Ltcc小型化微波无源器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种LTCC小型化微波无源器件。包括介质层和介质层间的金属层，其中，介质层包括从上到下依次排列的第一微带介质层、第二微带介质层、第三微带介质层和第一状线介质层、第二状线介质层、第三状线介质层、第四状线介质层、第五状线介质层、第六带状线介质层；金属层包括第一微带介质层上的微带线、第三微带介质层和第一带状线介质层间的第一接地面、第三和第四带状线介质层间的带状线、第六层带状线介质层下的第二接地面。本发明的有益效果是：本发明的LTCC小型化微波无源器件采用了多层布线方案，在同一工作频率下，减小了电路尺寸和重量，有效解决了传输线重叠的问题，减少了寄生参量，结构简单且性能较好。
【专利说明】LTCC小型化微波无源器件
【技术领域】
[0001]本发明属于微波控制电路【技术领域】，尤其涉及一种基于低温共烧陶瓷(LowTemperature Co-fired Ceramic, LTCC)的小型化微波无源器件。
【背景技术】
[0002]低温共烧陶瓷(LowTemperature Co-fired Ceramic, LTCC)技术是 1982 年开始发展起来的令人瞩目的整合组件技术，已经成为无源集成的主流技术，成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。这种技术可以成功地制造出各种高技术LTCC产品。多个不同类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内有多种方法，主要有低温共烧陶瓷(LTCC)技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术等。LTCC技术是无源集成的主流技术。与其它集成技术相比，LTCC有着众多优点:第一，陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性；第二，可以适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可应用于恶劣环境，延长了其使用寿命；第三，可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，免除了封装组件的成本，在层数很高的三维电路基板上，实现无源和有源的集成，有利于提高电路的组装密度，进一步减小体积和重量；第四，与其他多层布线技术具有良好的兼容性，例如将LTCC与薄膜布线技术结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件；第五，非连续式的生产工艺，便于成品制成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；第六，节能、节材、绿色、环保已经成为元件行业发展势不可挡的潮流，LTCC也正是迎合了这一发展需求，最大程度上降低了原料，废料和生产过程中带来的环境污染。它的应用优势在于:(I)易于实现更多布线层数，提高组装密度；(2)易于内埋置元器件，提高组装密度，实现多功能；(3)便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；(4)具有良好的高频特性和高速传输特性；(5)易于形成多种结构的空腔，从而可实现性能优良的多功能微波MCM; (6)与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件(MCM-C/D) ；(7)易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。LTCC技术由于自身具有的独特优点，用于制作新一代移动通信中的表面组装型元器件，将显现出巨大的优越性。射频模块的集成性和功耗与它结构的物理限制息息相关，射频模块的小型化无疑成为整个无线终端设备小型化的重要条件，另外为了延长工作时间及提升便携性，更小尺寸和更低功耗也成为研制设备的不懈追求。微波无源器件是现代射频模块的重要组成部分，从射频技术的发展进程来看，无源器件己经成为限制射频模块成本和体积的主要因素。微波无源器件包括耦合器、功分器、滤波器、双工器、天线、巴伦等。目前常用的小型化技术主要有集总参数元件加载，枝节加载，和复合左右手传输线等。集总参数原件加载的方法会引入较多寄生参量，且限于元件的自谐振频率，特别是在频率较高情况下对电路性能影响较大；复合左右手传输线结构则较为复杂，要求加工精度高，相对难以实现；缺陷地结构是通过在接地板上刻烛缺陷的图形构造的，在接地板上刻蚀缺陷的图形会扰乱接地板上传导电流的分布，从而对无源器件性能造成不利影响。而在传输线的两端或者中间加载开路短截线，可以改变传输线的等效传输常数，从而缩短传输线长度，电路结构简单，成本较低，且性能良好，但是平面结构中传输线相互重叠的问题难以解决，使其应用和性能受到很大限制。低温共烧陶瓷技术(LTCC)由于其低成本、低介质损耗、多层布局、良好的导电导热率和高频高Q等特性被广泛应用于各种小型化、轻量化、高性能和闻集成度的微波晕米波电路与系统。将传输线加载开路枝节和LTCC技术相结合，将开路枝节布局到主传输线不同层，可有效解决传输线相互重叠的问题，进一步发挥小型化优势。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明提出了一种基于低温共烧陶瓷(Low TemperatureCo-fired Ceramic, LTCC)的小型化微波无源器件。
[0004]本发明的技术方案是:一种LTCC小型化微波无源器件，包括介质层和介质层间的金属层，其中，介质层包括从上到下依次排列的第一微带介质层、第二微带介质层、第三微带介质层和第一状线介质层、第二状线介质层、第三状线介质层、第四状线介质层、第五状线介质层、第六带状线介质层；金属层包括第一微带介质层上的微带线、第三微带介质层和第一带状线介质层间的第一接地面、第三和第四带状线介质层间的带状线、第六层带状线介质层下的第二接地面，所述微带线设有微波无源器件主体。
[0005]进一步地，上述微带线和带状线之间设有互连通孔，所述互连通孔从上到下依次穿过第一微带介质层、第二微带介质层、第三微带介质层、第一接地面、第一状线介质层、第二状线介质层、第三状线介质层。
[0006]进一步地，上述互连通孔与带状线共同构成开路枝节。
[0007]进一步地，上述微波无源器件主体和带状线通过互连通孔连接。
[0008]本发明的有益效果是:本发明的LTCC小型化微波无源器件采用了多层布线方案，发挥了 LTCC技术优势，在同一工作频率下，与传统无源器件相比，减小了电路尺寸和重量；与平面电路的枝节加载结构相比，互连通孔等效为一段枝节，另一段枝节放置于器件不同层，有效解决了传输线重叠的问题。本发明的无源器件输入输出结构根据需求还可设计为微带线或接地共面波导，易于与其他元器件相互集成，各介质层间采用信号通孔互连减少了寄生参量，结构简单且性能较好。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明的LTCC小型化无源器件的层次结构示意图。
[0010]图2是本发明的LTCC小型化无源器件微带线的平面结构示意图。
[0011]图3是本发明的LTCC小型化无源器件第一微带线介质层、第二微带线介质层、第三微带线介质层中互连通孔结构示意图。
[0012]图4是本发明的LTCC小型化无源器件第一接地面的平面结构示意图。
[0013]图5是本发明的LTCC小型化无源器件第一带状线介质层、第二带状线介质层、第三带状线介质层中互连通孔的平面结构示意图。
[0014]图6是本发明的LTCC小型化无源器件带状线的平面结构示意图。
[0015]图7是本发明的LTCC小型化无源器件第二接地面的平面结构示意图。
[0016]图8是本发明的LTCC小型化无源器件S参数幅度特性。
[0017]图9是本发明的LTCC小型化无源器件S参数相位特性。
[0018]图10是本发明的LTCC小型化无源器件与传统器件尺寸对比图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]本实施例中的LTCC小型化微波无源器件是一种四端口器件，耦合线定向耦合器。
[0021]如图1所示，本发明的LTCC小型化微波无源器件，包括介质层和介质层间的金属层，其中，介质层包括从上到下依次排列的第一微带线介质层1、第二微带线介质层2、第三微带线介质层3和第一带状线介质层4、第二带状线介质层5、第三带状线介质层6、第四带状线介质层7、第五带状线介质层8、第六带状线介质层9 ;金属层包括第一微带线介质层I上的微带线10、第三微带线介质层3和第一带状线介质层4间的第一接地面11、第三带状线介质层6和第四带状线介质层7间的带状线12、第六层带状线介质层9下的第二接地面13。微带线10和带状线12之间设有互连通孔14，互连通孔14从上到下依次穿过第一微带线介质层1、第二微带介质层2、第三微带介质层3、第一接地面13、第一状线介质层4、第二状线介质层5、第三状线介质层6。不同金属层间通过信号互连通孔14相互连接，互连通孔14经过接地面部分需在金属地上挖空，使通孔通过而不与金属地相连。
[0022]如图2所示，为本实施例中的微带线平面结构。其中，2-1为CPWG的同层接地面，2-2为CPWG的中心导体，2-3为两端加载了开路枝节的λ g/4耦合线，2_4为50 Ω微带线，2-5为渐变阻抗线。输入输出结构为50 Ω接地共面波导(CPWG)，包括同层接地面2-1和中心导体2-2。
[0023]如图3所示，为本实施例中第一微带线介质层、第二微带线介质层、第三微带线介质层中的互连通孔平面结构。其中，3-1为接地共面波导同层接地面与第一接地面相连的互连通孔，3-2为耦合线加载枝节的信号互连通孔在微带线介质中的部分。
[0024]如图4所示，为本实施例中微带线与带状线公用的第一接地面的平面结构。其中，4-1为上为使信号互连通孔通过而在金属地上挖空的部分，4-2为接地面的金属部分。
[0025]如图5所示，为本实施例中第一带状线介质层、第二带状线介质层、第三带状线介质层中的互连通孔的平面结构。其中，5-1为微带耦合线加载枝节的信号互连通孔在带状线介质中的部分，且与3-2位置相同，相互连接，构成第一枝节。
[0026]如图6所示，为本实施例中带状线的平面结构。其中，6-1为开路枝节的一部分，构成第二枝节，与3-2、5-1表示的层间互连通孔形成的第一枝节共同构成加载在λ g/4耦合线两端的并联枝节。
[0027]如图7所示，为本实施例中第六层带状线介质层下的第二接地面平面结构。该接地面为整块的大面积金属地。4-2所示第一接地面和7-1所示第二接地面通过基板侧壁包金相互连接，保证整体的良好接地。
[0028]定向耦合器是把两根传输线放置在足够近的位置使得一条线上的功率可以耦合到另一条线上的元件。如四个端口均匹配，在理想情况下，定向耦合器是无耗互易的；信号可由任意一端输入，通过传输线与其直接相连的端口为直通端，由耦合线将信号耦合到耦合端，耦合端位于输入端同侧，相应的隔离端位于直通端同侧；当耦合路径的长度为信号频率对应波长的四分之一时，信号输入端和耦合端之间的耦合达到最大，且直通端与耦合端信号应相互正交，功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则为隔离端，无功率输出。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反，则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变，也就是说，功率的耦合(分配)是有方向的，因此称为定向率禹合器(方向性I禹合器)。
[0029]具体来讲，对传输线加载开路枝节，其实质是改变加载枝节后的传输线整体等效传输常数使得对应相同电长度的物理长度缩短，从而达到小型化的目的，但因此也会导致传输线本身特性阻抗发生变化。本实施例的输入输出端口均为50Ω的接地共面波导(CPWG)，如图2中2-1、2-2所示；之后连接一段50 Ω微带线，如2_4所示，50Ω微带线与50 Ω接地共面波导直接相连，可保证阻抗匹配，减小回波损耗；在与50Ω微带传输线相连时，为改善其回波特性，在两段传输线之间增加一段阻抗渐变线，如2-5所示；对接地共面波导的同层接地面接近微带线一侧进行倒角，以保证工艺能够实现而不至于使接地面与微带线连接起来。互连通孔等效为开路枝节的一部分，其等效特性阻抗可根据改变接第一地面上挖空部分面积进行调整，如图4中4-1所示；另外根据实际需要互连通孔孔径也可根据需要进行调整，如3-1、3-2、5-1所示；带状线部分枝节长度和宽度均可调节，如图6中6-1所示，通孔跟带状线枝节两部分结合优化可得到预期的设计效果。
[0030]本实施例采用的介质为Ferror A6生瓷带,介电常数ε r为5.9,每层生瓷带厚度为0.094mm,表面金属材料为金,埋置金属及通孔材料为银，每层金属厚度为0.01mm。其设计中心频率10GHz，耦合度为-10dB。其S参数特性如图8、图9所示，由图可看出，该小型化定向耦合器耦合度较为精确，在中心频率处误差小于0.1dB ;回波损耗在中心频点处为-23.7dB ;插损优于-1dB ;直通端和耦合端在中心频率处相位误差〈1°，在8到IlGHz内误差〈3°，实现了较好的性能。如图10所示，为本实施例与传统定向耦合器尺寸对比图，其中10-1为本实施例的所述小型化定向耦合器，10-2为传统结构微带线定向耦合器。本实施例λ g/4耦合线长度仅有1.86mm,宽度仅有0.17mm,传统结构长度为3.6mm,宽度为
0.42mm，在核心结构上本实施例面积比传统结构缩小了 70%，在加上过渡和接地共面波导的测试结构后尺寸也仅有4*4.5*0.886mm3,达到了良好的效果。
[0031]本发明也可应用于其它微波无源器件，如分支线电桥、环形电桥、威尔金森功分器、巴伦等。根据实际应用需要，器件主体也可采用带状线，加载的第二枝节用微带或带状线实现，且第二枝节可以为一根或多根并联，且输出输出端口根据需求可采用微带或其它电路结构。
[0032]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种LTCC小型化微波无源器件，其特征在于:包括介质层和介质层间的金属层，其中，介质层包括从上到下依次排列的第一微带线介质层、第二微带线介质层、第三微带线介质层和第一带状线介质层、第二带状线介质层、第三带状线介质层、第四带状线介质层、第五带状线介质层、第六带状线介质层；金属层包括第一微带线介质层上的微带线、第三微带线介质层和第一带状线介质层间的第一接地面、第三带状线介质层和第四带状线介质层间的带状线、第六层带状线介质层下的第二接地面，所述微带线设有微波无源器件主体。
2.根据权利要求1所述的LTCC小型化微波无源器件，其特征在于:所述微带线和带状线之间设有互连通孔，所述互连通孔从上到下依次穿过第一微带线介质层、第二微带线介质层、第三微带线介质层、第一接地面、第一带状线介质层、第二带状线介质层、第三带状线介质层。
3.根据权利要求2所述的LTCC小型化微波无源器件，其特征在于:所述互连通孔与带状线共同构成开路枝节。
4.根据权利要求2所述的LTCC小型化微波无源器件，其特征在于:所述微波无源器件主体和带状线通过互连通孔连接。
【文档编号】H01P5/18GK104201454SQ201410376606
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】胡江, 刘伊民, 夏雷, 周扬帆, 延波, 谢俊 申请人:电子科技大学