CN108321482B - 一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，可以应用在对分支线耦合器的弯曲下的性能有要求的场景，其中，通带内的带宽比较宽，而且插入损耗较小，相比较加入滤波器来抑制谐波，该耦合器的结构简单，易于设计；并且由于所设计耦合器加入了缺陷地，实现了较宽的微带线宽度，易于加工实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，属于电磁场与微波技术领域。
背景技术
在前端微波子系统中分支线耦合器是一个非常重要的器件，它已经广泛的应用在了混频器，功率放大器，功分器，RFID等场合。现代电子对抗系统、测量仪器系统以及其他微波系统覆盖了越来越宽的频带,这种趋势对各种微波器件提出了宽频带的要求。作为微波系统中广泛应用的分支线定向耦合器也受到了这方面的挑战,所以研制宽带分支线定向耦合器具有迫切的现实意义。
传统分支线耦合器有一个通病，其谐波抑制能力和防杂散干扰能力较差，所以一般应用分支线耦合器时，基本上电路需要在输入端前面加一个带通滤波器或者在输出端每个端口后面各加一个低通滤波器，来消除由非线性器件引起的不想要的干扰，噪声和谐波。但对于这种做法，设计者基本上不会采用，因为这就等于需要增大整体系统的尺寸，而且相对的，也增加了设计的成本。因此，通过设计带有谐波抑制功能的功分器来实现电路的谐波抑制功能，从而避免加滤波器来实现谐波抑制功能，进而减小了整体系统的设计成本和尺寸。同时柔性电子技术引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展，越来越多的微波器件要面临各种各样的应用场景，对分支线耦合器的柔韧性方面都提出了很高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以应用在对分支线耦合器弯曲性能有要求的场景，具有制作简单，易于实现，加工成本较低，适于批量加工生产优点的可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，包括柔性介质基板，设置于柔性介质基板下表面的金属接地层，以及印制于柔性介质基板上表面的四条预设波长微带线、两条第一微带传输线、两条第二微带传输线、两条第一开路枝节、两条第二开路枝节、四条输入输出微带传输线；其中，两条第一微带传输线位置彼此相对，两条第二微带传输线位置彼此相对，两条第一微带传输线上其中一同侧的端部分别与其中一条第二微带传输线的两端相连接，两条第一微带传输线上另一同侧的端部分别与另一条第二微带传输线的两端相连接；两条第一微带传输线与两条第二微带传输线所围区域的中心位置，定义为参考中心位置；两条第一微带传输线上的四个端部分别与四条预设波长微带线一一对应，两条第一微带传输线上的各个端部分别与对应预设波长微带线的其中一端相连接；四条预设波长微带线分别与四条输入输出微带传输线一一对应，各条预设波长微带线的另一端分别与对应输入输出微带传输线的其中一端相连接；两条第一开路枝节分别位于两条第一微带传输线的外侧，两条第一开路枝节分别与两条第一微带传输线一一对应，两条第一开路枝节上的其中一端分别与对应第一微带传输线的中点位置相连接；两条第二开路枝节分别位于两条第二微带传输线的外侧，两条第二开路枝节分别与两条第二微带传输线一一对应，两条第二开路枝节上的其中一端分别与对应第二微带传输线的中点位置相连接；柔性介质基板上表面的印制结构相对参考中心位置呈中心对称；金属接地层上分别对应于两条第二微带传输线正下方、且位于各条第二开路枝节两侧的共计四个位置上，分别刻蚀一个哑铃形状结构。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各条第一微带传输线分别与其所连各条第二微带传输线相垂直。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各条第一开路枝节分别与其对应第一微带传输线相垂直。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各条第二开路枝节分别与其对应第二微带传输线相垂直。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各个哑铃形状结构中的连杆分别与各条第二微带传输线，在垂直于柔性介质基板的投影面上相垂直，且各个哑铃形状结构中连杆的中点位置分别与对应第二微带传输线，在垂直于柔性介质基板的投影面上相重合。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各个预设波长微带线的波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的四分之一波长。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各条第一微带传输线的波长、各条第二微带传输线的波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的六分之一波长。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各条第一开路枝节波长、各条第二开路枝节波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的十二分之一波长。
本发明所述一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，可以应用在对分支线耦合器的弯曲下的性能有要求的场景，其中，通带内的带宽比较宽，而且插入损耗较小，相比较加入滤波器来抑制谐波，该耦合器的结构简单，易于设计；并且由于所设计耦合器加入了缺陷地，实现了较宽的微带线宽度，易于加工实现。
附图说明
图1是本发明所设计可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器的侧视示意图；
图2是本发明所设计可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器的俯视示意图；
图3是本发明所设计可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器的仰视示意图。
其中，1. 柔性介质基板，2. 金属接地层，3. 输入输出微带传输线，4. 预设波长微带线，5. 第一微带传输线，6. 第二微带传输线，7. 第一开路枝节,8. 第二开路枝节,9.哑铃形状结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明设计了一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，实际应用中，具体包括柔性介质基板1，设置于柔性介质基板1下表面的金属接地层2，以及印制于柔性介质基板1上表面的四条预设波长微带线4、两条第一微带传输线5、两条第二微带传输线6、两条第一开路枝节7、两条第二开路枝节8、四条输入输出微带传输线3；其中，两条第一微带传输线5位置彼此相对，两条第二微带传输线6位置彼此相对，两条第一微带传输线5上其中一同侧的端部分别与其中一条第二微带传输线6的两端相连接，两条第一微带传输线5上另一同侧的端部分别与另一条第二微带传输线6的两端相连接，并且各条第一微带传输线5分别与其所连各条第二微带传输线6相垂直；两条第一微带传输线5与两条第二微带传输线6所围区域的中心位置，定义为参考中心位置。
各个预设波长微带线4的波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的四分之一波长，阻抗为36欧姆，该微带线4为1/4波长阻抗变换器，其作用是实现宽带阻抗匹配，这样使得该耦合器有较宽的带宽，该微带线可以以任意的形状呈现，在本发明中为了方便使用了矩形的形状。两条第一微带传输线5上的四个端部分别与四条预设波长微带线4一一对应，两条第一微带传输线5上的各个端部分别与对应预设波长微带线4的其中一端相连接；四条预设波长微带线4分别与四条输入输出微带传输线3一一对应，各条预设波长微带线4的另一端分别与对应输入输出微带传输线3的其中一端相连接。
各条第一微带传输线5的波长、各条第二微带传输线6的波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的六分之一波长；其中，各条第一微带传输线5采用特性阻抗为39欧姆的传输线，各条第二微带传输线6采用特性阻抗为124欧姆的传输线。
各条第一开路枝节7波长、各条第二开路枝节8波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的十二分之一波长；其中，各条第一开路枝节7采用特性阻抗为19欧姆的传输线，各条第二开路枝节8采用特性阻抗为62欧姆的传输线。
两条第一开路枝节7分别位于两条第一微带传输线5的外侧，两条第一开路枝节7分别与两条第一微带传输线5一一对应，两条第一开路枝节7上的其中一端分别与对应第一微带传输线5的中点位置相连接，并且各条第一开路枝节7分别与其对应第一微带传输线5相垂直；两条第二开路枝节8分别位于两条第二微带传输线6的外侧，两条第二开路枝节8分别与两条第二微带传输线6一一对应，两条第二开路枝节8上的其中一端分别与对应第二微带传输线6的中点位置相连接，并且各条第二开路枝节8分别与其对应第二微带传输线6相垂直；柔性介质基板1上表面的印制结构相对参考中心位置呈中心对称。
利用开路枝节的禁带响应来抑制三次谐波，只有长度满足了这个要求，才能实现抑制三次谐波的特性，同时由于加入了开路枝节，实现了第一微带传输线5与第二微带传输线6的小型化。
金属接地层2上分别对应于两条第二微带传输线6正下方、且位于各条第二开路枝节8两侧的共计四个位置上，分别刻蚀一个哑铃形状结构9，各个哑铃形状结构9中的连杆分别与各条第二微带传输线6，在垂直于柔性介质基板1的投影面上相垂直，且各个哑铃形状结构9中连杆的中点位置分别与对应第二微带传输线6，在垂直于柔性介质基板1的投影面上相重合。
相对于没有加入哑铃型的结构，第二微带传输线6的宽度更宽，更易于加工；同时由于缺陷地结构的慢波特性也可以实现第二微带传输线6的小型化。在本发明中使用的是哑铃型结构的缺陷地结构，也可以使用其他的缺陷地结构来实现同样的功能。
实际应用中，四条输入输出微带传输线3中的任意一条都可以用作输入端口，如图2所示，例如在选定了左上角的输入输出微带传输线3作为输入端口之后, 右上角的输入输出微带传输线3作为直通输出端口，左下角的输入输出微带传输线3作为隔离输出端口，右下角的输入输出微带传输线3作为耦合输出端口。
上述技术方案所设计可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，可以应用在对分支线耦合器的弯曲下的性能有要求的场景，其中，通带内的带宽比较宽，而且插入损耗较小，相比较加入滤波器来抑制谐波，该耦合器的结构简单，易于设计；并且由于所设计耦合器加入了缺陷地，实现了较宽的微带线宽度，易于加工实现。
针对所设计可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器的实际应用，设计中本耦合器的中心频率是3GHz；通过四条1/4波长微带线4来拓展分支线耦合器的带宽，相对带宽达到了43.6%；其中利用了开路枝节的阻带特性来抑制三次谐波，可以通过调整开路枝节的长度来调整谐振点的位置，在三次谐波处从8.5 GHz到10 GHz S21,S31,S41都小于-15dB。其同时相比较没有加入开路枝节的微带线，长度也变小了，只有原来的2/3，其中在接地板上刻蚀的4个哑铃型的结构（缺陷地结构）的作用是让第二微带传输线6的宽度增加，在不加入缺陷地结构的时候，这段微带线的线宽只有0.1mm，在加入了缺陷地结构之后这段微带线的线宽是0.4mm，便于加工。
在制造上，本发明所设计的能抑制三次谐波的10dB柔性宽带分支线耦合器的制造工艺可以采用微电子工艺、激光工艺或者印刷电路工艺。其中，柔性介质基板1是采用柔性介质基板是Taconic TLY(双面敷铜)，介电常数是2.2，厚度是0.25mm，根据上述的设计方案构造出了一款中心频率在3Ghz的能抑制三次谐波的10dB柔性宽带分支线耦合器，四条输入输出微带传输线(3)(10)(11)(12)的长度理论上可以去任意的长度，但为了焊接SMA接头方便，长度取了7mm。
如此设计的分支线耦合器通带内的带宽比较宽，而且插入损耗较小。相比较加入滤波器来抑制谐波，该耦合器的结构简单，易于设计。该耦合器由于加入了缺陷地实现了较宽的微带线宽度，易于加工实现。可以应用在对分支线耦合器的弯曲下的性能有要求的场景。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，其特征在于：包括柔性介质基板(1)，设置于柔性介质基板(1)下表面的金属接地层(2)，以及印制于柔性介质基板(1)上表面的四条预设波长微带线(4)、两条第一微带传输线(5)、两条第二微带传输线(6)、两条第一开路枝节(7)、两条第二开路枝节(8)、四条输入输出微带传输线(3)；其中，两条第一微带传输线(5)位置彼此相对，两条第二微带传输线(6)位置彼此相对，两条第一微带传输线(5)上其中一同侧的端部分别与其中一条第二微带传输线(6)的两端相连接，两条第一微带传输线(5)上另一同侧的端部分别与另一条第二微带传输线(6)的两端相连接；两条第一微带传输线(5)与两条第二微带传输线(6)所围区域的中心位置，定义为参考中心位置；两条第一微带传输线(5)上的四个端部分别与四条预设波长微带线(4)一一对应，两条第一微带传输线(5)上的各个端部分别与对应预设波长微带线(4)的其中一端相连接；四条预设波长微带线(4)分别与四条输入输出微带传输线(3)一一对应，各条预设波长微带线(4)的另一端分别与对应输入输出微带传输线(3)的其中一端相连接；两条第一开路枝节(7)分别位于两条第一微带传输线(5)的外侧，两条第一开路枝节(7)分别与两条第一微带传输线(5)一一对应，两条第一开路枝节(7)上的其中一端分别与对应第一微带传输线(5)的中点位置相连接，各条第一开路枝节(7)分别与其对应第一微带传输线(5)相垂直；两条第二开路枝节(8)分别位于两条第二微带传输线(6)的外侧，两条第二开路枝节(8)分别与两条第二微带传输线(6)一一对应，两条第二开路枝节(8)上的其中一端分别与对应第二微带传输线(6)的中点位置相连接，各条第二开路枝节(8)分别与其对应第二微带传输线(6)相垂直；柔性介质基板(1)上表面的印制结构相对参考中心位置呈中心对称；金属接地层(2)上分别对应于两条第二微带传输线(6)正下方、且位于各条第二开路枝节(8)两侧的共计四个位置上，分别刻蚀一个哑铃形状结构(9)。
2.根据权利要求1所述一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，其特征在于：所述各条第一微带传输线(5)分别与其所连各条第二微带传输线(6)相垂直。
3.根据权利要求1所述一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，其特征在于：所述各个哑铃形状结构(9)中的连杆分别与各条第二微带传输线(6)，在垂直于柔性介质基板(1)的投影面上相垂直，且各个哑铃形状结构(9)中连杆的中点位置分别与对应第二微带传输线(6)，在垂直于柔性介质基板(1)的投影面上相重合。
4.根据权利要求1所述一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，其特征在于：所述各个预设波长微带线(4)的波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的四分之一波长。
5.根据权利要求1所述一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，其特征在于：所述各条第一微带传输线(5)的波长、各条第二微带传输线(6)的波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的六分之一波长。
6.根据权利要求1所述一种可抑制三次谐波的柔性宽带分支线耦合器，其特征在于：所述各条第一开路枝节(7)波长、各条第二开路枝节(8)波长，均为所设计耦合器对应中心频率时的十二分之一波长。
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