專利名稱：自支撐帶線耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自支撐帶線耦合器。
背景技術(shù)：
耦合器用在高頻裝置中，以從一個導(dǎo)體增加或移除電能至另一個導(dǎo)體。已經(jīng)開發(fā)了多種耦合器，包括支線耦合器、Bethe耦合器和Lange耦合器。已經(jīng)基于各種傳輸線結(jié)構(gòu)開發(fā)了耦合器，這些傳輸結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)式傳輸結(jié)構(gòu)、同軸傳輸結(jié)構(gòu)和帶線傳輸結(jié)構(gòu)。一般來說，一個導(dǎo)體中的第一信號的一部分被耦合至另一個導(dǎo)體以產(chǎn)生第二信號，第二信號相對于第一導(dǎo)體中的傳播方反向傳播。理想的是，第二導(dǎo)體中以與第一信號相同方向傳播的任何信號在向前的方向上抵消其自身，但是在相反方向上不抵消。實際上，一些能量將在第二導(dǎo)體中以與第一信號相同的方向傳播。耦合器的方向性是指示第二導(dǎo)體中以需要的方向(也就是與第一導(dǎo)體中的傳播方向相反)傳播的能量相對于以相反方向傳播的能量的品質(zhì)因子。
許多耦合器基于具有以緊密貼近的方式限定在非導(dǎo)體襯底上的兩個導(dǎo)體的平面排列，其中非導(dǎo)體襯底例如是薄膜襯底、厚膜襯底、印刷電路板(“PCB”)襯底或半導(dǎo)體晶片。不幸的是，來自導(dǎo)體的電磁能量耦合到襯底材料中，導(dǎo)致?lián)p耗。類似地，將能量耦合到襯底中通常降低了耦合器的方向性。
已經(jīng)設(shè)計了將耦合器的導(dǎo)體懸置在空氣中或者將一個導(dǎo)體懸置在空氣中而將第二導(dǎo)體限定在襯底上的耦合器。電介質(zhì)墊、引腳或腿部用于在微電路的封裝(殼體)中支撐耦合器的導(dǎo)體；但是，這種耦合器專用于特定的封裝，這是因為支撐物高精度地或者可調(diào)節(jié)地布置在封裝中。這增加了制造成本，因為對每種新的封裝配置需要設(shè)計新的腿部。此外，支撐材料(腿部)的材料相對于奇?zhèn)鬏斈Ｊ絻?yōu)選阻礙偶傳輸模式的傳播，這降低了耦合器的性能。此外，很難減小這種設(shè)計的尺寸，以生產(chǎn)適于甚高頻工作的耦合器。
由此，需要一種避免前述問題的耦合器。

發(fā)明內(nèi)容
耦合器組件具有第一和第二導(dǎo)體和第一和第二電介質(zhì)支撐物，第一和第二電介質(zhì)支撐物沿耦合部分延伸，并在支撐部分處支撐第一和第二導(dǎo)體。


圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器組件的分解視圖。
圖1B示出了圖1A的耦合器組件的俯視圖。
圖1C示出了圖1A的耦合器組件的側(cè)視圖。
圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器導(dǎo)體坯。
圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器導(dǎo)體的一部分的體視圖。
圖2C示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器組件的補償結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖2D示出了圖2B中所示補償結(jié)構(gòu)的另一個剖視圖。
圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例在微電路殼體中的耦合器的體視圖。
圖3B示出了封裝的耦合器組件沿圖3A的剖面線C-C的剖視圖。
圖4A示出了與類似尺寸的理想耦合器的耦合度相比，所建模的電介質(zhì)支撐耦合器的耦合度。
圖4B示出了圖4A中的建模的電介質(zhì)支撐耦合器和圖4A中建模的理想耦合器的方向性的曲線。
圖5A示出了測量出的根據(jù)一個實施例的封裝耦合器的輸入回程損耗。
圖5B示出了測量出的圖5A的封裝耦合器的耦合回程損耗。
圖5C示出了測量出的圖5A的封裝耦合器的耦合度。
圖5D示出了測量出的圖5A的封裝耦合器的方向性。
具體實施例方式
I.示例性的耦合器組件圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器組件100的分解視圖。耦合器組件100包括第一電介質(zhì)支撐物102、第二電介質(zhì)支撐物104、第一導(dǎo)體106和第二導(dǎo)體108。第一導(dǎo)體106通過“耦合部分”110耦合至第二導(dǎo)體108。耦合部分110是耦合器組件的第一和第二導(dǎo)體大致互相貼近的部分，并且此種耦合器通常被稱為“邊緣耦合的帶線”耦合器。耦合器導(dǎo)體的這些部分通常被稱為“耦合器天線”。術(shù)語“耦合器”和“耦合器組件”是為了使用的方便，其包括各種電子器件，例如耦合器、功率分配器、能量并合器，以及Lange耦合器，其通常具有在耦合部分互相貼近的兩個導(dǎo)體，用于從一個導(dǎo)體傳輸能量至另一個導(dǎo)體。
耦合器組件的尺寸由多種因素來確定，這些因素包括最大和最小工作頻率、阻抗以及所需的耦合度量。最大工作頻率通常由接地平面之間的距離來確定，其中距離和最大頻率之間有反比關(guān)系(也就是距離越小，工作頻率越高)。從大約3GHz至大約100GHz具有15dB耦合度的示例性耦合器到接地平面的間距大約為0.8mm，具有大約0.4mm的導(dǎo)體高度和大約30mm長的耦合部分。
在封裝耦合器組件100時，第一和第二電介質(zhì)支撐物大致沿整個耦合長度彼此相對地定位第一和第二導(dǎo)體，并相對于微電路殼體的導(dǎo)體表面(接地平面)定位導(dǎo)體。
第一和第二導(dǎo)體106、108的端部形成封裝耦合器的端口112、114、116、118。在具體的實施例中，信號被提供到輸入端口112，并沿第一導(dǎo)體106傳輸至輸出端口114。一部分信號耦合到第二導(dǎo)體108，并傳輸?shù)今詈隙丝?16。諸如50歐電阻負(fù)載(見圖3的參考標(biāo)號312)之類的接線端可選地設(shè)置在封裝耦合器中，并連接至第四(端接的)端口118?？商鎿Q地，第四端口118不被端接在封裝耦合器中，而是穿過封裝引到外部，其它端口也如此。
中間導(dǎo)體106、108包括位于耦合部分110中的補償結(jié)構(gòu)120、122。補償結(jié)構(gòu)120、122具有從耦合器天線的其它部分的橫截面縮小的橫截面。補償結(jié)構(gòu)120、122與電介質(zhì)支撐物102、104中的凹口121、123配合，以避免沿耦合部分110的阻抗中斷。在具體的實施例中，第一電介質(zhì)支撐物不同于第二電介質(zhì)支撐物，因為凹口僅形成在下電介質(zhì)支撐物104中，上電介質(zhì)支撐物102基本上覆蓋緊固在下電介質(zhì)支撐物中的導(dǎo)體。可替換地，第一電介質(zhì)支撐物基本上是第二電介質(zhì)支撐物的鏡像，并且在一些實施例中，第一電介質(zhì)支撐物與第二電介質(zhì)支撐物相同。
凹穴130、132、134可選地形成在電介質(zhì)支撐物104中。凹穴被電磁吸收體填充或部分填充，電磁吸收體例如是通常被稱之為“多晶形鐵”的材料，是分散在樹脂(例如環(huán)氧的)基質(zhì)中的非常精細(xì)的鐵或其它顆粒。在具體實施例中，環(huán)氧基的多晶形鐵前體被灌入電介質(zhì)支撐物(一個或多個)中的凹穴中，以抑制到達耦合器的或來自耦合器的不想要的電磁輻射。
在具體實施例中，第一電介質(zhì)支撐物102和第二電介質(zhì)支撐物104是用聚合物(塑料)加工的或用其它電介質(zhì)材料制造的。通常需要選擇用于電介質(zhì)支撐物的電介質(zhì)材料具有適當(dāng)剛性和堅固度，以在處理過程中向耦合器組件提供機械強度，并具有低介電常數(shù)和低介電損耗，以避免降低耦合器天線的傳輸特性。適當(dāng)?shù)氖纠墙宦?lián)的聚苯乙烯，一個示例是由C-LEC PLASTICS INC.出售的名為REXOLITETM的產(chǎn)品。在具體實施例中，電介質(zhì)支撐物被加工成對于下支撐物約為0.6mm厚的REXOLITETM1422TM，對于上支撐物約為0.2mm厚的REXOLITETM1422TM?？商鎿Q地，電介質(zhì)支撐物由合適的聚合物樹脂或其它電介質(zhì)材料來澆鑄或模制。
圖1B示出了圖1的耦合器組件100的“底部”的俯視圖。中間導(dǎo)體106、108在支撐部分211、212、214、216處互相精確相對地被支撐在第一電介質(zhì)支撐物(未示出)和第二電介質(zhì)支撐物104之間。電介質(zhì)支撐物的電介質(zhì)材料在支撐部分211、212、214、216處圍繞耦合器導(dǎo)體106、108。電介質(zhì)支撐物沿耦合部分延伸以將耦合器導(dǎo)體保持為需要的間隔和對準(zhǔn)，并向耦合器組件提供機械強度和剛度。電介質(zhì)支撐物結(jié)合天線提供了可以用在各種微電路殼體中的耦合器組件100，而不必使用專用于殼體的電介質(zhì)腿部或支座。這極大地簡化了微電路殼體的設(shè)計和制造，并減小了制造封裝耦合器的成本。
圖1C示出了圖1A的耦合器組件100的側(cè)視圖。第一電介質(zhì)支撐物102和第二電介質(zhì)支撐物104以相對于第一電介質(zhì)支撐物102的頂部124和第二電介質(zhì)支撐物的底部126的精確高度保持第一中間導(dǎo)體106和第二中間導(dǎo)體108。第一電介質(zhì)支撐物102的釋壓的表面128、130、132與壓靠微電路封裝蓋的板簧(未示出)配合以保持耦合器組件100抵靠微電路殼體(見圖3A的參考標(biāo)號302)，允許在必要的時候方便地移除和替換耦合器組件或修理耦合器組件。
天線的位置由電介質(zhì)支撐物保持，并且不依賴于任何具體的殼體構(gòu)造。這使得封裝不必精確加工以保持耦合器天線來獲得需要的電氣性能。
II.耦合器組件和補償結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器導(dǎo)體壞200。耦合器導(dǎo)體壞200是金屬片，并且在具體的實施例中是大約0.4mm厚的鈹銅片。耦合器的第一導(dǎo)體106和第二導(dǎo)體108通過放電加工(“EDM”)來形成；但是，可以可替換地使用任意合適的加工工藝。突起202、204、206臨時將第一和第二導(dǎo)體附裝至耦合器導(dǎo)體壞。在加工之后，例如用金可選地鍍耦合器導(dǎo)體壞200。
在具體實施例中，在第一和第二導(dǎo)體106、108從耦合器導(dǎo)體壞200分離之前，第一和第二電介質(zhì)支撐物(見圖1A參考標(biāo)號102、104)被組裝在第一和第二導(dǎo)體106、108上。這在處理過程中提供支撐至導(dǎo)體，具體地是在分離突起(從壞去除)和修整過程中。氰基丙烯酸鹽粘合劑用于將電介質(zhì)支撐物附裝到導(dǎo)體和它們自身。可替換地，第一和第二電介質(zhì)支撐物使用擴散結(jié)合、超聲結(jié)合或溶劑結(jié)合來附裝，或通過使用可替換的粘結(jié)劑來附裝。
圖2B示出根據(jù)本發(fā)明實施例在耦合器天線222、223上的補償結(jié)構(gòu)220、221的體視圖。耦合器導(dǎo)體被電介質(zhì)支撐物支撐在補償結(jié)構(gòu)處。盡管電介質(zhì)支撐物由低介電材料制成，但是材料的介電常數(shù)大于圍繞耦合器導(dǎo)體的其他部分的空氣。這可以在導(dǎo)體中產(chǎn)生阻抗中斷。補償結(jié)構(gòu)通過縮小導(dǎo)體的橫截面，減小了在電介質(zhì)材料支撐導(dǎo)體處產(chǎn)生的阻抗中斷。
至縮小的橫截面區(qū)域的過渡產(chǎn)生了附加的串聯(lián)電感，附加的串連電感理想由旁路電容來補償。支撐縮小的橫截面區(qū)域(也就是補償結(jié)構(gòu))的電介質(zhì)材料的增大的介電常數(shù)提供了補償增大的阻抗的旁路電容，由此使得阻抗中斷最小化。
除了優(yōu)化通過導(dǎo)體的支撐部分的阻抗中斷，用支撐物的電介質(zhì)材料來包圍(也就是圍繞)導(dǎo)體提供了適合于高頻操作的耦合器組件。隨著工作頻率增大，部件的尺寸被減小以避免產(chǎn)生另外的不想要的傳播模式。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計中，對導(dǎo)體鉆穿孔，并且使電介質(zhì)腿部穿過導(dǎo)體并插入到微電路殼體中的接收孔中。必須在孔的每一側(cè)上留下足夠的材料以提供機械剛度。這很難用在以約100GHz以上工作的耦合器中的非常小的導(dǎo)體來實現(xiàn)。從導(dǎo)體表面移除材料以形成補償結(jié)構(gòu)，這比鉆非常小的孔并制造非常小的電介質(zhì)塞子容易。圍繞的電介質(zhì)材料向耦合器組件提供機械剛度。
導(dǎo)體之間的電介質(zhì)材料以及導(dǎo)體和接地平面之間的電介質(zhì)材料(見圖3B的參考標(biāo)號320、322)的存在意味著偶傳播模式和奇?zhèn)鞑ツＪ蕉紝⑹艿街袛嗟挠绊?，相對于對一個傳播模式的影響與另一個不同的電介質(zhì)支撐物設(shè)計，這提高了性能。導(dǎo)體的位置由容易配合到微電路封裝的接地平面的電介質(zhì)支撐物(見圖3B的參考標(biāo)號320、322)來固定。這允許耦合器組件(見圖1A-1C的參考標(biāo)號100)與各種相對簡單的微電路封裝一起使用，并提供了適合于使用高至至少110GHz的耦合器的實施例。
補償結(jié)構(gòu)220、221包括縮小部分224、225，縮小部分224、225是耦合器天線的大約0.5mm長的縮小了橫截面的部分。在具體實施例中，耦合器天線222的大部分具有約0.4mm高、約0.3mm寬的矩形橫截面，而縮小部分224具有約0.2mm高、約0.25mm寬的矩形橫截面尺寸。這些尺寸僅是示例性的。可替換地可以使用許多其他尺寸的天線和縮小部分。電介質(zhì)支撐物(見圖2D的參考標(biāo)號226、228)支撐補償結(jié)構(gòu)的縮小部分224。
補償結(jié)構(gòu)220包括過渡部分230、232(以及在縮小部分的底面和縮小部分的背面的其他類似的過渡部分)，過渡部分逐漸縮小(例如錐形)耦合器天線的橫截面至縮小部分224，并且之后從縮小部分逐漸增大耦合器天線的橫截面，以進一步減小支撐耦合器天線處的阻抗中斷。在具體實施例中，過渡部分形成與豎直方向成約30度的角(見圖2D)但是，此角度僅是示例性的。根據(jù)耦合器天線的尺寸和電介質(zhì)支撐物的尺寸、構(gòu)造以及材料可以可替換地使用更加陡峭或者更加平緩的過渡。
圖2C示出根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合器組件的補償結(jié)構(gòu)的剖視圖。剖視圖基本上是沿圖2B的剖面線A-A來取的；但是，電介質(zhì)支撐物226、228未示出在圖2B中。耦合器天線222具有過渡部分230、234、236、238。
圖2D示出補償結(jié)構(gòu)的大致沿圖2B的剖面線B-B的另一個剖視圖。電介質(zhì)支撐物226、228圍繞耦合器天線的縮小部分224、225，并將耦合器天線支撐為離上電介質(zhì)表面和下電介質(zhì)表面240、242選定的距離，使得當(dāng)耦合器組件封裝在微電路殼體中時，耦合器天線將被保持為離微電路殼體的接地平面(頂和底)和蓋選定的距離。
III.示例性的封裝耦合器組件圖3A示出根據(jù)本發(fā)明實施例在微電路殼體302中的耦合器組件300的體視圖。同軸適配器在輸入端口304、輸出端口306和耦合端口308處增加至微電路殼體。第四端口310端接在阻抗負(fù)載312中，在具體實施例中阻抗負(fù)載312被選擇來提供高至至少約90GHz的高質(zhì)量(也就是低電容、低電感)負(fù)載的50歐電阻。
圖3B示出沿圖3A的剖面線C-C的剖視圖。蓋314(圖3A中未示出)使用導(dǎo)電粘結(jié)劑被附裝到微電路302?？商鎿Q地，用介入式導(dǎo)電襯墊(未示出)將蓋擰入或螺栓連接到微電路殼體上，或使用其它方式來附裝。蓋和微電路殼體具有導(dǎo)電表面，并且在具體實施例中是鍍金的鋁?？s小部分224、225由電介質(zhì)支撐物102、104來支撐。電介質(zhì)支撐物104中的凹穴(例如見圖1A的參考標(biāo)號130)用多晶形鐵316、318或其它的電磁吸收材料來填充。電介質(zhì)支撐物102、104將耦合器天線支撐為離由蓋314和微電路殼體302提供的接地平面320、322選定的距離，以形成帶線耦合器。
IV.模擬和測試結(jié)果基本上根據(jù)圖1A的耦合器組件的電介質(zhì)支撐耦合器是利用可以從AGILENT TECHNOLOGIES，INC.獲得的HIGH FREQUENCYSTRUCTURE SIMULATOR(“HFSS”)TM版本5.6進行建模的。還建模了理想耦合器，即，類似配置的耦合器，但是該耦合器具有無補償結(jié)構(gòu)、懸置在空氣中并且沒有物理支撐的耦合器天線。圖4A示出了與類似尺寸的理想耦合器的耦合度相比，所建模的電介質(zhì)支撐耦合器400的耦合度(S31)。這些圖示出了高至至少100GHz電介質(zhì)支撐耦合器都具有與理想耦合器類似的性能。
圖4B示出了圖4A中建模的電介質(zhì)支撐耦合器404和圖4A中建模的理想耦合器406的方向性曲線(S24/S21)。電介質(zhì)支撐耦合器與理想的耦合器相比，說明了環(huán)繞的電介質(zhì)支撐物和過渡獲得的優(yōu)點。
基本上根據(jù)圖3A的封裝耦合器被制造出，并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析器進行了測試。圖5A示出了測量出的封裝耦合器的輸入回程損耗(S11)。一直到110GHz都實現(xiàn)了比-15dB好的優(yōu)異的輸入回程損耗。盡管根據(jù)實施例的耦合器制造成本顯著降低，但是輸入回程損耗仍與使用電介質(zhì)腿部的類似電氣設(shè)計的現(xiàn)有封裝耦合器相當(dāng)。
圖5B示出了測量出的圖5A的封裝耦合器的耦合回程損耗(S33)。與輸入回程損耗類似，測量出的根據(jù)實施例的封裝耦合器的耦合回程損耗與使用電介質(zhì)腿部的類似電氣設(shè)計的現(xiàn)有封裝耦合器的耦合回程損耗相當(dāng)。
圖5C示出了測量出的圖5A的封裝耦合器的耦合度(S31)，圖5D示出了測量出的圖5A的封裝耦合器的方向性(S32/S31)。根據(jù)實施例的電介質(zhì)支撐封裝耦合器的方向性與使用腿部的現(xiàn)有封裝耦合器的方向性大致相同。期望對封裝耦合器設(shè)計的細(xì)化將在高至110GHz都提供比-10dB好的方向性。
盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是很明顯，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對這些實施例進行修改和改變。例如，本發(fā)明的實施例被用于制造高性能、低成本的分配器和Lange耦合器以及雙向耦合器。
權(quán)利要求
1.一種耦合器組件，包括第一導(dǎo)體；沿耦合部分貼近所述第一導(dǎo)體的第二導(dǎo)體；沿所述耦合部分延伸的第一電介質(zhì)支撐物；和沿所述耦合部分延伸的第二電介質(zhì)支撐物，所述第一電介質(zhì)支撐物與所述第二電介質(zhì)支撐物配合，以在第一支撐部分處圍繞所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器組件，其中所述第一電介質(zhì)支撐物和所述第二電介質(zhì)支撐物在第二支撐部分處圍繞所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耦合器組件，其中所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體在除了所述第一支撐部分和所述第二支撐部分之外的部分處由空氣包圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耦合器組件，其中第一補償結(jié)構(gòu)包括至所述第一導(dǎo)體的縮小部分的過渡部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耦合器組件，其中所述第一電介質(zhì)支撐物和所述第二電介質(zhì)支撐物中的至少一個在支撐所述縮小部分的支撐部分中具有凹口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器組件，其中所述第一導(dǎo)體在所述支撐部分處包括第一補償結(jié)構(gòu)，并且所述第二導(dǎo)體包括第二補償結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器組件，其中所述第一電介質(zhì)支撐物和所述第二電介質(zhì)支撐物中的至少一個包括用電磁吸收材料填充的凹穴。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器組件，其中所述第一電介質(zhì)支撐物和所述第二電介質(zhì)支撐物中的至少一個包括加工的聚合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器組件，其中所述第一電介質(zhì)支撐物和所述第二電介質(zhì)支撐物中的至少一個包括澆鑄的聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器組件，還包括提供第一接地平面的微電路殼體；和提供第二接地平面的微電路蓋，所述第一電介質(zhì)支撐物和所述第二電介質(zhì)支撐物將所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體保持為離所述第一接地平面第一選定的距離，離所述第二接地平面第二選定的距離，從而形成槽狀線耦合器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的耦合器組件，還包括連接至所述槽狀線耦合器的端口的接線端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自支撐帶線耦合器。該耦合器組件具有第一和第二導(dǎo)體和第一和第二電介質(zhì)支撐物，第一和第二電介質(zhì)支撐物沿耦合部分延伸，并在支撐部分處支撐第一和第二導(dǎo)體。
文檔編號H01P5/00GK1967931SQ200610138199
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月16日
發(fā)明者哈森·坦巴庫崎, 邁克爾·B·懷特納, 馬修·R·里克特, 格倫·S·塔克哈什 申請人:安捷倫科技有限公司