耦合器的制作方法

1.本技术属于微波系统技术领域，尤其涉及一种耦合器。


背景技术：

2.目前，在微波技术中，微波耦合器是主要无源微波元件的之一，它是微波系统中用来分离或组合各种不同频率信号的重要元件。随着电子系统向小型化、轻量化和高性能方向不断发展，电子系统对微波耦合器的尺寸和功率等性能提出更高的要求。
3.传统的耦合器采用在磁芯上绕制线圈而成，这样的产品存在体积较大、环境适应性差、成本高且一致性低的问题，不能很好的满足现代技术对产品小体积、低成本、高性能、高一致性的要求。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种耦合器，旨在解决传统的耦合器存在的体积较大、环境适应性差、成本高且一致性低的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种耦合器，包括：基体；设置在所述基体内的第一叠层螺旋电感，所述第一叠层螺旋电感包括层叠设置的第一螺旋线圈和第二螺旋线圈，所述第一螺旋线圈的外圈端口为所述耦合器的第一端口，所述基体在所述第一螺旋线圈的内圈端口与所述第二螺旋线圈的内圈端口之间通过第一通孔连接，所述第二螺旋线圈的外圈端口为所述耦合器的第二端口；以及设置在所述基体内的第二叠层螺旋电感，所述第二叠层螺旋电感与所述第一叠层螺旋电感相互耦合，所述第二叠层螺旋电感包括层叠设置的第三螺旋线圈和第四螺旋线圈，所述第三螺旋线圈的外圈端口为所述耦合器的第三端口，所述基体在所述第三螺旋线圈的内圈端口与所述第四螺旋线圈的内圈端口之间通过第一通孔连接，所述第四螺旋线圈的外圈端口为所述耦合器的第四端口。
6.其中一实施例中，所述第一螺旋线圈、所述第二螺旋线圈、所述第三螺旋线圈和所述第四螺旋线圈由上至下依次层叠设置在所述基体内。
7.其中一实施例中，所述第二螺旋线圈的图案由所述第一螺旋线圈的图案沿高度方向旋转180
°
得到；所述第三螺旋线圈的图案由所述第二螺旋线圈的图案沿长度方向旋转180
°
得到；所述第四螺旋线圈的图案由所述第三螺旋线圈的图案沿高度方向旋转180
°
得到。
8.其中一实施例中，所述第一端口设置在所述基体的前表面，所述长度方向平行于所述前表面。
9.其中一实施例中，所述第一螺旋线圈、所述第二螺旋线圈、所述第三螺旋线圈和所述第四螺旋线圈均为双层螺旋线圈，所述第一螺旋线圈、所述第二螺旋线圈、所述第三螺旋线圈和所述第四螺旋线圈均由两个并联的1/8波长平面线圈组成。
10.其中一实施例中，所述1/8波长平面线圈的线宽为100μm～130μm；所述1/8波长平面线圈的厚度为7μm～13μm。
11.其中一实施例中，所述第一叠层螺旋电感与所述第二叠层螺旋电感之间的间距为0.65mm～0.75mm；同一螺旋电感中的螺旋线圈之间的间距为100μm～135μm；同一螺旋线圈中的所述1/8波长平面线圈之间的间距为5μm～15μm。
12.其中一实施例中，还包括设置在所述基体内的第一屏蔽层和第二屏蔽层，所述第一屏蔽层和所述第二屏蔽层均与所述第一叠层螺旋电感和所述第二叠层螺旋电感平行，所述第一屏蔽层设置在所述第一叠层螺旋电感的上方，所述第二屏蔽层设置在所述第二叠层螺旋电感的下方。
13.其中一实施例中，所述基体外表面还设置有第一外电极、第二外电极、第三外电极和第四外电极，所述第一外电极与所述第一端口连接，所述第二外电极与所述第二端口连接，所述第三外电极与所述第三端口连接，所述第四外电极与所述第四端口连接。
14.其中一实施例中，所述基体外表面还设置有接地屏蔽层，所述接地屏蔽层用于与地端连接。
15.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本技术通过第一叠层螺旋电感和第二叠层螺旋电感之间的电磁耦合实现能量传输，从而形成耦合器。本技术可以采用低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic；ltcc)工艺将电感集成在一个陶瓷基体内，形成独石结构，不仅可以大大缩小耦合器的体积，还能提高耦合器的集成度、环境适应性、一致性。
附图说明
16.图1为本技术第一实施例提供的耦合器的结构示意图；
17.图2为本技术第一实施例提供的第一螺旋线圈的图案示意图；
18.图3为本技术第一实施例提供的第二螺旋线圈的图案示意图；
19.图4为本技术第一实施例提供的第三螺旋线圈的图案示意图；
20.图5为本技术第一实施例提供的螺旋电感的等效电路图；
21.图6为本技术另一实施例提供的耦合器的结构示意图；
22.图7为本技术第一实施例提供的耦合器的外形示意图。
23.上述附图说明：100、基体；200、第一叠层螺旋电感；210、第一螺旋线圈；211、第一1/8波长平面线圈；212、第二1/8波长平面线圈；220、第二螺旋线圈；221、第三1/8波长平面线圈；222、第四1/8波长平面线圈；230、第一通孔；300、第二叠层螺旋电感；310、第三螺旋线圈；311、第五1/8波长平面线圈；312、第六1/8波长平面线圈；320、第四螺旋线圈；321、第七1/8波长平面线圈；322、第八1/8波长平面线圈；330、第二通孔；410、第一屏蔽层；420、第二屏蔽层；510、第一外电极；520、第二外电极；530、第三外电极；540、第四外电极；550、接地屏蔽层。
具体实施方式
24.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另
一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
26.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.图1示出了本技术第一实施例提供的耦合器的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
29.一种耦合器，包括：基体100、第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300。
30.其中，基体100可以是陶瓷基体，在一示例中，基体100的长宽高分别为9.0mm、5.0mm和1.5mm，基体100由低温共烧陶瓷粉料制成，低温共烧陶瓷粉料的烧结温度≤900℃，低温共烧陶瓷粉料的介电常数为6～9，低温共烧陶瓷粉料的介质损耗因子为tanα≤0.002，在一示例中，烧结温度为855℃，低温共烧陶瓷粉料的介电常数为7.5，介质损耗因子为tanα为0.001。第一叠层螺旋电感200设置在基体100内，第一叠层螺旋电感200包括层叠设置的相互平行的第一螺旋线圈210和第二螺旋线圈220，第一螺旋线圈210的外圈端口为耦合器的第一端口a，基体100在第一螺旋线圈210的内圈端口与第二螺旋线圈220的内圈端口之间通过第一通孔230连接，第二螺旋线圈220的外圈端口为耦合器的第二端口b。第二叠层螺旋电感300设置在基体100内，第二叠层螺旋电感300与第一叠层螺旋电感200相互耦合，第二叠层螺旋电感300包括层叠设置的相互平行的第三螺旋线圈310和第四螺旋线圈320，第三螺旋线圈310的外圈端口为耦合器的第三端口c，基体100在第三螺旋线圈310的内圈端口与第四螺旋线圈320的内圈端口之间通过第二通孔330连接，第四螺旋线圈320的外圈端口为耦合器的第四端口d。在一示例中，第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300由低温银浆制成，银浆烧结温度≤900℃，银浆含银量为85％
±
10％，在一示例中，银浆烧结温度为700℃，银浆含银量为85％。第一通孔230和第二通孔330的内壁也覆盖有银浆，用于连接对应的螺旋线圈。
31.本实施例通过第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300之间的电磁耦合实现能量传输，形成耦合器。将一个叠层螺旋电感电感分为两层螺旋线圈可以拓宽耦合器的工作频率的范围，使得耦合器可以应用于低频信号的耦合。本实施例的耦合器的工作频率可以为10mhz～100mhz。
32.本实施例中，第一螺旋线圈210、第二螺旋线圈220、第三螺旋线圈310和第四螺旋线圈320由上至下依次层叠设置在基体100内。本实施例的耦合器可通过低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic；ltcc)工艺由上至下，依次层叠制成，将电感集成在一个基体100内，形成独石结构，不仅可以大大缩小耦合器的体积，还能提高耦合器的集成度、环境适应性、一致性。
33.第一螺旋线圈210的图案如图2所示，第二螺旋线圈220的图案如图3所示，第三螺
旋线圈310的图案如图4所示，本实施例中，第二螺旋线圈220的图案由第一螺旋线圈210的图案沿高度方向(z轴)旋转180
°
得到；第三螺旋线圈310的图案由第二螺旋线圈220的图案沿长度方向(y轴)旋转180
°
得到；第四螺旋线圈320的图案由第三螺旋线圈310的图案沿高度方向旋转180
°
得到。
34.通过采用对称的线圈图案，可以减少耦合器成型过程所需网版，本实施例可以仅使用一个的网版实现四个螺旋线圈的制作，使成型工艺简单化。
35.在一示例中，第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300的等效电路图如图5所示，当第一端口a为输入端时，第二端口b为直通端，第三端口c为耦合端，第四端口d为隔离端；当第二端口b为输入端时，第一端口a为直通端，第三端口c为隔离端，第四端口d为耦合端；当第三端口c为输入端时，第四端口d为直通端，第一端口a为耦合端，第二端口b为隔离端；当第四端口d为输入端时，第三端口c为直通端，第二端口b为耦合端，第一端口a为隔离端。由于第一螺旋线圈210、第二螺旋线圈220、第三螺旋线圈310和第四螺旋线圈320的图案结构对称，因此各个端口均可以作为输入端，当输入端变化时，各端口的类型也发生对应变化。
36.本实施例中，第一端口a设置在基体100的前表面，长度方向平行于前表面且与第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300平行，高度方向平行于前表面且与长度方向垂直。
37.需要说明的是，当第一端口a设置在基体100的前表面时，由于第二螺旋线圈220的图案由第一螺旋线圈210的图案沿高度方向旋转180
°
得到，第二端口b因此设置在基体100的后表面。由于第三螺旋线圈310的图案由第二螺旋线圈220的图案沿长度方向旋转180
°
得到，第三端口c对应设置在基体100的前表面，第四端口d对应设置在基体100的后表面。
38.本实施例中，第一螺旋线圈210、第二螺旋线圈220、第三螺旋线圈310和第四螺旋线圈320均为双层螺旋线圈，第一螺旋线圈210、第二螺旋线圈220、第三螺旋线圈310和第四螺旋线圈320均由两个并联的1/8波长平面线圈组成。
39.采用两层1/8波长平面线圈并联成一层螺旋线圈的方式可以以较小的制作难度，极大的增加耦合器的功率容量，耦合器的功率容量可以超过50w。
40.具体地，如图1所示，第一螺旋线圈210包括第一1/8波长平面线圈211和第二1/8波长平面线圈212，第二螺旋线圈220包括第三1/8波长平面线圈221和第四1/8波长平面线圈222，第三螺旋线圈310包括第五1/8波长平面线圈311和第六1/8波长平面线圈312，第四螺旋线圈320包括第七1/8波长平面线圈321和第八1/8波长平面线圈322。
41.本实施例中，各个1/8波长平面线圈的线宽为100μm～130μm。各个1/8波长平面线圈的厚度为7μm～13μm。第一叠层螺旋电感200与第二叠层螺旋电感300之间的间距为0.65mm～0.75mm，具体地，即第四1/8波长平面线圈222与第五1/8波长平面线圈311之间的间距为0.65mm～0.75mm。同一螺旋电感中的螺旋线圈之间的间距为100μm～135μm，例如，第一螺旋线圈210与第二螺旋线圈220之间的间距为100μm～135μm，即第二1/8波长平面线圈212与第三1/8波长平面线圈221之间的间距为100μm～135μm。同一螺旋线圈中的1/8波长平面线圈之间的间距为5μm～15μm，例如，第一1/8波长平面线圈211与第二1/8波长平面线圈212之间的间距为5μm～15μm。
42.在一示例中，各个1/8波长平面线圈的线宽为115μm，各个1/8波长平面线圈的厚度
为10μm，第一叠层螺旋电感200与第二叠层螺旋电感300之间的间距为0.7mm，同一螺旋电感中的螺旋线圈之间的间距为120μm，同一螺旋线圈中的1/8波长平面线圈之间的间距为10μm。耦合器的工作频率为27mhz，主线插入损耗≤0.1db；耦合度为30
±
3db；相位平衡度≤6
°
；驻波比≤1.3；方向性≥15db。
43.如图6所示，另一实施例中，还包括设置在基体100内的第一屏蔽层410和第二屏蔽层420，第一屏蔽层410和第二屏蔽层420均与第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300平行，第一屏蔽层410设置在第一叠层螺旋电感200和第二叠层螺旋电感300的上方，第二屏蔽层420设置在第二叠层螺旋电感300的下方。
44.在产品内部增加第一屏蔽层410和第二屏蔽层420，可以有效的增加产品的方向性和耦合度，避免外部的电磁干扰。
45.如图7所示，本实施例中，基体100外表面还设置有第一外电极510、第二外电极520、第三外电极530和第四外电极540，第一外电极510与第一端口a连接，第二外电极520与第二端口b连接，第三外电极530与第三端口c连接，第四外电极540与第四端口d连接。
46.第一外电极510、第二外电极520、第三外电极530和第四外电极540可以用于通过焊接的方式与外部电路连接。
47.另一实施例中，各个1/8波长平面线圈在各个外圈端口处的线宽为250μm～500μm，较大的线宽可保证在于对应的外电极连接时的可靠性。在一示例中，各个1/8波长平面线圈在各个外圈端口处的线宽为350μm。
48.本实施例中，基体100外表面还设置有接地屏蔽层550，接地屏蔽层550用于与地端连接。接地屏蔽层550用于进一步屏蔽外部的电磁信号。
49.本实施例中第一外电极510、第二外电极520、第三外电极530、第四外电极540和接地屏蔽层550均由三层金属浆料组成，最内层为银层，银层的含银量为60％
±
20％，银层烧结温度≤800℃，中间层为镍层，最外层为锡层。通过设置三层金属浆料可以保障第一外电极510、第二外电极520、第三外电极530、第四外电极540和接地屏蔽层550在焊接时的可靠性。
50.在具体制造时，本实施例的耦合器可采用低温共烧陶瓷工艺由上至下进行制作。具体地，可以依次叠加接地屏蔽层550的上表面、基体材料、第一屏蔽层410、无孔介质膜、第一1/8波长平面线圈211、有孔介质膜、第二1/8波长平面线圈212、有孔介质膜、第三1/8波长平面线圈221、有孔介质膜、第四1/8波长平面线圈222、叠无孔介质膜、第五1/8波长平面线圈311、有孔介质膜、第六1/8波长平面线圈312、有孔介质膜、第七1/8波长平面线圈321、有孔介质膜、第八1/8波长平面线圈322、叠无孔介质膜、第二屏蔽层420、基体材料、接地屏蔽层550的下表面。有孔介质膜设有连接叠层螺旋电感的通孔。
51.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
52.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
53.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。