CN107230817A - 半模基片集成波导3‑dB宽壁小孔耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半模基片集成波导3‑dB宽壁小孔耦合器，是由两块相同的半模基片集成波导通过接触组合而成的双层电路；改进的微带到半模基片集成波导的过渡电路通过梯形渐变接入半模基片集成波导；本发明在半模基片集成波导的公共地平面上开了一排5个圆形小孔来实现小孔耦合的目的，并最终实现了3‑dB的强耦合效果。其中，半模基片集成波导是通过在印刷电路板上设计一系列金属过孔实现的。本发明能顺利实现双层半模基片集成波导之间的3‑dB耦合，同时实现了直通端与耦合端之间的90°相移，相对于同等技术的基片集成波导耦合器，本发明在减小耦合器面积的同时提高了耦合器的性能，制作工艺简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，属于微波技术领域。
背景技术
随着现代技术的迅速发展，无线通信技术正在向高速、多频段、大容量方向发展。耦合器由于很容易实现任意功率同相/正交的功分作用在微波技术领域有着广泛的应用。耦合器作为核心器件被广泛运用于无线电收发机和相位阵列天线之中，但是传统的波导小孔耦合器是立体结构、体积大,、不易于集成，极大地限制了耦合器适用范围。
基片集成波导技术使得微波器件有了更广阔的发展。由于基片集成波导技术具有体积小、重量轻、高品质因素、低插入损耗、高集成度、大功率容量等特点，在基片集成波导的基础上，半模基片集成波导技术在保留基片集成波导的优点的同时进一步缩小了电路面积，更利于小型化电路的设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，结合微带结构的HMSIW平面耦合器结构，克服了传统波导耦合器立体结构大，难于集成的特点，在微波集成化、小型化电路中具有重要的应用价值。本发明通过研究平面化双层小孔耦合器，扩大该平面化双层小孔耦合器在现代微波毫米波电路集成中的应用。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，包括堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片，其中，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，顶层介质基片和底层介质基片之间设置有中间层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；
堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片上设置有一排金属化通孔，该排金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔与中间层金属层、底层介质基片、底层金属层构成第二半模基片集成波导；
顶层介质基片的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导上表面金属层两端连接的微带线；底层介质基片的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导下表面金属层两端连接的微带线；
中间层金属层上还开有一排圆孔，该排圆孔与金属化通孔平行，且相邻两个圆孔的圆心之间的间距相等。
作为本发明的进一步技术方案，所述中间层金属层上的一排圆孔位于半模基片集成波导的中心处。
作为本发明的进一步技术方案，所述中间层金属层上的一排圆孔数N≥5。
作为本发明的进一步技术方案，所述中间层金属层上的一排圆孔中，相邻两个圆孔的圆心之间间距为四分之一工作波长。
作为本发明的进一步技术方案，每条所述微带线分别通过一个梯形微带贴片与半模基片集成波导的金属层连接。
作为本发明的进一步技术方案，所述四条微带线中任一作为耦合器的输入端口，与输入端口同层的另一条微带线则作为直通端口，与输入端口不同层但同侧的一条微带线作为隔离端口，与输入端口不同层且不同侧的一条微带线作为耦合端口。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计结构简单，3-dB耦合工作带宽大，其双层结构与传统立体、多层结构耦合器相比更适合应用于现代微波毫米波电路集成中。同时，采用半模基片集成波导技术，结构十分紧凑，减少了加工难度，降低了加工成本。 相对于目前的基片集成波导耦合器，半模基片集成波导窄壁小孔耦合器，均有不同程度上的体积减小。
附图说明
图1是双层半模基片集成波导示意图。
图2是本发明半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器的三维结构示意图。
图3是本发明半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器的三维剖分图。
其中，1是顶层金属层，2是顶层介质基片，3是中间层金属层，4是底层介质基片，5是底层金属层。
图4是本发明半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器的俯视图。
图5是本发明耦合器上层介质内部电场分布俯视图。
图6是本发明耦合器下层介质内部电场分布俯视图。
图7（a）是本发明耦合器的S参数仿真与实测结果对比。
图7（b）是本发明耦合器的直通端与耦合端相位差仿真与实测结果对比。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，如图2至4所示，包括堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片，其中，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，顶层介质基片和底层介质基片之间设置有中间层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层。堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片上设置有一排金属化通孔，该排金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔与中间层金属层、底层介质基片、底层金属层构成第二半模基片集成波导。顶层介质基片的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导上表面金属层两端连接的微带线；底层介质基片的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导下表面金属层两端连接的微带线；每条所述微带线分别通过一个梯形微带贴片与半模基片集成波导的金属层连接，作为本发明耦合器的输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。中间层金属层上还开有一排圆孔，该排圆孔与金属化通孔平行，且相邻两个圆孔的圆心之间的间距相等，间距为四分之一工作波长。中间层金属层上的这一排圆孔位于半模基片集成波导的中心处，且圆孔数N≥5。
本发明的半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，是一种由波导宽壁小孔耦合器改进的双层3-dB半模基片集成波导宽壁小孔耦合器。本发明耦合器是由两块相同的半模基片集成波导通过接触组合而成的双层电路，改进的微带到半模基片集成波导的过渡电路通过梯形渐变（梯形微带贴片）接入半模基片集成波导。本发明在两块半模基片集成波导的公共地平面上开了一排5个圆形小孔来实现小孔耦合的目的，上层半模基片集成波导中的能量通过这5个小孔耦合到下层半模基片集成波导之中，并最终实现了3-dB的强耦合效果。
其中，半模基片集成波导是通过在介质基片上设计一系列金属化通孔实现的（半模基片集成波导的大小还有金属化通孔的尺寸和通孔之间的距离由工作频段决定）。本发明能顺利实现双层半模基片集成波导之间的3-dB耦合，同时实现了直通端与耦合端之间的90°相移，相对于同等技术的基片集成波导耦合器，本发明在减小耦合器面积的同时提高了耦合器的性能，制作工艺简单，成本低廉。
本发明中，两块半模基片集成波导上下对齐放置，如图1所示，该双层半模基片集成波导由上至下依次包含顶层金属层、介质基片（采用Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.5毫米）、中间层金属层、介质基片（采用Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.5毫米）和底层金属层，在它的长边均匀分布着一排金属化通孔。
如图3所示，在双层半模基片集成波导的公共面上开孔，上下两层半模基片集成波导中的能量通过这5个小孔进行耦合。四条微带线分别连接两块半模基片集成波导的两端，作为该耦合器的输入端、直通端、耦合端以及隔离端。由于整个耦合器结构是对称的，所以任意一个端口都可以作为输入端口，若输入端口已经确定，那么同层的另一个端口就是直通端，输入端同侧对应的另一层即为隔离端，直通端同侧对应的端口则是耦合端。四条微带线和半模基片集成波导之间通过一个梯形微带贴片连接，以实现阻抗匹配。在本发明的耦合器中，耦合小孔在保持固定圆心距离的基础之上被放置于整个半模基片集成波导的中心，以达到最强的耦合效果。四条微带线的阻抗均为50欧姆，且整个结构关于中间金属层上中线180°旋转对称。
本发明的耦合器在实际制作时，如图3和4所示，可以将部分介质基片切除，以方便SMA接头的焊接；还可以在介质基片的边缘打孔，通过螺丝与螺母将两层介质基片固定在一起。
图5是本发明耦合器上层介质内部电场分布俯视图，图6是本发明耦合器下层介质内部电场分布俯视图，图7（a）和图7（b）为本发明耦合器的仿真结果。由此可知，本发明耦合器的3-dB耦合带宽为7.2GHz~10.2GHz，中心频率为8.7GHz，相对带宽为34.5%。输入端口的回波损耗大于15dB。输入端和隔离端的隔离度为20dB以上，隔离效果非常好。直通端和耦合端在工作频段的相位差为87.5°±2.5°，满足正交3-dB耦合器的要求。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，其特征在于，包括堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片，其中，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，顶层介质基片和底层介质基片之间设置有中间层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；
堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片上设置有一排金属化通孔，该排金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔与中间层金属层、底层介质基片、底层金属层构成第二半模基片集成波导；
顶层介质基片的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导上表面金属层两端连接的微带线；底层介质基片的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导下表面金属层两端连接的微带线；
中间层金属层上还开有一排圆孔，该排圆孔与金属化通孔平行，且相邻两个圆孔的圆心之间的间距相等。
2.根据权利要求1所述的半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，其特征在于，所述中间层金属层上的一排圆孔位于半模基片集成波导的中心处。
3.根据权利要求1所述的半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，其特征在于，所述中间层金属层上的一排圆孔数N≥5。
4.根据权利要求1所述的半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，其特征在于，所述中间层金属层上的一排圆孔中，相邻两个圆孔的圆心之间间距为四分之一工作波长。
5.根据权利要求1所述的半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，其特征在于，每条所述微带线分别通过一个梯形微带贴片与半模基片集成波导的金属层连接。
6.根据权利要求1所述的半模基片集成波导3-dB宽壁小孔耦合器，其特征在于，所述四条微带线中任一作为耦合器的输入端口，与输入端口同层的另一条微带线则作为直通端口，与输入端口不同层但同侧的一条微带线作为隔离端口，与输入端口不同层且不同侧的一条微带线作为耦合端口。
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