在多层陶瓷结构中制造波导的方法以及一种波导的制作方法
专利名称：在多层陶瓷结构中制造波导的方法以及一种波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在以多层陶瓷技术制造的电路板单元中制造波导的方法，在此方法中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定单元的尺寸与结构方向，电路板单元由独立的陶瓷层装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层中可做成要求形状的腔与孔，且在这些陶瓷层表面上的要求位置处通过丝网印制法印制导电材料，然后通过将单元暴露于高温中而完成电路板单元。
本发明还涉及一种集成在以多层陶瓷制造的电路单元之中的波导，其中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定电路板单元的尺寸与结构方向，电路板单元可由独立的陶瓷层装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层中做成要求形状的空腔与孔，且在这些陶瓷层上的要求位置处通过丝网印制法印制一层导电材料。
在电子器件的结构中使用不同的导电结构。器件中使用的频率越高，使用的导电结构的要求越高，以便由导体结构引起的衰减不变为过高或使用的导体结构不通过辐射而干扰装置的其它部分。器件的设计者可从许多可能的导体结构中选择。依据应用，例如可使用由金属制成的充空气的波导。基本结构、尺寸、波导中可传播的波形及波导的频率特性为众所周知(参看例如Simon Ramo等、John Wiley & Sons，inc.，USA的Field and Waves in Communication Electronics第8章)。作为波导尺寸的一个例子，
图1表示一个由导电材料制成的矩形波导，其宽度为沿图中表示的坐标系统的X轴方向的a，其高度为沿Y轴方向的b，且波导内充满空气，从而使它的介电常数εr为数值1。在图1表示的充空气波导中，能沿Z轴方向传播的第一(最低)波形是所谓的TE10(横电)波形。此波形的电场强度E完全没有沿Z轴方向的分量。而磁场强度H有一个沿Z轴方向传播的分量。指示波导中能传播的最低频率的波形TE10的所谓截止频率fc从方程fcTE10＝C/2a得到，式中字母a表示沿X轴方向的波导宽度，而C是真空中的光速。通常，可使用的波导频率范围为所讨论的波形的截止频率的1.2至1.9倍。通过当从上面趋近截止频率fc时通过衰减增长确定可使用的下限频率。上限频率也可以如下事实确定，通过在高于要求波形的截止频率fc两倍的频率下在波导中还产生能传播的其它波形，而这应加以避免。
波导的结构也为大家熟知，其中波导由一个用电介质材料制成的并用一薄层导电材料覆盖的芯子部分构成。然而，这些波导总是制成独立的元件。上述波导提供一个小的每单位长度衰减，且它们不对周围环境发射许多干扰辐射。然而，这些波导的问题是同制造的电路单元的其它部分相比有较大的物理尺寸，与难以整个地把它们的制造集成在电路单元的制造中。这些波导必须在一个单独步骤中通过焊接或某种其它机械连接同电路单元机械连接。这增加了成本并有失败的危险。
电子装置中也应用较好地集成在结构中的导体结构。这些包括带状线、微带与共面导体。当电路单元制成陶瓷结构时，它们的制造可整个地集成在电路单元的制造中。此制造技术称为多层陶瓷技术，它以HTCC(高温共烧陶瓷)(High Temperature Cofired Cerumics)或LTCC(低温共烧陶瓷)(Low Temperature Cofired Ceramics)技术为基础。电路结构以这些由多层陶瓷材料(绿带)构成的制造技术之任一完成，这些陶瓷材料为100μm厚且当装配电路结构时互相层叠放置。在作为最后处理进行的热处理之前，陶瓷材料仍是软的，因此可在陶瓷层内做成要求形状的空腔与通孔。也可制成各种无源元件与在要求点上用丝网印制法印制上述导体。当要求的电路单元结构完成时，在适当温度下烧制陶瓷多层结构。LTCC技术中使用的温度约为850℃而HTCC技术中使用的温度约为1600℃。然而，以这些技术制成的微带、带状线与共面导体的问题是每单位长度的高衰减、低的功率裕度与较低的电磁兼容性(EMC)。这些问题限制了这些导体结构在需要上述性能的应用中的使用。
本发明的目的是实现一种以多层陶瓷实现的波导结构。通过它可减弱现有技术波导结构的上述缺点。
根据本发明的方法，其特征在于制造一个沿Z轴方向的波导-在结构内形成至少两个沿结构的YZ平面方向的阻抗不连续以限制波导芯子沿X轴方向的长度a，与-沿XZ平面方向，以一个第一层与一个第二层导电材料限制波导芯子，这两层导电材料通过丝网印制法印制在构成波导芯子的陶瓷层上，它们的导电平面用来限制波导芯子沿Y轴方向的长度b.
根据本发明的波导，其特征在于它包括-沿Z轴方向的电路结构单元的波导芯子部分，-至少两个沿YZ平面方向的阻抗不连续，通过它们限制波导芯子部分沿X轴方向的长度a，与-沿XZ平面方向的一个第一层与一个第二层导电材料，通过这两个层限制波导芯子部分沿Y轴方向的尺寸b。
本发明的一些优选实施例描述在从属权利要求中。
本发明的基本想法如下以多层陶瓷技术制造一种完全集成在结构中的波导。波导的芯子部分由具有合适的介电常数εr的电介质材料制成，它沿一个平面方向通过两层形成平行平面的导电材料同陶瓷材料的其它部分分离，而沿另一个正交于前述平面的平面方向通过两个充空气的空腔与/或充导电材料的连接孔同陶瓷结构的其它部分分离。
本发明具有可在以多层陶瓷技术制造其它元件同时制造波导的优点。
另外，本发明还具有可以相同的多层陶瓷技术完成波导的馈送布置的优点。
本发明还具有以此方法制造的波导的制造成本低于由独立的元件制造并在一个独立的步骤中同该结构连接的波导的制造成本的优点。
此外，本发明还具有同带状线、微带或共面导体相比它有好的EMC保护的优点。
下面，将较详细地描述本发明。并将参考附图，这些附图中图1表示一个由导电材料制成的普通、充空气的波导，
图2表示一个以多层陶瓷技术实现的实施例，其中波导的侧壁由充空气的空腔构成，图3表示一个以多层陶瓷技术实现的实施例，其中波导的两侧由充空气的空腔与在它们附近的充导电材料的通孔构成，图4表示一个根据本发明第二实施例以多层陶瓷技术制成的波导例子的一个沿XY平面方向的剖面，图5a表示一个根据本发明以激励一个能在根据本发明的第一实施例的波导中传播的波形的一种方法的例子，图5b表示一个根据本发明以激励一个能在根据本发明的第一实施例的波导中传播的波形的另一种方法的例子，图5c表示一个根据本发明以激励一个能在根据本发明的第一实施例的波导中传播的波形的第三种方法的例子，图6a表示一个连接一个根据本发明的一个实施例的波导与一个微带导体的一种方法的YZ平面图表示，与图6b表示一个根据本发明对一个波导配备供电点的YZ平面图表示。
与现有技术有关的描述提供在图1。与图2至6的描述有关，参考图1中表示的X、Y与Z轴的方向。虽然这些轴未在所有图中画出，它们的方向与图1例子中的方向相同。
图2表示一个根据本发明的第一实施例以多层陶瓷技术制成的波导的例子。图2中表示的结构是一个在图中未全部显示的以多层陶瓷技术制成的较大电路结构的一部分。波导结构的两侧被图中表示的由若干绿带(green tape)构成的结构21与27包围。它们中使用的陶瓷材料的介电常数εr明显地高于空气的介电常数，后者如众所周知为数值1。结构的其它部分，如图中表示的波导结构沿Y轴方向看的上面与下面，主要由相同的陶瓷材料构成。波导的芯子部分23由与电路结构的其它部分相同的陶瓷材料构成。波导沿X轴方向的宽度受基本上沿YZ平面方向的充空气的空腔22与26限制。充空气空腔22或26的界面构成一个由电磁波波前看来相对于芯子部分23的特征阻抗的不连续(突变)。当波前沿Z轴方向传播，这个特征阻抗的不连续性(突变)主要反射能在波导的芯子部分23中传播的波前，使返回至芯子部分23。波导沿XZ平面方向受第一表面24与第二表面25限制，这两个表面由某种传导材料制成并形成基本上平行的平面。这两个平表面24与25可制成或者完全覆盖芯子部分23或者部分地栅式覆盖芯子部分。这两个平面导电表面24与25可由例如导电的膏状材料制成，通过在这两个平面内金属化芯子部分23的表面或通过由独立的导电薄膜材料覆盖芯子部分23制成。
在根据本发明第一实施例的波导中，能传播的最低的波形是TEM(横电磁)波形，它的电场或磁场没有沿图的Z轴方向的分量。此波形的截止频率如大家已知为OHZ，这意味着此波导中可流过直流电。根据本发明第一实施例的波导也可传播其它更高的、可能要求的TEmn或TMmn(横磁)波形，其相应的截止频率可依据普通波导的量度规则计算，这些量度规则提供在与图4的描述有关的内容中。
图3表示一个根据本发明的第二实施例的波导的例子。图3中表示的结构是一个在图中未全部显示的以多层陶瓷技术制成的较大结构的一部分。该波导结构在两侧被图中表示的由若干层绿带构成的结构31与37所包围。它们中使用陶瓷材料的介电常数εr明显地高于为数值1的空气的介电常数。结构的其它部分，即图中表示的波导结构沿图的Y轴方向看的上面与下面，同样主要由相同的陶瓷材料构成。波导的芯子部分33由与电路结构的其它部分相同的陶瓷材料构成。波导沿X轴方向的宽度受两个基本平行的阻抗不连续性限制，这两个阻抗不连续性由沿图的Y轴方向的通孔柱38与39同充空气的空腔32与36一起构成。充空气空腔32与36有一个与图2中示出的空腔的描述有关的内容中提供的结构相似的结构。通孔柱38、39充以与制造电路结构有关的导电膏状材料。当使用LTCC技术时，可有利地使用AgPd膏或Ag膏。如果根据本发明的波导结构从所有侧面全部被其它陶瓷层包围，可使用较便宜的Ag膏。如果制造的波导结构的一部分保持暴露于大气中，则必须使用较昂贵的AgPd膏。通孔柱38、39同基本上平行的第一平面34与第二平面35结合，这两个平面由导电材料形成而沿XZ平面限制芯子部分33。
在图3表示的实施例中，在沿X轴方向观察的图中表示出芯子部分每侧有一通孔柱38、与39。根据本发明的波导结构也可通过对芯子部分33添加若干相似的通孔柱而制成。也可对充空气空腔32与36后面的电路结构部分31与37添加更多相似的通孔柱，从而进一步改善波导的EMC性能。
图4表示一个根据本发明第二实施例的结构例子的一个沿XY平面方向的剖面。陶瓷电路结构由若干层陶瓷板/片41装配而成。波导通过沿YZ平面方向的充空气空腔42与46同沿X轴方向的结构的其它部分分离，空腔的宽度为图中表示的尺寸L而其高度为图中表示的尺寸b，通孔柱48与49充以导电材料。波导的芯子部分43由介电常数εr比空气的介电常数高的陶瓷材料构成。波导芯子部分沿X轴方向的宽度由图中字母a表示。选择充空气空腔沿X轴方向的宽度L使它的数值相当于截止频率fc波长的四分之一。这时波导结构对其周围环境发射尽可能少的干扰辐射。沿正交于图4表示的表面的XZ平面方向，波导由基本上平行且由导电材料制成的第一平面44与第二平面45限制。第一平面44与第二平面45通过充以导电材料的通孔48与49互相连接。波形TEmn与TMmn可在图中表示的根据本实施例的波导中传播。这些波形的截止频率fcmn可从已知公式fcm,n=12μϵ(ma)2+(nb)2]]>求得。公式中，指数m与n是指TEmn或TMmn的横向场分布沿X与Y轴方向的最大值的数目，尺寸a表示波导沿X轴方向的宽度，尺寸b表示波导沿Y轴方向的高度。公式中项μ与ε是波导芯子部分43的陶瓷材料的导磁率与介电常数值。
图5a、5b与5c表示在根据本发明的波导中如何能激励要求的波形的三个不同的例子。图示例子中使用的波导是一个根据第一实施例的波导，但解决办法同样按照根据本发明的第二实施例的波导结构中的相同原理。
在图5a例子中，波导的芯子53a通过充空气的空腔52a与56a及基本上平行且由导电材料制成的一个第一平面54a与一个第二平面55a同由图中结构部分51a与57a代表的电路结构的其它部分分离。为了激励要求的波形，在波导的第一平面54a中的要求点处做成一个孔58a。当将一个图中未表示的辐射元件放置在孔58a附近时，其结果为由元件辐射的一部分场通过孔58a传输至根据本发明的波导。辐射元件可以是有辐射能力的任何电路元件，或另一个根据本发明的波导，此波导的壁上做成了一个相应形状的孔并具有辐射能力。通过正确选择辐射频率，可在波导中激励要求种类与能够传播的电磁波形。
图5b表示在根据本发明的波导中激励一个能传播的波形的另一种可能方法。在图5b的例子中，波导芯子53b通过充空气的空腔52b与56b及基本上平行且由导电材料制成的一个第一平面54b与一个第二平面55b同由图中部分51b与57b代表的电路结构的其它部分分离。为了激励要求的波形，在导电的第一平面54b中的要求点处做成一个孔58b，且给此孔配备一个通向波导的芯子部分53b的圆柱形探头59b。此探头最好由与波导的平的第一表面54b和第二表面55b相同的导电材料制成。探头59b同在平的第一平面54b上面的电路结构中的要求的信号输入导体连接。此信号导体可例如是一个带状线或一个微带。该导体与上面的其它电路结构未表示在图5b中。
图5c表示在根据本发明的波导中激励一个能传播的波形的第三种可能方法。在图5c的例子中，波导芯子53c通过充空气的空腔52c与56c及基本上平行且由导电材料制成的一个第一平面54c与一个第二平面55c同图中部分51c与57c代表的单元的其它部分分离。为了在波导中激励要求的波形，在由导电材料制成的第一平面54c的要求点处做成一个孔58c，且给此孔配备一个通向波导的芯子部分53c的耦合回路59c。耦合回路59c同平的第一表面54c上面的电路结构中的要求的信号输入导体连接。此信号输入导体可例如是一个带状线、微带或共面导体。此信号输入导体与上面的其它电路结构未表示在图5c中。耦合回路59c由与以多层陶瓷技术制成的电路结构的其它部分的制造有关的导电材料制成。
图6a通过举例方法表示如何把微带同根据本发明的波导连接在一起。此图表示一个导体被连接点的沿YZ平面方向的剖面。电路结构通过把若干层陶瓷板61a结合在一起而成。微带部分60a由信号导体63a与接地导体62a构成。传输线的阻抗在微带同波导68a接合在一起的点改变。高阻抗失配引起信号向上述界面内的它的进入方向返回的不希望有的反射。此反射问题可通过在连接处做成一个其中传输线的阻抗级逐渐改变的特殊结构而减弱。在图6a例子中，这个阻抗匹配通过一个所谓的四分之一波变换器67a来实现。它由沿图中Z轴方向的λ/4长度的波导的几何形状的阶梯改变组成。在图6a中，这是借助于导电的平表面66a达到的，这些平表面66a沿y轴方向通过由导电材料制成的通孔64a互相连接。沿X轴方向，这些平面66a越过波导的整个芯子部分。结构中使用的陶瓷材料的电气性能在图例中电路结构的所有部分中都相似。
图6b表示一个把根据本发明的波导同另一电路结合的另一个方法的例子。此图表示一个传输线被连接点的Y2平面方向的剖面。元件的电路结构通过把若干层陶瓷板61b接合在一起而制成。激励信号借助于一个圆柱形探头63b引至波导。在此图例中，探头通过构成波导上表面的第一平面62b与此平面上制成的孔69b到达波导68b。因此探头63b同导电的第一平面62b没有电连接。当需要时，探头63b本身可沿图的Y轴方向伸入到通过若干层陶瓷电路结构。通过一个与图6a描述有关类型的四分之一波变换器67b减弱在信号馈电点建立的阻损失配。此四分之一波变换器67b由通过由导电材料制成的沿图的Y轴方向的通孔64b互相连接的各导电平表面66b组成。沿图的X轴方向，这些平面66b越过波导的整个芯子部分。结构中使用的陶瓷材料的电气性能在图例中电路结构的所有部分中都相似。
对根据本发明的实施例进行了计算摸拟。此模拟对根据本发明的两个具有相同结构尺寸的实施例进行，其中波导芯子部分的尺寸a为5mm，尺寸b为2mm，陶瓷材料的εr为5.9，而波导结构一部分的充空气空腔沿X轴方向的尺寸L为2.5mm。在模拟中使用了按照TE10的模操作，而使用的频率为18GHz。作为模拟的结果，根据本发明的第一实施例有1.7dB/cm的衰减。在相同的结构尺寸a与b及相同的频率18GHz的情况下，根据本发明的第二实施例的波导结构有0.7dB/cm的衰减值。
上面描述了本发明的几个优选实施例。然而，本发明不受上面描述的解决办法的限制。本发明的思想可应用于在由附加的权利要求书规定的范围内的许多不同方法。
权利要求
1.一种在以多层陶瓷技术制造的电路结构中制造波导的方法，在此方法中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定电路结构的尺寸与结构方向，电路单元由独立的陶瓷层(41，61a，61b)装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层内做成要求形状的空腔(22，26，32，36，42，46，52a，52b，52c，56a，56b，56c)与孔(38，39，48，49，64a，64b)，而在陶瓷层表面在要求位置上丝网印制一导电材料层(24，25，34，35，44，45，54a，54b，54c，55a，55b，55c，62a，62b，65a，65b)，通过把电路结构暴露于高温中以完成此电路结构，其特征在于为了制造一个基本上沿Z轴方向的波导-在电路结构中形成至少两个基本上平行于结构的yz平面与波导长度的阻抗突变以限制波导芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)沿X轴方向的长度a，以及-沿xz平面通过基本上平行的导电材料的第一平面(24，34，44，54a，54b，54c，62a，62b)与第二平面(25，35，45，55a，55b，55c，65a，65b)限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)，这两个导电的第一与第二平面制成在沿Y轴方向构成波导芯子部分的陶瓷层的上面与下面，且这两个导电的第一与第二平面用来限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)沿Y轴方向的尺寸b。
2.根据权利要求1的波导制造方法，其特征在于，通过在结构中的波导的芯子部分(23)的两侧构成基本上沿Z轴方向的充空气的空腔(22，26)实现该结构的所述两个基本上沿yz平面方向的波导的长度的阻扰突变。
3.根据权利要求1的波导制造方法，其特征在于两个基本上沿结构的yz平面方向的波导的长度的阻抗突变通过以下实现-通过在结构中波导的芯子部分(33)的两侧构成基本上沿Z轴方向的充空气的空腔(32，36)，-以及通过在靠近两个充空气的空腔(32，36)的波导芯子部分(33)内设置至少一排充以导电材料并基本上沿Y轴方向的通孔(38，39)，通过这些通孔所述导电材料的第一(34)与第二(35)平面被电连接。
4.一种集成在以多层陶瓷技术制造的电路单元内的波导，其中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定电路单元的尺寸与结构方向，电路单元由独立的陶瓷层(41，61a，61b)装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层内做成要求形状的空腔(22，26，32，36，42，46，52a，52b，52c，56a，56b，56c)与孔(38，39，48，49，64a，64b)，以及在这些陶瓷层的表面的要求位置上做成一层导电材料，其特征在于该波导包括-一个基本上沿电路单元结构的Z轴方向的波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)，-至少两个基本上沿yz平面方向、基本平行且为波导长度的阻抗突变，它们沿X轴方向限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)的尺寸，与-一个基本上沿xz平面方向并基本上为波导长度的第一层导电材料(24，34，44，54a，54b，54c，62a，62b)，与一个基本上沿xz平面方向并基本上为波导长度的第二层导电材料(25，35，45，55a，55b，55c，65a，65b)，第一与第二层基本上平行并沿Y轴方向限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)的尺寸b。
5.根据权利要求4的波导，其特征在于借助于充空气的空腔(22，26)与芯子部分(23)的界面构成所述基本上沿yz平面方向的阻抗突变。
6.根据权利要求4的波导，其特征在于所述基本上沿yz平面方向的阻抗突变由以下部分构成。-基本上沿Z轴方向设置在波导芯子部分两侧的充空气的空腔(32，36)，与-基本上沿Y轴方向、充以导电材料并设置在靠近两个充空气空腔的波导芯子部分(33)内的至少一排的通孔(38，39)，通过这些道孔连接所述第一与第二层。
7.根据权利要求4的波导，其特征在于在波导的第一表面(54a)上做成一个孔(58a)用来激励打算在波导中传播的电磁场。
8.根据权利要求4的波导，其特征在于在波导的第一表面(54b)上做成一个孔(58b)，通过此孔把一个探头(59b)引向波导的芯子部分(53b)用来激励打算在波导中传播的电磁场。
9.根据权利要求4的波导，其特征在于在波导的第一表面(54c)上做成一个孔(58c)，通过此孔把一个耦合回路(59c)引向波导的芯子部分(53c)用来激励打算在波导中传播的电磁场。
全文摘要
本发明涉及一种波导制造方法与以此方法制造的波导,此波导可集成在以多层陶瓷技术制造的电路结构中,波导的芯子部分(23,33,43,53a,53b,53c)由一组陶瓷层装配而成,它沿yz平面方向受两个阻抗突变的限制而沿xz平面方向受两个由导电材料制成的平表面(24,25,34,35,54a,54b,54c,55a,55b,55c)的限制。这两个导电表面可通过由导电材料制成的通孔(38,39,48,49)互相连接。根据本发明的方法制造的波导作为整体是电路结构的一个固定部分。
文档编号H01P3/00GK1360742SQ00810061
公开日2002年7月24日 申请日期2000年7月10日 优先权日1999年7月9日
发明者奥利·萨尔梅拉, 埃萨·肯品恩, 汉斯·索摩马, 颇蒂·伊卡兰恩, 马库·科伊维斯托 申请人:诺基亚公司
技术领域：
本发明涉及一种在以多层陶瓷技术制造的电路板单元中制造波导的方法，在此方法中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定单元的尺寸与结构方向，电路板单元由独立的陶瓷层装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层中可做成要求形状的腔与孔，且在这些陶瓷层表面上的要求位置处通过丝网印制法印制导电材料，然后通过将单元暴露于高温中而完成电路板单元。
本发明还涉及一种集成在以多层陶瓷制造的电路单元之中的波导，其中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定电路板单元的尺寸与结构方向，电路板单元可由独立的陶瓷层装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层中做成要求形状的空腔与孔，且在这些陶瓷层上的要求位置处通过丝网印制法印制一层导电材料。
在电子器件的结构中使用不同的导电结构。器件中使用的频率越高，使用的导电结构的要求越高，以便由导体结构引起的衰减不变为过高或使用的导体结构不通过辐射而干扰装置的其它部分。器件的设计者可从许多可能的导体结构中选择。依据应用，例如可使用由金属制成的充空气的波导。基本结构、尺寸、波导中可传播的波形及波导的频率特性为众所周知(参看例如Simon Ramo等、John Wiley & Sons，inc.，USA的Field and Waves in Communication Electronics第8章)。作为波导尺寸的一个例子，
图1表示一个由导电材料制成的矩形波导，其宽度为沿图中表示的坐标系统的X轴方向的a，其高度为沿Y轴方向的b，且波导内充满空气，从而使它的介电常数εr为数值1。在图1表示的充空气波导中，能沿Z轴方向传播的第一(最低)波形是所谓的TE10(横电)波形。此波形的电场强度E完全没有沿Z轴方向的分量。而磁场强度H有一个沿Z轴方向传播的分量。指示波导中能传播的最低频率的波形TE10的所谓截止频率fc从方程fcTE10＝C/2a得到，式中字母a表示沿X轴方向的波导宽度，而C是真空中的光速。通常，可使用的波导频率范围为所讨论的波形的截止频率的1.2至1.9倍。通过当从上面趋近截止频率fc时通过衰减增长确定可使用的下限频率。上限频率也可以如下事实确定，通过在高于要求波形的截止频率fc两倍的频率下在波导中还产生能传播的其它波形，而这应加以避免。
波导的结构也为大家熟知，其中波导由一个用电介质材料制成的并用一薄层导电材料覆盖的芯子部分构成。然而，这些波导总是制成独立的元件。上述波导提供一个小的每单位长度衰减，且它们不对周围环境发射许多干扰辐射。然而，这些波导的问题是同制造的电路单元的其它部分相比有较大的物理尺寸，与难以整个地把它们的制造集成在电路单元的制造中。这些波导必须在一个单独步骤中通过焊接或某种其它机械连接同电路单元机械连接。这增加了成本并有失败的危险。
电子装置中也应用较好地集成在结构中的导体结构。这些包括带状线、微带与共面导体。当电路单元制成陶瓷结构时，它们的制造可整个地集成在电路单元的制造中。此制造技术称为多层陶瓷技术，它以HTCC(高温共烧陶瓷)(High Temperature Cofired Cerumics)或LTCC(低温共烧陶瓷)(Low Temperature Cofired Ceramics)技术为基础。电路结构以这些由多层陶瓷材料(绿带)构成的制造技术之任一完成，这些陶瓷材料为100μm厚且当装配电路结构时互相层叠放置。在作为最后处理进行的热处理之前，陶瓷材料仍是软的，因此可在陶瓷层内做成要求形状的空腔与通孔。也可制成各种无源元件与在要求点上用丝网印制法印制上述导体。当要求的电路单元结构完成时，在适当温度下烧制陶瓷多层结构。LTCC技术中使用的温度约为850℃而HTCC技术中使用的温度约为1600℃。然而，以这些技术制成的微带、带状线与共面导体的问题是每单位长度的高衰减、低的功率裕度与较低的电磁兼容性(EMC)。这些问题限制了这些导体结构在需要上述性能的应用中的使用。
本发明的目的是实现一种以多层陶瓷实现的波导结构。通过它可减弱现有技术波导结构的上述缺点。
根据本发明的方法，其特征在于制造一个沿Z轴方向的波导-在结构内形成至少两个沿结构的YZ平面方向的阻抗不连续以限制波导芯子沿X轴方向的长度a，与-沿XZ平面方向，以一个第一层与一个第二层导电材料限制波导芯子，这两层导电材料通过丝网印制法印制在构成波导芯子的陶瓷层上，它们的导电平面用来限制波导芯子沿Y轴方向的长度b.
根据本发明的波导，其特征在于它包括-沿Z轴方向的电路结构单元的波导芯子部分，-至少两个沿YZ平面方向的阻抗不连续，通过它们限制波导芯子部分沿X轴方向的长度a，与-沿XZ平面方向的一个第一层与一个第二层导电材料，通过这两个层限制波导芯子部分沿Y轴方向的尺寸b。
本发明的一些优选实施例描述在从属权利要求中。
本发明的基本想法如下以多层陶瓷技术制造一种完全集成在结构中的波导。波导的芯子部分由具有合适的介电常数εr的电介质材料制成，它沿一个平面方向通过两层形成平行平面的导电材料同陶瓷材料的其它部分分离，而沿另一个正交于前述平面的平面方向通过两个充空气的空腔与/或充导电材料的连接孔同陶瓷结构的其它部分分离。
本发明具有可在以多层陶瓷技术制造其它元件同时制造波导的优点。
另外，本发明还具有可以相同的多层陶瓷技术完成波导的馈送布置的优点。
本发明还具有以此方法制造的波导的制造成本低于由独立的元件制造并在一个独立的步骤中同该结构连接的波导的制造成本的优点。
此外，本发明还具有同带状线、微带或共面导体相比它有好的EMC保护的优点。
下面，将较详细地描述本发明。并将参考附图，这些附图中图1表示一个由导电材料制成的普通、充空气的波导，
图2表示一个以多层陶瓷技术实现的实施例，其中波导的侧壁由充空气的空腔构成，图3表示一个以多层陶瓷技术实现的实施例，其中波导的两侧由充空气的空腔与在它们附近的充导电材料的通孔构成，图4表示一个根据本发明第二实施例以多层陶瓷技术制成的波导例子的一个沿XY平面方向的剖面，图5a表示一个根据本发明以激励一个能在根据本发明的第一实施例的波导中传播的波形的一种方法的例子，图5b表示一个根据本发明以激励一个能在根据本发明的第一实施例的波导中传播的波形的另一种方法的例子，图5c表示一个根据本发明以激励一个能在根据本发明的第一实施例的波导中传播的波形的第三种方法的例子，图6a表示一个连接一个根据本发明的一个实施例的波导与一个微带导体的一种方法的YZ平面图表示，与图6b表示一个根据本发明对一个波导配备供电点的YZ平面图表示。
与现有技术有关的描述提供在图1。与图2至6的描述有关，参考图1中表示的X、Y与Z轴的方向。虽然这些轴未在所有图中画出，它们的方向与图1例子中的方向相同。
图2表示一个根据本发明的第一实施例以多层陶瓷技术制成的波导的例子。图2中表示的结构是一个在图中未全部显示的以多层陶瓷技术制成的较大电路结构的一部分。波导结构的两侧被图中表示的由若干绿带(green tape)构成的结构21与27包围。它们中使用的陶瓷材料的介电常数εr明显地高于空气的介电常数，后者如众所周知为数值1。结构的其它部分，如图中表示的波导结构沿Y轴方向看的上面与下面，主要由相同的陶瓷材料构成。波导的芯子部分23由与电路结构的其它部分相同的陶瓷材料构成。波导沿X轴方向的宽度受基本上沿YZ平面方向的充空气的空腔22与26限制。充空气空腔22或26的界面构成一个由电磁波波前看来相对于芯子部分23的特征阻抗的不连续(突变)。当波前沿Z轴方向传播，这个特征阻抗的不连续性(突变)主要反射能在波导的芯子部分23中传播的波前，使返回至芯子部分23。波导沿XZ平面方向受第一表面24与第二表面25限制，这两个表面由某种传导材料制成并形成基本上平行的平面。这两个平表面24与25可制成或者完全覆盖芯子部分23或者部分地栅式覆盖芯子部分。这两个平面导电表面24与25可由例如导电的膏状材料制成，通过在这两个平面内金属化芯子部分23的表面或通过由独立的导电薄膜材料覆盖芯子部分23制成。
在根据本发明第一实施例的波导中，能传播的最低的波形是TEM(横电磁)波形，它的电场或磁场没有沿图的Z轴方向的分量。此波形的截止频率如大家已知为OHZ，这意味着此波导中可流过直流电。根据本发明第一实施例的波导也可传播其它更高的、可能要求的TEmn或TMmn(横磁)波形，其相应的截止频率可依据普通波导的量度规则计算，这些量度规则提供在与图4的描述有关的内容中。
图3表示一个根据本发明的第二实施例的波导的例子。图3中表示的结构是一个在图中未全部显示的以多层陶瓷技术制成的较大结构的一部分。该波导结构在两侧被图中表示的由若干层绿带构成的结构31与37所包围。它们中使用陶瓷材料的介电常数εr明显地高于为数值1的空气的介电常数。结构的其它部分，即图中表示的波导结构沿图的Y轴方向看的上面与下面，同样主要由相同的陶瓷材料构成。波导的芯子部分33由与电路结构的其它部分相同的陶瓷材料构成。波导沿X轴方向的宽度受两个基本平行的阻抗不连续性限制，这两个阻抗不连续性由沿图的Y轴方向的通孔柱38与39同充空气的空腔32与36一起构成。充空气空腔32与36有一个与图2中示出的空腔的描述有关的内容中提供的结构相似的结构。通孔柱38、39充以与制造电路结构有关的导电膏状材料。当使用LTCC技术时，可有利地使用AgPd膏或Ag膏。如果根据本发明的波导结构从所有侧面全部被其它陶瓷层包围，可使用较便宜的Ag膏。如果制造的波导结构的一部分保持暴露于大气中，则必须使用较昂贵的AgPd膏。通孔柱38、39同基本上平行的第一平面34与第二平面35结合，这两个平面由导电材料形成而沿XZ平面限制芯子部分33。
在图3表示的实施例中，在沿X轴方向观察的图中表示出芯子部分每侧有一通孔柱38、与39。根据本发明的波导结构也可通过对芯子部分33添加若干相似的通孔柱而制成。也可对充空气空腔32与36后面的电路结构部分31与37添加更多相似的通孔柱，从而进一步改善波导的EMC性能。
图4表示一个根据本发明第二实施例的结构例子的一个沿XY平面方向的剖面。陶瓷电路结构由若干层陶瓷板/片41装配而成。波导通过沿YZ平面方向的充空气空腔42与46同沿X轴方向的结构的其它部分分离，空腔的宽度为图中表示的尺寸L而其高度为图中表示的尺寸b，通孔柱48与49充以导电材料。波导的芯子部分43由介电常数εr比空气的介电常数高的陶瓷材料构成。波导芯子部分沿X轴方向的宽度由图中字母a表示。选择充空气空腔沿X轴方向的宽度L使它的数值相当于截止频率fc波长的四分之一。这时波导结构对其周围环境发射尽可能少的干扰辐射。沿正交于图4表示的表面的XZ平面方向，波导由基本上平行且由导电材料制成的第一平面44与第二平面45限制。第一平面44与第二平面45通过充以导电材料的通孔48与49互相连接。波形TEmn与TMmn可在图中表示的根据本实施例的波导中传播。这些波形的截止频率fcmn可从已知公式fcm,n=12μϵ(ma)2+(nb)2]]>求得。公式中，指数m与n是指TEmn或TMmn的横向场分布沿X与Y轴方向的最大值的数目，尺寸a表示波导沿X轴方向的宽度，尺寸b表示波导沿Y轴方向的高度。公式中项μ与ε是波导芯子部分43的陶瓷材料的导磁率与介电常数值。
图5a、5b与5c表示在根据本发明的波导中如何能激励要求的波形的三个不同的例子。图示例子中使用的波导是一个根据第一实施例的波导，但解决办法同样按照根据本发明的第二实施例的波导结构中的相同原理。
在图5a例子中，波导的芯子53a通过充空气的空腔52a与56a及基本上平行且由导电材料制成的一个第一平面54a与一个第二平面55a同由图中结构部分51a与57a代表的电路结构的其它部分分离。为了激励要求的波形，在波导的第一平面54a中的要求点处做成一个孔58a。当将一个图中未表示的辐射元件放置在孔58a附近时，其结果为由元件辐射的一部分场通过孔58a传输至根据本发明的波导。辐射元件可以是有辐射能力的任何电路元件，或另一个根据本发明的波导，此波导的壁上做成了一个相应形状的孔并具有辐射能力。通过正确选择辐射频率，可在波导中激励要求种类与能够传播的电磁波形。
图5b表示在根据本发明的波导中激励一个能传播的波形的另一种可能方法。在图5b的例子中，波导芯子53b通过充空气的空腔52b与56b及基本上平行且由导电材料制成的一个第一平面54b与一个第二平面55b同由图中部分51b与57b代表的电路结构的其它部分分离。为了激励要求的波形，在导电的第一平面54b中的要求点处做成一个孔58b，且给此孔配备一个通向波导的芯子部分53b的圆柱形探头59b。此探头最好由与波导的平的第一表面54b和第二表面55b相同的导电材料制成。探头59b同在平的第一平面54b上面的电路结构中的要求的信号输入导体连接。此信号导体可例如是一个带状线或一个微带。该导体与上面的其它电路结构未表示在图5b中。
图5c表示在根据本发明的波导中激励一个能传播的波形的第三种可能方法。在图5c的例子中，波导芯子53c通过充空气的空腔52c与56c及基本上平行且由导电材料制成的一个第一平面54c与一个第二平面55c同图中部分51c与57c代表的单元的其它部分分离。为了在波导中激励要求的波形，在由导电材料制成的第一平面54c的要求点处做成一个孔58c，且给此孔配备一个通向波导的芯子部分53c的耦合回路59c。耦合回路59c同平的第一表面54c上面的电路结构中的要求的信号输入导体连接。此信号输入导体可例如是一个带状线、微带或共面导体。此信号输入导体与上面的其它电路结构未表示在图5c中。耦合回路59c由与以多层陶瓷技术制成的电路结构的其它部分的制造有关的导电材料制成。
图6a通过举例方法表示如何把微带同根据本发明的波导连接在一起。此图表示一个导体被连接点的沿YZ平面方向的剖面。电路结构通过把若干层陶瓷板61a结合在一起而成。微带部分60a由信号导体63a与接地导体62a构成。传输线的阻抗在微带同波导68a接合在一起的点改变。高阻抗失配引起信号向上述界面内的它的进入方向返回的不希望有的反射。此反射问题可通过在连接处做成一个其中传输线的阻抗级逐渐改变的特殊结构而减弱。在图6a例子中，这个阻抗匹配通过一个所谓的四分之一波变换器67a来实现。它由沿图中Z轴方向的λ/4长度的波导的几何形状的阶梯改变组成。在图6a中，这是借助于导电的平表面66a达到的，这些平表面66a沿y轴方向通过由导电材料制成的通孔64a互相连接。沿X轴方向，这些平面66a越过波导的整个芯子部分。结构中使用的陶瓷材料的电气性能在图例中电路结构的所有部分中都相似。
图6b表示一个把根据本发明的波导同另一电路结合的另一个方法的例子。此图表示一个传输线被连接点的Y2平面方向的剖面。元件的电路结构通过把若干层陶瓷板61b接合在一起而制成。激励信号借助于一个圆柱形探头63b引至波导。在此图例中，探头通过构成波导上表面的第一平面62b与此平面上制成的孔69b到达波导68b。因此探头63b同导电的第一平面62b没有电连接。当需要时，探头63b本身可沿图的Y轴方向伸入到通过若干层陶瓷电路结构。通过一个与图6a描述有关类型的四分之一波变换器67b减弱在信号馈电点建立的阻损失配。此四分之一波变换器67b由通过由导电材料制成的沿图的Y轴方向的通孔64b互相连接的各导电平表面66b组成。沿图的X轴方向，这些平面66b越过波导的整个芯子部分。结构中使用的陶瓷材料的电气性能在图例中电路结构的所有部分中都相似。
对根据本发明的实施例进行了计算摸拟。此模拟对根据本发明的两个具有相同结构尺寸的实施例进行，其中波导芯子部分的尺寸a为5mm，尺寸b为2mm，陶瓷材料的εr为5.9，而波导结构一部分的充空气空腔沿X轴方向的尺寸L为2.5mm。在模拟中使用了按照TE10的模操作，而使用的频率为18GHz。作为模拟的结果，根据本发明的第一实施例有1.7dB/cm的衰减。在相同的结构尺寸a与b及相同的频率18GHz的情况下，根据本发明的第二实施例的波导结构有0.7dB/cm的衰减值。
上面描述了本发明的几个优选实施例。然而，本发明不受上面描述的解决办法的限制。本发明的思想可应用于在由附加的权利要求书规定的范围内的许多不同方法。
权利要求
1.一种在以多层陶瓷技术制造的电路结构中制造波导的方法，在此方法中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定电路结构的尺寸与结构方向，电路单元由独立的陶瓷层(41，61a，61b)装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层内做成要求形状的空腔(22，26，32，36，42，46，52a，52b，52c，56a，56b，56c)与孔(38，39，48，49，64a，64b)，而在陶瓷层表面在要求位置上丝网印制一导电材料层(24，25，34，35，44，45，54a，54b，54c，55a，55b，55c，62a，62b，65a，65b)，通过把电路结构暴露于高温中以完成此电路结构，其特征在于为了制造一个基本上沿Z轴方向的波导-在电路结构中形成至少两个基本上平行于结构的yz平面与波导长度的阻抗突变以限制波导芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)沿X轴方向的长度a，以及-沿xz平面通过基本上平行的导电材料的第一平面(24，34，44，54a，54b，54c，62a，62b)与第二平面(25，35，45，55a，55b，55c，65a，65b)限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)，这两个导电的第一与第二平面制成在沿Y轴方向构成波导芯子部分的陶瓷层的上面与下面，且这两个导电的第一与第二平面用来限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)沿Y轴方向的尺寸b。
2.根据权利要求1的波导制造方法，其特征在于，通过在结构中的波导的芯子部分(23)的两侧构成基本上沿Z轴方向的充空气的空腔(22，26)实现该结构的所述两个基本上沿yz平面方向的波导的长度的阻扰突变。
3.根据权利要求1的波导制造方法，其特征在于两个基本上沿结构的yz平面方向的波导的长度的阻抗突变通过以下实现-通过在结构中波导的芯子部分(33)的两侧构成基本上沿Z轴方向的充空气的空腔(32，36)，-以及通过在靠近两个充空气的空腔(32，36)的波导芯子部分(33)内设置至少一排充以导电材料并基本上沿Y轴方向的通孔(38，39)，通过这些通孔所述导电材料的第一(34)与第二(35)平面被电连接。
4.一种集成在以多层陶瓷技术制造的电路单元内的波导，其中可借助于互相正交的X、Y与Z轴确定电路单元的尺寸与结构方向，电路单元由独立的陶瓷层(41，61a，61b)装配而成，陶瓷层的介电常数εr高于空气的相应值，在这些层内做成要求形状的空腔(22，26，32，36，42，46，52a，52b，52c，56a，56b，56c)与孔(38，39，48，49，64a，64b)，以及在这些陶瓷层的表面的要求位置上做成一层导电材料，其特征在于该波导包括-一个基本上沿电路单元结构的Z轴方向的波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)，-至少两个基本上沿yz平面方向、基本平行且为波导长度的阻抗突变，它们沿X轴方向限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)的尺寸，与-一个基本上沿xz平面方向并基本上为波导长度的第一层导电材料(24，34，44，54a，54b，54c，62a，62b)，与一个基本上沿xz平面方向并基本上为波导长度的第二层导电材料(25，35，45，55a，55b，55c，65a，65b)，第一与第二层基本上平行并沿Y轴方向限制波导的芯子部分(23，33，43，53a，53b，53c)的尺寸b。
5.根据权利要求4的波导，其特征在于借助于充空气的空腔(22，26)与芯子部分(23)的界面构成所述基本上沿yz平面方向的阻抗突变。
6.根据权利要求4的波导，其特征在于所述基本上沿yz平面方向的阻抗突变由以下部分构成。-基本上沿Z轴方向设置在波导芯子部分两侧的充空气的空腔(32，36)，与-基本上沿Y轴方向、充以导电材料并设置在靠近两个充空气空腔的波导芯子部分(33)内的至少一排的通孔(38，39)，通过这些道孔连接所述第一与第二层。
7.根据权利要求4的波导，其特征在于在波导的第一表面(54a)上做成一个孔(58a)用来激励打算在波导中传播的电磁场。
8.根据权利要求4的波导，其特征在于在波导的第一表面(54b)上做成一个孔(58b)，通过此孔把一个探头(59b)引向波导的芯子部分(53b)用来激励打算在波导中传播的电磁场。
9.根据权利要求4的波导，其特征在于在波导的第一表面(54c)上做成一个孔(58c)，通过此孔把一个耦合回路(59c)引向波导的芯子部分(53c)用来激励打算在波导中传播的电磁场。
全文摘要
本发明涉及一种波导制造方法与以此方法制造的波导,此波导可集成在以多层陶瓷技术制造的电路结构中,波导的芯子部分(23,33,43,53a,53b,53c)由一组陶瓷层装配而成,它沿yz平面方向受两个阻抗突变的限制而沿xz平面方向受两个由导电材料制成的平表面(24,25,34,35,54a,54b,54c,55a,55b,55c)的限制。这两个导电表面可通过由导电材料制成的通孔(38,39,48,49)互相连接。根据本发明的方法制造的波导作为整体是电路结构的一个固定部分。
文档编号H01P3/00GK1360742SQ00810061
公开日2002年7月24日 申请日期2000年7月10日 优先权日1999年7月9日
发明者奥利·萨尔梅拉, 埃萨·肯品恩, 汉斯·索摩马, 颇蒂·伊卡兰恩, 马库·科伊维斯托 申请人:诺基亚公司
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