所述介质层的所述第二侧面上形成第一传输线段;
d)在所述第一传输线段上形成第二介质层;
e)在所述第二介质层上形成第二接地平面;
f)在所述第二接地平面上形成第三介质层;
g)在所述第三介质层上形成第二传输线段;
h)所述第二传输线段收缩,并且具有小于第一传输线段宽度的宽度;
i)导电连接所述第一和第二传输线段;以及
j)相对于所述传输线段电隔离所述接地平面。
12.如权利要求11所述的方法,还包括形成多个上覆所述第二传输线段的附加传输线段。
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