微系统电磁场微调介质腔体结构技术方案

发明专利技术公开的一种微系统射频电磁场微调介质腔体装置，具有良好电磁隔离性能。本发明专利技术通过下述技术方案实现：顶底金属层顶端中央设有非金属矩形隔离池和围绕金属化的中心通孔并连通介质腔体的金属化圆阵孔，以及形成十字型线阵交叉连线的十字连线孔；在介质腔体底端的底部金属层上制有被隔槽分隔的绝缘平台及级联的芯片组，被隔槽分隔延伸至介质开口射频信号交换端口的微带传输线，相连芯片组形成与底部金属层共面的波导结构，结合介质腔体内壁建立了具有IBC的电磁散射特性的物理模型,电磁波在介质腔体内多次反射,通过金属化圆阵孔和十字连线孔来对介质腔体内部的射频性能进行调节，达到对三维集成及微系统集成封装后射频性能的调试。性能的调试。性能的调试。

【技术实现步骤摘要】
微系统电磁场微调介质腔体结构


[0001]本专利技术涉及一种带十字型交叉和环形阵列金属化孔的射频介质腔体结构，具体地说，是涉及射频三维集成及微系统集成领域中一种可对腔体内的电磁场进行微调的介质腔体结构。

技术介绍

[0002]为了适应现代射频设备的小型化，电子设备正在从传统的二维平面集成不断地向射频三维立体集成及微系统化方向发展。在射频三维集成及微系统集成中，常常采用陶瓷介质基板(HTCC/LTCC)、硅基板、玻璃基板等来做射频电路转接板，并在转接板上设置专门的腔体结构来放置各类有源或无源器件，同一层基板上的射频器件之间的信号连接通过基板上的射频传输线来完成，上下层基板之间通过金属化的介质通孔或实心化的金属孔来实现器件之间的射频垂直互联。
[0003]现有采用介质基板进行的射频三维集成及微系统集成结构中的微波组件，普遍通过装在盒体内的微波器件来实现雷达微波信号的功率放大、低噪声放大和变频等功能。这些放大器、滤波器、混频器等射频有源或无源芯片构成的微波组件是有源相控阵雷达中的关键部件之一。随着雷达技术和微波集成电路(MMIC)技术的发展，对其尺寸的要求进一步提高。微波有源模块因为腔体的原因造成自激和传输参数的恶化一直是微波电路设计的难点之一。目前没有完整的理论来支持微波有源电路模块的腔体设计。微波组件中微波信号和控制信号之间都有一层地的隔离，而且实际遇到的腔体多是矩形腔体或者矩形腔体的组合。根据电磁理论，腔体中可能存在TE和TM振荡模式。其腔体的尺寸决定了其振荡特性。根据仿真模型仿真显示，腔体的谐振特性对S参数有直接的影响，S参数在谐振频率点发生突变，但其变化程度由该谐振频率点的品质因子Q值决定，当Q值较小，该谐振频率的能量损耗较大时，S参数突变较小，反之亦然。同时由于2个模型的微带线的分布位置不一样，也带来了2个模型仿真结果的差异。通过仿真和测试数据结果比较可以看出，腔体效应对S参数的影响是明显的，在有较大Q值的谐振频率点附近，S参数明显恶化，当设计有源微波电路时，此频率点比较容易出现自激。微波有源模块因为腔体的原因造成自激和传输参数的恶化一直是微波电路设计的难点之一。
[0004]为了解决上述问题，工程上比较常见的方法是加吸波材料，通过合理的腔体尺寸避开工作频带等。这些结构参数对组件的性能指标和增益稳定性起着决定性作用。由于微波组件内部结构复杂，再加上器件对腔体的微扰，会产生腔体效应。腔体效应是指微波组件的形状、尺寸和电路布局等结构参数对S参数的影响。由于目前尚无非常完整的理论支持微波腔体的设计。因此，装有电路基板的腔体常常将多层介质基板进行垂直堆叠，在特定的介质基板层中设置介质腔体，并在介质腔体中通过微组装工艺或其它微系统工艺放置放大器、滤波器、混频器等射频有源或无源芯片；并在介质腔体的四周设置金属化孔来对腔体内的电磁进行隔离屏蔽，对于腔体的顶部和底部均直接采用上下层均金属化的整块介质基板来进行封装。整个封装完成之后，形成一个除射频端口外与外界隔离的密闭的电磁腔体环
境，在腔体内的射频信号，其电气性能、电场方向等指标均被固定，封装完成后不能对腔体内部的电磁场进行调整，测试时发现不能满足设计指标，也无法对其腔内的射频性能进行针对性的调试，在微波频段尤其是Ka及以上频段的影响尤为明显，因此也导致整个三维及微系统集成封装完成后的射频电路性能被固化，产品不能像传统产品那样进行调试，导致整个设计、封装等过程带来的影响直接传递到最终产品上，当腔体内有介质基板或含有吸收介质的突变结构腔体时，其谐振特性会发生改变，可以通过对计算条件的简化计算出谐振频率。若基板上再加上微带线、焊盘以及各种器件，此时，整个腔体内部结构复杂，以至于目前的射频三维及微系统集成产品成品率偏低，增加了人力和经济成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术存在是不足之处。旨在提供一种能够在射频三维集成及微系统集成中，具有良好电磁隔离性能和可对介质腔体内的射频性能进行便捷性调节的介质腔体结构。
[0006]本专利技术的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种微系统射频电磁场微调介质腔体装置，包括：至少三层进行垂直堆叠的介质基板，在介质基板层中设置的介质腔体14，设置在介质腔体14四周，贯通介质体，对腔体内电磁进行屏蔽的金属化接地通孔4，直接采用顶底金属层5和底层介质基板10对中层介质基板6进行封装的上层介质基板8，整个封装完成之后，形成一个除射频端口外与外界隔离密闭的电磁腔体环境，其特征在于：顶底金属层5顶端中央设有非金属矩形隔离池7，在矩形隔离池7上，制有围绕中心金属化通孔3，并连通介质腔体14的金属化环形阵列阵孔2，以及与所述金属化环形阵列孔2形成十字型线阵交叉连线的十字连线孔1；在底层介质基板10顶端的顶部金属层9上制有被隔槽分隔的绝缘平台，所述平台上装连有通过微组装工艺级联的芯片组12，通过绝缘平台纵向两端，被隔槽分隔延伸至介质开口射频信号交换端口的微带传输线11，通过金丝13与所述芯片组12相连，形成与顶部金属层9构成的共面波导结构Coplanar Waveguide,CPW，从而CPW结合介质腔体14内壁，建立了具有阻抗边界条件IBC的电磁散射特性的物理模型,介质腔体14受到电磁场的作用后在微观产生高频电磁振荡，分层介质中电磁场和电磁波呈现不均匀分布，电磁波在介质腔体14内多次反射,通过金属化环形阵列阵孔2、中心金属化通孔3和十字连线孔1来对介质腔体内部的射频性能进行调节，达到对三维集成及微系统集成封装后对射频性能的调试。
[0007]本专利技术相比于现有技术的有益效果为：本专利技术通过在介质腔体四周设置金属通孔来实现电磁屏蔽，腔体顶部设置金属化十字型孔及环形阵列的类同轴金属孔来实现对外耦合，避免了微波组件的形状、尺寸和电路布局等结构参数对S参数的腔体效应影响。仿真数值结果表明这种方法能对腔体内部电磁场产生微调的结构。微调结构为多层介质腔体中的电磁散射提供了调整的便捷性与精确性。介质内部电磁波的多次反射,提高了IBC/FEM混合的精度。对于高低频混合算法,节省了大量的计算时间和内存消耗。
[0008]本专利技术采用带十字型交叉和环形阵列金属化孔的射频介质腔体结构，射频性能和可通过腔体顶部的十字型交叉和环形阵列金属化孔对外的耦合来对介质腔体内部的射频性能进行调试。同时可通过腔体顶部的十字型交叉金属化孔和环形阵列金属化孔来对介质
腔体内部的射频性能进行调节。通过在介质腔体顶部设置带十字型交叉和环形阵列金属化孔，可以切断不同方向的管壁电流和形成对外电磁耦合，这样就可以在射频三维集成及微系统集成中除了能有良好电磁隔离性能外，还可以通过十字型交叉金属化孔和环形阵列金属化孔来对介质腔体内部的射频性能进行调节，达到对三维集成及微系统集成封装后射频性能的调试，提高了设计的灵活性和产品合格率，同时节约了人力和物力成本。
附图说明
[0009]图1是本专利技术微系统射频电磁场微调介质腔体装置的透视图；图2是图1的剖视图；图3是上层介质基板底面仰视示意图。
[0010]目前图中：1十字连线孔，2金属化环形阵列阵孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微系统射频电磁场微调介质腔体装置，包括：至少三层进行垂直堆叠的介质基板，在介质基板层中设置的介质腔体(14)，设置在介质腔体(14)四周，贯通介质体，对腔体内电磁进行屏蔽的金属化接地通孔(4)，直接采用顶底金属层(5)和底层介质基板(10)对中层介质基板(6)进行封装的上层介质基板(8)，整个封装完成之后，形成一个除射频端口外与外界隔离密闭的电磁腔体环境，其特征在于：顶底金属层(5)顶端中央设有非金属矩形隔离池(7)，在矩形隔离池(7)上，制有围绕中心金属化通孔(3)，并连通介质腔体(14)的金属化环形阵列阵孔(2)，以及与所述金属化环形阵列孔(2)形成十字型线阵交叉连线的十字连线孔(1)；在底层介质基板(10)顶端的顶部金属层(9)上制有被隔槽分隔的绝缘平台，所述平台上装连有通过微组装工艺级联的芯片组(12)，通过绝缘平台纵向两端，被隔槽分隔延伸至介质开口射频信号交换端口的微带传输线(11)，通过金丝(13)与所述芯片组(12)相连，形成与顶部金属层(9)构成的共面波导结构CPW，CPW结合介质腔体(14)内壁，建立了具有阻抗边界条件(IBC)的电磁散射特性的物理模型,介质腔体(14)受到电磁场的作用后在微观产生高频电磁振荡，分层介质中电磁场和电磁波呈现不均匀分布，电磁波在介质腔体(14)内多次反射,通过金属化环形阵列阵孔(2)、中心金属化通孔(3)和十字连线孔(1)来对介质腔体内部的射频性能进行调节，达到对三维集成及微系统集成封装后对射频性能的调试。2.如权利要求1所述的微系统射频电磁场微调介质腔体装置，其特征在于：金属化十字连线孔(1)、金属化环形阵列孔(2)位于介质腔体(14)的顶部，且贯穿上层介质基板(8)和顶底金属层(5)。3.如权利要求1所述的微系统射频电磁场微调介质腔体装置，其特征在于：上层介质基板(8)位于顶底金属层(5)上，设置的矩形隔离池(7)上由中心金属化通孔(3)和金属化环形阵列孔(2)所构成的类同轴的初始阻抗Z0为：其中，εr为上层介质基板(8)的介电常数，R是中心金属化通孔中心轴线与金属化环形阵列孔(2)中心轴线之间的距离，r为中心金属化通孔的半径。4.如权利要求1所述的微系统射频电磁场微调介质腔体装置，其特征在于：金属化环形阵列孔2相邻过孔之间的夹角α为30
°
～45
°
。5.如权利要求1所述的微系统射频电磁场微调介质腔体装置，其特征在于：矩形隔离池(7)对角线上的四周地通孔(1)从上至下贯穿顶底金属层(5)，矩形隔离池(7)内填充焊料、粘接金属片或吸波材料，对介质腔体(14)内的电气性能进行调节。6.如权利要求1所述的微系统射频电磁场微调介质腔体装置，其特征在于：芯片组(12)是一个单芯片或是多个芯片通过微...

【专利技术属性】
技术研发人员：张先荣，张睿，王志辉，祁冬，陆宇，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：