一种基片集成波导-pin二极管限幅器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微波器件，尤其是一种基片集成波导-PIN二极管限幅器的实现 方式。
【背景技术】
[0002] 限幅器是一种重要的微波控制元件，用于保护微波毫米波接收机电路不被大功率 信号和强电磁脉冲损坏，作为微波毫米波接收机的关键组成部分，其性能的优异决定了接 收机的抗烧毁能力。传统的微波毫米波金属波导可以制作出高Q值、低损耗、高性能的微 波毫米波限幅器，但是这种器件首先难以加工，需要很高的加工精度；其次生产成本比较昂 贵；第三这种器件体积比较庞大，很难应用于微波、毫米波集成电路的设计之中。因此，迫切 需要体积小、重量轻、高Q值、低成本、易于集成的微波毫米波限幅器，以利于微波毫米波集 成电路的设计。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中所存在的利用传统波导制作限幅器加工精度高、 生产成本比较昂贵且限幅器体积庞大，难以在微波、毫米波应用的问题，本发明提供一种基 片集成波导-PIN二极管限幅器，具有体积小、重量轻、插入损耗小和易于平面集成的优点， 可广泛应用于微波毫米波电路。
[0004] 技术方案：为了实现上述目的，本发明提供的基片集成波导-PIN二极管限幅器包 括：金属托板、介质基板、导体带、两侧金属化通孔、中心金属化通孔和非金属化通孔；所述 介质基板设置在所述金属托板上，其顶面和底面分别设有上金属层和下金属层，其两端的 顶面上还设置有导体带；所述介质基板上还设置有两侧金属化通孔、中心金属化通孔和至 少两对非金属化通孔，在所述非金属化通孔的内部埋有PIN二极管芯片，所述PIN二极管芯 片通过金丝键合与上金属层连接。
[0005] 其中，所述两侧金属化通孔是贯穿所述介质基板的孔状结构，其内壁上涂有导电 材料用来导通上金属层与下金属层。
[0006] 其中，所述非金属化通孔是贯穿所述介质基板的孔状结构。
[0007] 其中，所述两对非金属化通孔内的PIN二极管芯片的导通方向一致。
[0008] 为了起到更好的限幅作用，在每两对非金属化通孔之间设置有一个中心金属化通 孔。
[0009] 进一步地，所述中心金属化通孔与每对所述非金属化通孔之间的距离为中心频率 处波导波长的〇. 3~0. 7倍。
[0010] 有益效果：本发明的基片集成波导-PIN二极管限幅器，利用基片集成波导具有体 积小、重量轻、高Q值、易于集成的优点，并通过金丝键合的方法将PIN二极管和基片集成波 导结合在一起，能够在小信号状态下具有较小的插入损耗，在大信号状态具有较大插入损 耗，且具有体积小、重量轻、高Q值和易于集成的优点；本发明的基片集成波导-PIN二极管 限幅器，结构简单，能够通过调整两侧金属化通孔、中心金属化通孔和非金属化通孔相互之 间的距离，尤其是中心金属化通孔和非金属化通孔的尺寸和位置来改变限幅器的工作带宽 和限幅性能，易于加工，方便批量化生产。
【附图说明】
[0011] 图1是基片集成波导-PIN二极管限幅器的结构示意图；
[0012] 图2是图1中非金属化通孔的放大图；
[0013] 图3是基片集成波导-PIN二极管限幅器的等效电路图；
[0014] 图4是K波段基片集成波导-PIN二极管限幅器的结构示意图；
[0015] 图5是K波段基片集成波导-PIN二极管限幅器的小信号状态的插入损耗和回波 损耗测试结果图；
[0016] 图6是K波段基片集成波导-PIN二极管限幅器的大信号状态的插入损耗测试结 果图；
[0017] 图1中1是金属托板；2是介质基板；3是导体带；4是两侧金属通孔；5是中心金 属化通孔；6是非金属化通孔；图2中，7是PIN二极管芯片；8是金丝；限幅器的底部全部为 下金属层；
[0018] 图4中w是两行两侧金属化通孔之间的距离，wl是每对非金属化通孔之间的间距， w2是同一侧导体带之间的距离，d是两侧金属化通孔的孔距，1是每行两侧金属化通孔的长 度，vd为两侧金属化通孔的孔径，vdl为非金属化通孔的孔径，vd2为中心金属化通孔的孔 径，11为中心金属化通孔与每对非金属化通孔之间的距离。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0020] 图1中的基片集成波导-PIN二极管限幅器包括：金属托板1、介质基板2、导体带 3、两侧金属化通孔4、中心金属化通孔5和非金属化通孔6 ;介质基板2设置在金属托板1 上，有利于大信号状态时的散热，介质基板2的材料为陶瓷或聚四氟乙烯树脂、热固性清算 只树脂、聚酰亚胺树脂等有机材料；介质基板2的顶面和底面分别铺设有上金属层和下金 属层（图中未标示），在介质基板2顶面的四个角上均设置有导体带3,介质基板2以及其顶 面的导体带3和下金属层构成了微带线，微带线位于整个限幅器的输入端口和输出端口， 便于基片集成波导与外部电路的连接；介质基板2上还设置有两侧金属化通孔4,两侧金属 化通孔4为贯穿介质基板2的孔状结构，两侧金属化通孔4有两行，且平行设置在介质基板 2的顶面靠近两侧边缘的位置，其内壁涂有导电材料，连通上金属层与下金属层；介质基板 2、上金属层、下金属层和两侧金属化通孔4构成了基片集成波导，两侧金属化通孔4个数越 多，波导的性能越好；在介质基板2上设有中心金属化通孔5和两对非金属化通孔6,中心 金属化通孔5位于基片集成波导的中心轴上，每对非金属化通孔6关于中心轴对称分布，非 金属化通孔是贯穿所述介质基板的孔状结构，其内壁因介质基板2为绝缘材料处于非导通 状态，在非金属化通孔6内部埋有PIN二极管芯片7,如图2所示，PIN二极管芯片7通过金 丝8键合与上金属层连通，实现与基片集成波导的连接。每一对非金属化通孔6内部的PIN 二极管芯片7与中心金属化通孔5之间的基片集成波导构成一个谐振器，通过改变每对非 金属化通孔6之间的距离能够控制限幅器在小信号状态下的插入损耗，通过改变每对非金 属化通孔6与中心金属化通孔5之间的距离能够控制限幅器的工作带宽；每增加一对非金 属化通孔相当于增加了一个谐振器，可以改善限幅器的性能。
[0021] 本发明的限幅器的工作原理是：小信号状态下，限幅器的等效电路如图3所示，限 幅器中的两列PIN二极管7和中心金属化5通孔之间的两段基片集成波导构成2个谐振 器，此时PIN二极管呈现为容性，对于高频信号相当于直接通过。在基片集成波导中，一对 PIN二极管7和中心金属化通孔5分别等效为两个串联电感和一个并联电感，改变它们的尺 寸可以改变两个谐振器之间的耦合以及谐振器与外部电路之间的耦合，此时限幅器的幅频 特性类似一个2阶并联电感耦合带通滤波器；而在大信号状态下，PIN二极管的特性变为阻 性，谐振器的特性、谐振器之间的耦合以及谐振器与外部电路之间的耦合都发生了变化，这 导致限幅器幅频特性从带通特性变为大幅度衰减。
[0022] 非金属化通孔6的直径以能放下PIN二极管7为宜，不宜太大；非金属化通孔6与 中心金属化通孔5之间的距离一般设置为中心频率处波导波长的0. 3~0. 7倍。其他尺寸 需要根据具体性能指标进行计算和优化。
[0023] 图4中的限幅器为一款K波段基片集成波导-PIN二极管限幅器，其相关参数设置 如表1中所示：
[0024] 表1K波段限幅器的具体尺寸
[0025] (units: mm)
[0026]
[0028]针对图4中的K波段基片集成波导-PIN二极管限幅器进行测试，从图5中可以 看出，该K波段集成波导-PIN二极管限幅器在小信号状态下，中心频率26. 5GHz，插入损耗 为-2dB，回波损耗小于-20dB;图6中，该K波段集成波导-PIN二极管限幅器在大信号状态 下，插入损耗为-17dB左右，可见该限幅器在小信号状态下具有较小的插入损耗，在大信号 状态具有较大插入损耗，能够起到较好的限幅作用。
【主权项】
1. 一种基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在于，该限幅器包括：金属托板（I )、 介质基板（2)、导体带（3)、两侧金属化通孔（4)、中心金属化通孔（5)和非金属化通孔（6); 所述介质基板（2)设置在所述金属托板（1)上，其顶面和底面分别设有上金属层和下金属 层，其顶面的四个角上均设置有导体带（3);所述介质基板（2)上还设置有两侧金属化通孔 (4)、中心金属化通孔（5 )和至少两对非金属化通孔（6 )，在所述非金属化通孔（6 )的内部埋 有PIN二极管芯片（7)，所述PIN二极管芯片（7)通过金丝（8)键合与上金属层连接。2. 根据权利要求1所述的基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在于，所述两侧金 属化通孔（4)是贯穿所述介质基板（2)的孔状结构，其内壁上涂有导电材料用来导通上金 属层与下金属层。3. 根据权利要求1所述的基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在于，所述非金属 化通孔（6)是贯穿所述介质基板（2)的孔状结构。4. 根据权利要求1所述的基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在于，每两对所述 非金属化通孔（6)内的PIN二极管芯片（7)的导通方向一致。5. 根据权利要求4所述的基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在于，在每两对非 金属化通孔（6 )之间设置有一个中心金属化通孔（5 )。6. 根据权利要求5所述的基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在于，所述中心金 属化通孔（5)与每对所述非金属化通孔之间的距离为中心频率处波导波长的0. 3~0. 7倍。7. 根据权利要求1至6中任意一项所述的基片集成波导-PIN二极管限幅器，其特征在 于，所述介质基板（2)的材料为有机材料或陶瓷。
【专利摘要】本发明公开了一种基片集成波导-PIN二极管限幅器，该限幅器通过在介质基板上设置两侧金属化通孔、中心金属化通孔和非金属化通孔，并在非金属化通孔的内部埋有PIN二极管芯片，利用PIN二极管芯片与波导连接，解决了利用传统波导制作的限幅器加工精度高、生产成本比较昂贵、体积比较庞大，难以在微波、毫米波应用的问题。该限幅器在微波、毫米波频段小信号状态下插入损耗小，大信号状态下插入损耗大，具有良好的限幅特性；同时具有体积小，重量轻，易于平面集成的优势，能够满足微波毫米波系统对限幅器的高性能要求，且该限幅器结构简单，易于批量生产。
【IPC分类】H01P5/08, H01P1/20
【公开号】CN105006609
【申请号】CN201510366277
【发明人】王元庆, 刘蕾蕾, 周明
【申请人】中国电子科技集团公司第五十五研究所
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月29日