一种基于ltcc技术的基片集成波导式铁氧体移相器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波通信器件领域，具体涉及一种基于LTCC技术的小型化基片集成波导式铁氧体移相器。
【背景技术】
[0002]应用于微波通信领域的移相器主要有PIN、MMIC移相器，MEMS移相器和铁氧体移相器。其中，铁氧体移相器相对于PIN二极管、MMIC等形式的移相器，在插入损耗、功耗和功率容量方面有很大的优势。
[0003]目前常见的微波铁氧体移相器主要是采用在传统波导(如矩形波导)加载铁氧体环的形式制作的，如典型Reggia-Spencer移相器等，这种传统波导型铁氧体移相器中波导尺寸由所传播的电磁波波长决定，很难压缩，导致移相器的体积和重量都较大，且很难与有源电路连接。因此，如何在缩小铁氧体移相器的体积和重量的同时，保证其良好的性能，成为当前铁氧体移相器发展所面临的一大技术难题。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，该基片集成波导式铁氧体移相器在兼顾插入损耗和平均功率方面的优异性能的同时，能显著减小铁氧体移相器的体积，实现与有源电路的集成。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]—种基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，包括介质基板、铁氧体块和介质块，所述介质基板的上表面设置有第一金属层，介质基板的下表面设置有第二金属层，所述介质基板上设置有两排相互平行的金属柱并且所述金属柱贯穿第一金属层、介质基板、第二金属层形成基片集成波导，其特征在于，所述铁氧体块嵌入所述介质基板中且沿基片集成波导的传输方向贯穿介质基板，所述介质块嵌入所述铁氧体块中且沿基片集成波导的传输方向贯穿铁氧体块，所述介质基板、铁氧体块和介质块具有相同的中心;所述铁氧体块上绕制η匝螺线管线圈，以在铁氧体内形成磁场回路，所述螺线管线圈的两个端口之间施加电压脉冲。
[0007]进一步地，所述基片集成波导式铁氧体移相器的第一金属层包括两个50欧姆微带线和两个过渡结构，所述过渡结构为一段渐宽的金属带条。
[0008]进一步地，所述金属柱为金属填充的圆柱、长方体等。
[0009]进一步地，所述螺线管线圈为金属导体，采用丝网印刷方法制得。
[0010]进一步地，所述铁氧体块、介质基板及介质块的尺寸大小由移相器的工作频率和相移量确定。
[0011 ]进一步地，所述基片集成波导式铁氧体移相器采用LTCC叠层工艺制得;各层介质和各层旋磁铁氧体采用对应的浆料，经过混料、流延、打孔、等静压技术制备得到。
[0012]进一步地，所述铁氧体块采用具有旋磁性、低矫顽力、低微波损耗的尖晶石系铁氧体粉料，如LiZn铁氧体、YIG铁氧体，经混料、流延和叠层制得。
[0013]进一步地，所述第一金属层和第二金属层采用银、铜等金属导体制得。
[0014]本发明所述移相器的工作原理如下:
[0015]将移相器的微波输入输出端分别接到微波电路中，在螺线管线圈的两个输入电极端口间施加电压脉冲;馈入正向电压脉冲时，铁氧体将被饱和磁化，去掉磁化电流后，铁氧体将工作在剩磁状态，此时输出端口得到一个参考相位;当馈入负向电压脉冲时，将改变铁氧体的剩磁状态，得到一个新的相位，从而得到一个非互易相位差。
[0016]本发明的有益效果为:本发明提供的基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器与传统矩形波导式铁氧体移相器相比，体积大大减小，同时可以通过微带线等结构与有源电路连接，有利于实现移相器的小型化以及与其他微波有源电路的集成;且得到的铁氧体移相器具有插入损耗低和平均功率容量大的优异性能。
【附图说明】
[0017]图1为本发明基片集成波导式铁氧体移相器的整体结构示意图；
[0018]图2为本发明基片集成波导式铁氧体移相器沿A-A’面的截面图；其中，I为介质基板，2为铁氧体块，3为金属柱，4为介质块；
[0019]图3为本发明基片集成波导式铁氧体移相器的顶层和底层金属图案;其中，(a)为第一金属层图案，(b)为第二金属层图案，5为50欧姆微带线，6为过渡结构；
[0020]图4为实施例基片集成波导式铁氧体移相器中每匝线圈的绕制方式示意图；7为线圈；
[0021]图5为实施例基片集成波导式铁氧体移相器的插入损耗仿真结果图；
[0022]图6为实施例基片集成波导式铁氧体移相器的回波损耗仿真结果图；
[0023]图7为实施例基片集成波导式铁氧体移相器的电压驻波比仿真结果图；
[0024]图8为实施例基片集成波导式铁氧体移相器的相移量仿真图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0026]实施例
[0027]如图1、2所示，为本发明基片集成波导式铁氧体移相器的结构示意图，包括介质基板1、铁氧体块2和介质块4，所述介质基板的上表面设置有第一金属层，介质基板的下表面设置有第二金属层，所述介质基板上设置有两排相互平行的金属柱3并且所述金属柱贯穿第一金属层、介质基板、第二金属层形成基片集成波导，其特征在于，所述铁氧体块2嵌入所述介质基板I中且沿基片集成波导的传输方向贯穿介质基板，所述介质块4嵌入所述铁氧体块2中且沿基片集成波导的传输方向贯穿铁氧体块，所述介质基板、铁氧体块和介质块具有相同的中心;所述铁氧体块上绕制有以铁氧体块为磁芯的η匝螺线管线圈，每匝螺线管线圈的绕制方式如图4所示，每匝线圈均以铁氧体块为磁芯，在介质块和介质基板之间绕制，以在铁氧体内形成磁场回路，所述螺线管线圈的两个端口之间施加电压脉冲电。
[0028]进一步地，所述基片集成波导式铁氧体移相器采用LTCC叠层工艺、由20层层叠得至1J，每层厚度为0.1mm;移相器整体结构的长为35mm，宽为12mm，高为2mm。
[0029]如图3所示，所述基片集成波导式铁氧体移相器的第一金属层即顶层金属层包括两个50欧姆微带线5和两个过渡结构6，所述过渡结构6为一段渐宽的金属带条，所述50欧姆微带线的宽为1.21mm，厚度为2mm;所述第二金属层即底层金属层覆盖移相器的整个底面。所述基片集成波导中两排平行的银填充的金属圆柱共20层，每层厚度0.1mm，分布于介质材料中间；每排有71个金属圆柱，每排金属圆柱中相邻两金属圆柱中心间距为0.5mm，单个圆柱的直径为0.3mm，高为2mm，两排金属圆柱之间的距离为8mm。
[0030]进一步地，所述介质基板和介质块采用的介质材料为Ferro公司的ULF140型LTCC陶瓷，介电常数为14、正切损耗角为0.002;所述铁氧体块采用的铁氧体材料采用饱和磁感应强度4jtMS为2300gauss的LiZn铁氧体浆料，由LTCC工艺制得。
[0031]进一步地，所述铁氧体块的厚度h与介质基板的厚度相同，如图2所示，在铁氧体移相器的宽度方向上，介质基板与介质块之间的铁氧体块的宽度a为铁氧体块的厚度h的0.8?1.2倍。
[0032]进一步地，位于介质基板和介质块之间的铁氧体块可分为上下左右四部分，如图2所示，上、下部分的铁氧体长为35mm，宽为4.7mm，高为0.9mm，左、右两部分铁氧体长为35mm，宽为1.1mm，高为0.2mm，左、右两部分铁氧体之间的间距即介质块的宽度为3.5mm。
[0033]进一步地，所述左或右部分的铁氧体上采用丝网印刷法绕制3匝螺线管线圈，每匝螺线管线圈的绕制方式如图4所示，每匝线圈均以铁氧体块为磁芯，在介质块和介质基板之间绕制，以在铁氧体内形成磁场回路;相邻两匝线圈通过金属柱连接，螺线管线圈的两个端口通过金属柱连接至顶层，得到两个输入电极端口，用于施加电压脉冲。
[0034]进一步地，实施例基片集成波导式铁氧体移相器的尺寸为长*宽*高=35mm*12mm*2mm，大大小于常规矩形波导型移相器，同时可以通过微带线等与有源电路连接，有利于实现移相器的小型化以及与其他微波有源电路的集成。
[0035]图5、6、7、8为实施例基片集成波导式铁氧体移相器的插入损耗仿真结果图、回波损耗仿真结果图、电压驻波比仿真结果图和相移量仿真图。由图5、6、7、8可知，实施例所述基片集成波导式铁氧体移相器，其中心频率为9.2GHz，工作频率在8GHz?I IGHz，带宽3GHz，带宽内插入损耗S12〈-0.6dB，回波损耗SI l<-28dB，驻波比VSER〈1.08，在9.2GHz达到381度的相移量，在8GHz达到477度的相移量，在IlGHz达到295度的相移量。
【主权项】
1.一种基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，包括介质基板、铁氧体块和介质块，所述介质基板的上表面设置有第一金属层，介质基板的下表面设置有第二金属层，所述介质基板上设置有两排相互平行的金属柱并且所述金属柱贯穿第一金属层、介质基板、第二金属层形成基片集成波导，其特征在于，所述铁氧体块嵌入所述介质基板中且沿基片集成波导的传输方向贯穿介质基板，所述介质块嵌入所述铁氧体块中且沿基片集成波导的传输方向贯穿铁氧体块;所述铁氧体块上绕制η匝螺线管线圈，以在铁氧体内形成磁场回路。2.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，其特征在于，所述介质基板、铁氧体块和介质块具有相同的中心。3.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，其特征在于，所述第一金属层包括两个50欧姆微带线和两个过渡结构，所述过渡结构为一段渐宽的金属带条。4.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，其特征在于，所述金属柱为金属填充的圆柱或长方体。5.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，其特征在于，所述铁氧体块、介质基板及介质块的尺寸由移相器的工作频率和相移量确定。6.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，其特征在于，所述基片集成波导式铁氧体移相器采用LTCC叠层工艺制得;各层介质和各层旋磁铁氧体采用对应的浆料，经过混料、流延、打孔、等静压技术制备得到。
【专利摘要】一种基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器，属于微波通信器件领域。包括介质基板、铁氧体块和介质块，所述铁氧体块嵌入介质基板中且沿基片集成波导的传输方向贯穿介质基板，所述介质块嵌入铁氧体块中且沿基片集成波导的传输方向贯穿铁氧体块，介质基板、铁氧体块和介质块的中心相同；所述铁氧体块上绕制n匝螺线管线圈，螺线管线圈的两个端口之间施加电压脉冲。本发明基于LTCC技术的基片集成波导式铁氧体移相器与传统矩形波导式铁氧体移相器相比，体积大大减小，同时可以通过微带线等结构与有源电路连接，有利于实现移相器的小型化以及与其他微波有源电路的集成；且得到的铁氧体移相器具有插入损耗低和平均功率容量大的优异性能。
【IPC分类】H01P1/19
【公开号】CN105576327
【申请号】CN201510963086
【发明人】杨青慧, 郑向闻, 安照辉, 李元勋, 张怀武, 董师伶, 郁国良
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月21日