将信号引入屏蔽射频电路的方法与装置的制作方法

专利名称：将信号引入屏蔽射频电路的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及微波电路。更具体地说，本发明涉及将信号引入屏蔽RF电路的方法与装置。
背景技术：
微波是具有很短波长的电磁能量波，通常波峰间距的范围从1毫米到30厘米。在高速通信系统中，微波被用作载波信号，用于从A点向B点发送信息。微波承载的信息由微波电路发送、接收和处理。
传统上对RF(射频)与微波微电路的封装非常昂贵。封装规格非常苛刻——需要通过千兆赫频率时的良好的信号完整性和很高的电隔离。此外，IC功率密度可能非常高。微波电路要求在电路组件之间以及电路自身和“外界”(即，微波电路之外)之间的高频电绝缘。传统上，通过在衬底上构建电路、将电路放置到金属空腔之内并且随后用金属板覆盖金属空腔，来提供这种绝缘。通常通过机械加工金属板并利用焊料或导电环氧树脂将多个板连接到一起，来形成金属空腔。作为经机械加工的板的更便宜的替代品，这些板还可以是铸件。然而铸件牺牲了精度。
伴随构建微波电路的较传统的方法的一个问题在于使用导电环氧树脂将金属盖密封到空腔上的方法。尽管环氧树脂提供了很好的密封性，但它付出了代价——高阻抗，这增加了谐振腔的损耗以及屏蔽腔中的泄露。传统方法的另一个问题是需要大量的装配时间，从而增加了制造成本。
封装RF/微波微电路的另一种传统方法是将砷化镓或双极集成电路与无源组件安装到薄膜电路上。这些电路随后被封装到上面所描述的金属空腔中。然后使用直流馈通连接器和RF连接器将该模块连接到外界。
在1999年7月27日授权的Ron Barnett等人的名为“ImbeddedWaveguide Structures for a Microwave Circuit Package”的美国专利5,929,728中描述了用于制造改进的RF微波电路的另一种方法。专利5,929,728教导的所有内容在这里作为参考而被引入。总的来说，Barnett教导了一种方法，用于通过在金属盖板的底部平面中所形成的锯齿状空腔来在微波封装件中制造嵌入式低损耗波导结构。盖板的底部平面随后被熔合到金属基板上。当盖板和基板接合在一起时就形成了嵌入式屏蔽腔。
用于改进RF微波电路的一种方法是采用单层厚膜技术代替薄膜电路。尽管稍微地减少了一些成本，但是由于金属外壳及其连接器，总的成本仍旧很高。并且在这种类型的结构中通常所采用的电介质材料(例如，膏剂或胶带)具有电损耗，特别是在千兆赫频率下。在任意具体频率下并且作为频率的函数，介电常数很难进行控制。此外，对电介质材料厚度的控制常常被证明很困难的。
在发明人为Lewis R.Dove(本发明的共同发明人)，John F.Casey和Anthony R.Blume的名为“Integrated Low Cost Thick Film RF Module”的美国专利6,255,730中，描述了对用于制造RF微波电路的这些方法的改进，该专利在这里作为参考而被引入。专利6,255,730被转让给安捷伦科技公司，其也是本发明的受让人。专利6,255,730描述了集成的低成本厚膜RF与微波微电路模块。使用改进的厚膜电介质，在被应用于基底衬底的导电接地平面之上制造便宜的三维结构。接地平面为模块形成底部电屏蔽。可以使用底部电介质层来形成微波传输带(microstrip)元件和用于带状线元件的底部电介质两者。使用可蚀刻厚膜金工艺，可以图案化非常小且精确控制的几何结构。
一旦屏蔽RF电路已经形成，就产生了一个新挑战——如何将信号引入该电路。一种选择是使用微波连接器。微波连接器提供很低的回波损耗和低的插入损耗，并且通常用于将高频或高速数字信号从外界引入微电路。然而，它们相对昂贵并且占用了大量空间。由于电路需要许多高频连接，这成为很严重的问题。
另一种可能的解决方案是将半刚性同轴线的中心导体连接到微电路或电路板传输线。然而，这使同轴线暴露给板或衬底的边缘，这会将电磁能从同轴线耦合到衬底(作为准波导模式)，而不是耦合到电路的传输线。
因此，发明人已经意识到需要一种方法与装置，用于将信号引入到屏蔽RF电路中，而不用大的连接器并且不将电磁能耦合到RF电路的衬底。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，用于将同轴电缆连接到位于在整体屏蔽的微电路中的至少一层厚膜电介质之上的传输线，所述方法包括暴露所述同轴电缆的中心导体的一段；以一个角度剥开所述同轴电缆的一部分，所述角度与所述至少一层厚膜电介质上的斜角基本相同；将所述至少一层厚膜电介质的所述斜角镀金；将所述中心导体的暴露段接合到所述传输线；以及将所述同轴电缆的外导体接合到所述至少一层厚膜电介质上的金镀层，使得所述同轴电缆的成角度的部分与所述厚膜电介质的所述斜角相配合。
根据本发明的第二方面，提供了一种到微电路的接口，包括支撑接地平面的衬底；电介质结构，所述电介质结构具有电连接到所述接地平面的金涂覆倾斜侧壁；由所述电介质结构支撑的传输线，所述传输线与所述微电路电通信；和同轴电缆，所述同轴电缆具有以一个角度被截成斜面的末端的至少第一部分，所述角度与所述电介质结构的所述倾斜侧壁的角度基本相同，其中所述中心导体的暴露段被接合到所述传输线；以及所述同轴电缆的外导体被接合到所述电介质结构上的所述金镀层，使得所述同轴电缆的成角度的部分与厚膜电介质的斜角相配合。


结合附图，通过下面对本发明详细的描述可以理解本发明，其中图1A是根据本发明第一优选实施例的连接到传输线的同轴电缆的轴测图；图1B是根据本发明第一优选实施例的连接到传输线的同轴电缆的侧视图；图2A是根据本发明第二优选实施例的连接到传输线的同轴电缆的轴测图；
图2B是根据本发明第二优选实施例的连接到传输线的同轴电缆的侧视图；图3是根据本发明第三优选实施例的连接到传输线的同轴电缆的轴测线框图。
具体实施例方式
现在将详细说明本发明，在附图中示出了本发明的示例，其中各处类似的参考标号指代类似的元件。
图1A是根据本发明第一优选实施例的连接到传输线12的同轴电缆10的轴测图。图1B是根据本发明第一优选实施例的连接到传输线12的同轴电缆10的侧视图。图1A和图1B共同示出了同轴电缆10到位于电介质结构14顶部的传输线12的连接。电介质结构优选地在包括接地平面的衬底5上形成。在所图示的示例中，传输线12是微波传输带，其优选地转换为准接地共面波导(未示出)。传输线12是开路传输线示例。开路传输线可以有多种结构，包括微波传输带、共面波导和耦合微波传输带。一旦已经进行了从同轴电缆到开路传输线的转换，就可以引进附加的几何结构，包括带状线、准同轴线和耦合带状线。也可能优选地使同轴电缆10直接与包括准同轴传输线的这些其他的传输线结构相接口。
准同轴传输线使用印刷到传输线上的上部KQ电介质层。该KQ电介质被提供了完全包围结构的印刷金属接地平面围绕。对于高频或高速数字信号来说，传输线12表现出50Ω的电阻可能是有益的。
电介质结构14可以使用所施加的并且随后被固化的厚膜膏剂来形成。可以作为膏剂沉积并随后被固化的合适的厚膜电介质材料的例子包括来自Heraeus的KQ 150和KQ 115厚膜电介质和来自DuPont的4141A/D厚膜合成物。这些材料主要由含有少量铝和镁的硼硅酸盐玻璃构成。这些产品通常作为膏剂通过屏网(screen)或模板(stencil)而施加，随后通过应用加热来固化。可以通过公知技术(例如，激光蚀刻)在固化之后或固化之前，在上述应用的时候对它们进行图案化。这些工艺在各自的制造商的数据表中有描述。尽管使用这些产品中的任何一个所得的最终结果基本相同(具有被控制的厚度的图案化区域，并具有约3.9的介电常数K)，但是它们具有可能对设计者来说很重要的多种附属差异。这包括固化时颜色的变化，以及在初始固化之后的软化温度中的向上偏移，所述初始固化促进了在后续处理步骤期间的结构稳定性，所述后续处理步骤需要重新应用加热以产生对在那些后续处理步骤中所应用的材料的固化或处理。
尽管电介质结构14可以由单层KQ形成，但是在图1示出的示例中，电介质结构14由两个层16和20形成。层的数目是用于产生每层的工艺的最大厚度和电介质结构14的预期高度的函数。同轴电缆10的直径可以是确定电介质结构14的高度的因子，特别是当衬底5将被用于支撑同轴电缆10的情况。通常，期望的同轴电缆将具有1.2～1.8mm的直径，然而根据本发明可以使用其他尺寸的电缆。因此，电介质结构14的高度将约为0.4～0.6mm。KQ型材料的一个引起注意的特性是材料的自由边缘在烧结期间回缩(pull back)。这个行为在电介质结构14的周围产生大约45度的斜角。
根据本发明的优选实施例，将电介质结构14的有斜角的边缘涂覆金，从而将接地平面延伸到电介质结构14的有斜角的斜面之上。此外，电介质结构14的接地侧壁形成了围绕波导(传输线12)的中心导体的侧面接地面。
用作图1A和图1B中的示例的同轴电缆10是基于低损耗相位稳定半刚性同轴电缆，例如可从MICRO-COAX COMPONENTS公司获得的UT47-LL和UT 70-LL。同轴电缆10包括外导体22、电介质层24和中心导体26。外导体22可以由铜构成，电介质层24为PTE，而中心导体26为镀银的铜。外导体22可以镀锡以提供附加的耐久性。为了准备将同轴电缆10连接到传输线12和接地平面，外导体22和电介质层24以相对同轴电缆10的轴线的一个角度被剥开，该角度基本上与电介质结构14的边缘上的斜角相匹配。在上面给出的示例中，这个角度大约是45度。中心导体26的暴露面优选地与同轴电缆10的轴线成直角。尽管本领域普通技术人员将意识到，对连接进行建模以精确确定暴露同轴电缆10的最优长度的重要性，但是应当理解越短越好，在最远点测量大约为10密耳左右。
可以使用多种技术，包括导电环氧树脂或焊料，将同轴电缆10连接到传输线12和接地平面。如果选择焊料用于连接，则焊料应当是能够限制或消除电介质结构14上的金层浸出的类型。中心导体26可以由支座28支撑，该支座28使用焊料或环氧树脂被固定在传输线12和中心导体26之间。与电介质结构14的斜角相接触的外导体22的部分使用用于提供粘接的焊料或环氧树脂被固定。可以证实，简单地将焊料或环氧树脂施用于同轴电缆10与电介质结构14的斜角相对齐的全部区域是较容易且较节约成本的。如果需要，可以提供可选的支架30。如果需要的话，支架可以是镀金的，并电连接到接地平面和外导体22。还应当注意，支架可以仅仅是将同轴电缆10粘接到衬底5的焊料。
将同轴电缆10截成斜角以匹配电介质结构14的固有斜面，最小化了二者之间的高频不连续性，并且使得将外导体22连接到电介质结构14的侧壁并进而连接到接地平面变得相对容易。电磁仿真示出了连接质量的显著改善。可以调整电介质结构14的厚度以匹配中心导体26的高度。同轴电缆10可以放置在衬底5和/或与衬底5相关联的支架30之上，提供了同轴电缆10的机械刚性以及将同轴电缆的外导体22连接到电路地的方法。图1示出的连接优化了连接的微波性能。
图2A是根据本发明第二优选实施例的连接到传输线12的同轴电缆10的轴测图。图2B是根据本发明第二优选实施例的连接到传输线12的同轴电缆10的侧视图。电介质结构14a由两个层34和32形成。如上所述，这些层34和32的数目与厚度由被用于形成电介质结构14a的工艺来确定，并且可以考虑同轴电缆10的厚度。根据第二优选实施例，同轴电缆10以另一种方式被剥开，以相对于图1a和图1b中所示出的实施例潜在地改进信号完整性。
支座28的其他细节可以参见图2B。在该示例中，基座28使用垫片28a，该垫片28a通过焊料(见28b和28c)将中心导体26固定到传输线12上。可以证实，简单地将焊料流经整个垫片28a的周围以形成连接是较容易的。对于如图1中示出的示例，基于中心导体26在传输线12上方的高度来选择支座28的高度。
已经使确定传输线12上的中心导体26的连接点和电介质结构14a上的外导体22的连接点之间的距离最小化是有利的。5密耳量级的间隔提供了较好的结果，同时在技术上是可行的。然而，在承受得起的成本增加的条件下，正如建模被一直建议的那样，较小的间隙可以提供额外的益处。因此，在区域36内至少将外导体22的一部分粘接到电介质结构14a的上表面有助于更精细地控制上述距离。在电介质结构14a和外导体22之间具有小于1密耳的间隔是期望的，但非必须的。
例如，在电介质结构14a的层34的表面上的区域36之上可以形成至少一个导电带。金沉积可以形成带36。所述带被电连接到沉积在电介质结构14a的斜角上的金层。带的大小和形状优选地通过对连接的建模来确定。
同轴电缆10最初被剥开以露出中心导体26，中心导体26具有垂直于同轴电缆10的纵轴的平坦表面38。在所描述的特定示例中，中心导体26优选地伸过平坦表面38约10～14密耳。然而，注意的是任何给定连接的确切距离应当通过建模和/或经验分析来确定。
平行于同轴电缆10的纵轴来切割电介质层24和外导体22的部分40。所述部分40被固定到电介质层14a的表面。如所提到的，例如使用焊料或环氧树脂，外导体22的暴露部分可以被电连接到沉积在区域36中的导电带。电介质层24和外导体22的部分42被切割以基本上匹配电介质结构14a的固有角度，并电连接到电介质结构14a的斜角上的金镀层。
发明人已经发现，与部分40和42相对的辅助斜角44可以改善连接的响应。在图2中示出的示例中，斜角44从中心导体26的外表面以近似45度的角度延伸。然而，注意的是对于任何给定同轴电缆10和连接的确切角度和开始位置应当通过建模和/或经验分析来确定。
如第一实施例中那样，中心导体26可以由垫片28来支撑，所述垫片28可以是例如被焊接到合适位置。并且，同轴电缆10可以由与衬底相关联的支架30来支撑。
图3是根据本发明第三优选实施例的连接到传输线12的同轴电缆10的轴测线框图。发明人已经发现，不仅减少中心导体26的连接点和外导体22的连接点之间的距离是理想的，而且可以证明减少中心导体26和传输线12之间的距离也是有益的。为此，根据本发明的第三实施例，朝向传输线12弯曲中心导体26，以将中心导体26和传输线12之间的距离减少到近似3密耳。同轴电缆10被剥开，使得中心导体26的最远端距离平坦表面38近似为20～30密耳。
在图3示出的示例中，带46被示出为沉积在区域36内，在所述带中形成槽口46a来控制带36的面积，用于减少对地电容，以提供优良的电气性能。本领域普通技术人员将能够对每个具体连接进行建模以确定带46的最优面积。
尽管已经示出并描述了本发明的若干实施例，但是本领域普通技术人员将意识到，在不脱离本发明的原理和精神的条件下，可以对这些实施例做出修改，本发明的范围在权利要求及其等同物中被定义。
权利要求
1.一种方法，用于将同轴电缆连接到位于在整体屏蔽的微电路中的至少一层厚膜电介质之上的传输线，所述方法包括暴露所述同轴电缆的中心导体的一段；以一个角度剥开所述同轴电缆的一部分，所述角度与所述至少一层厚膜电介质上的斜角基本相同；将所述至少一层厚膜电介质的所述斜角镀金；将所述中心导体的暴露段接合到所述传输线；以及将所述同轴电缆的外导体接合到所述至少一层厚膜电介质上的金镀层，使得所述同轴电缆的成角度的部分与所述厚膜电介质的所述斜角相配合。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述传输线是微波传输带、共面波导和耦合微波传输带中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述传输线与第二传输线结构相接口，所述第二传输线结构包括带状线、准同轴线和耦合带状线。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述厚膜电介质是KQ材料。
5.如权利要求1所述的方法，还包括将与所述成角度的部分相对的所述同轴电缆的一部分截成斜角。
6.如权利要求1所述的方法，其中将所述中心导体的所述暴露段接合到所述传输线的步骤包括将垫片接合到所述传输线；以及将所述中心导体接合到所述垫片。
7.如权利要求1所述的方法，还包括朝向所述被剥开的同轴电缆的所述成角度的部分将所述中心导体的所述暴露段向所述传输线弯曲。
8.如权利要求1所述的方法，还包括邻近所述成角度的部分在所述同轴电缆中切割出一个平坦部分，以与所述厚膜电介质的顶部相配合。
9.如权利要求8所述的方法，还包括用金涂覆所述厚膜电介质的所述顶部的部分，以及将所述同轴电缆的所述平坦部分之上的所述外导体接合到所述厚膜电介质的所述顶部之上的所述金涂层。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述中心导体被接合到其上的所述传输线部分和所述金镀层之间的间隙为10密耳或更小。
11.如权利要求1所述的方法，其中在所述中心导体被接合到其上的所述传输线部分和所述金镀层之间的间隙为10密耳或更小。
12.一种到微电路的接口，包括支撑接地平面的衬底；电介质结构，所述电介质结构具有电连接到所述接地平面的金涂覆倾斜侧壁；由所述电介质结构支撑的传输线，所述传输线与所述微电路电通信；和同轴电缆，所述同轴电缆具有以一个角度被截成斜面的末端的至少第一部分，所述角度与所述电介质结构的所述倾斜侧壁的角度基本相同，其中所述中心导体的暴露段被接合到所述传输线；以及所述同轴电缆的外导体被接合到所述电介质结构上的所述金镀层，使得所述同轴电缆的成角度的部分与厚膜电介质的斜角相配合。
13.如权利要求12所述的接口，还包括将所述中心导体的所述暴露段连接到所述传输线的垫片。
14.如权利要求12所述的接口，其中所述中心导体的所述暴露段朝向所述传输线被弯曲。
15.如权利要求12所述的接口，其中所述同轴电缆具有与所述第一部分相对的第二斜角部分，所述第二斜角部分在与所述第一斜角部分不同的方向倾斜。
16.如权利要求12所述的接口，其中所述第一部分邻近一个平坦部分，所述平坦部分具有与所述中心导体共面延伸的表面，所述平坦部分横贯在所述第一部分和所述中心导体从其开始延伸的所述同轴电缆的表面之间。
17.如权利要求16所述的接口，其中所述平坦部分由所述电介质结构的顶部表面支撑。
18.如权利要求17所述的接口，其中所述电介质结构具有连接到所述金涂覆倾斜侧壁的电迹线，所述电迹线位于所述同轴电缆的所述平坦部分的之下，使得在所述外导体的暴露边缘和所述电迹线之间形成电连接。
19.如权利要求18所述的接口，其中所述电迹线和所述传输线之间的间隙为10密耳或更小。
20.如权利要求12所述的接口，其中所述传输线是微波传输带、共面波导和耦合微波传输带中的一种。
21.如权利要求12所述的接口，其中所述传输线与第二传输线结构相接口，所述第二传输线结构包括带状线、准同轴线和耦合带状线。
全文摘要
本发明提供了将信号引入屏蔽射频电路的方法与装置。所述方法与装置提供了到在支撑接地平面的衬底上形成的微电路的接口。衬底支撑一个电介质结构，该电介质结构具有电连接到接地平面的金涂覆倾斜侧壁。该电介质结构支撑连接到微电路的传输线。同轴电缆连接到该传输线。该同轴电缆具有以一个角度剥开的末端，该角度基本与电介质结构的倾斜侧壁的角度相同，其中，中心导体的露出段接合到传输线，并且同轴电缆的外导体接合到电介质结构上的金镀层，使得同轴电缆的成角度的部分与厚膜电介质的斜角相配合。
文档编号H01P5/08GK1574450SQ20041004284
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月26日 优先权日2003年5月30日
发明者刘易斯·R·达夫, 罗伯特·E·阿尔曼, 詹姆斯·P·斯蒂芬斯, 迈克尔·T·鲍尔斯, 迈克尔·B·怀特纳 申请人:安捷伦科技有限公司