CN114171872B - 一种宽带小型化毫米波双通道交叉电桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，包括介质基板、印刷在介质基板底部的第一金属结构、印刷在介质基板顶部的第二金属结构、以及分布在介质基板上的若干金属通孔；介质基板的中心位置刻蚀相互交叉对称的空气腔结构，空气腔结构与金属通孔有一定的距离；空气腔的中心内部有一个圆柱形的均匀透镜。本发明从25.8GHz到38.3GHz，S11都小于‒15dB，对应的阻抗带宽为33%；在目标频段内，本发明宽带毫米波双通道交叉电桥的插入损耗变化范围为0.1dB到0.5dB。

Description

一种宽带小型化毫米波双通道交叉电桥

技术领域

本发明涉及交叉电桥的应用领域，特别是一种工作在毫米波频段的双通道宽带毫米波交叉电桥。

背景技术

交叉电桥是一种无源组件，它可以使多条传输线路或信号通道在几何上相互相交，同时保持这些路径之间的良好隔离。随着微波和毫米波射频电路和集成电路的小型化和多功能性的发展，交叉电桥不可避免地发挥着更重要的作用，因为它们可以有效地解决多重路径交叉问题。前期文献中报道的微波频率下的交叉电桥大多是基于微带技术和波导技术。近年来，由于毫米波和太赫兹频段拥有更丰富的且未分配的频谱资源，工作在毫米波和太赫兹频段的交叉电桥越来越多地受到学术界和工业界的重视。

值得注意的是，为了克服微带线在毫米波以上频段严重的辐射损耗，基片集成波导等封闭结构成为更受欢迎的传输线形式。然而，这类传输线与微带线相比，往往面临尺寸偏大的缺点；并且利用基片集成结构设计的交叉电桥带宽不足，通常只有10％左右。在这种情况下，发明出一种具有宽带和小型化特性的交叉电桥更有利于电路的集成化、小型化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，进一步提高毫米波交叉电桥的带宽，用于解决目标频段内带宽较窄和器件尺寸较大的问题。

本发明采用的技术方案是：一种双通道宽带毫米波交叉电桥，包括介质基板、印刷在介质基板底部的第一金属结构、印刷在介质基板顶部的第二金属结构、以及分布在介质基板上的金属通孔；介质基板中间刻蚀相互交叉对称的空气腔结构，空气腔结构与金属通孔有一定的距离；空气腔的中心内部设置一个圆柱形均匀透镜。

所述的介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880。

所述第一金属结构、第二金属结构材料均为铜。

所述若干金属通孔共有两行两列并沿直线排列，其中两列平行，两行平行，且金属通孔的行与列相互交叉垂直。

所述金属通孔直径为0.4mm，高度为0.787mm，相邻金属通孔间距为0.8mm。

所述空气腔结构处于两行两列金属通孔之间，宽度为7.2mm。

所述圆柱形均匀透镜直径为4mm，高度为0.787mm。

所述介质基板尺寸为59.2mm*59.2mm*0.787mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)针对微带线在毫米波以上频段严重的辐射损耗的问题，本发明将基片集成的技术应用在交叉电桥的设计中，有效提升交叉电桥的封闭性、集成性、和低损耗特性。

(2)针对之前结构占用空间过大的问题，本发明在不增加占用空间的情况下挖取基板空间以构建圆柱形均匀透镜，保持了结构的紧凑型。并且该结构可以用传统印刷电路板技术进行加工，可用于大规模、低成本生产。

(3)实现了显著的带宽提升。本发明的相对阻抗带宽为33％，在25.8GHz到38.3GHz的频带范围内反射系数和隔离系数都小于-15dB。远远超出了目前毫米波基片集成波导交叉电桥发明所能取得的效果。

附图说明

图1为本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥的平面图。

图2为本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥(不包含过渡结构)的平面图。

图3为本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥(不包含过渡结构)的S参数示意图。

图4为本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥的设计过程示意图。

图5为本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥仿真的E面电场分布图。

图6为本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥仿真与测试的S参数对比图。

具体实施方式

随着毫米波通信系统的飞速发展，毫米波交叉电桥受到了广泛的关注。而目前适用于毫米波的交叉电桥发明较少。并且其阻抗带宽往往小于20％。

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，主要由共面波导馈电结构、基片集成波导、空气腔结构、以及圆柱形均匀透镜组成；能量由共面波导馈入以后，通过过渡结构进入空气腔，随后由圆柱形均匀透镜进行聚焦并到达另一个输出端口。

首先构建共面波导馈电结构，它的组成部分包括第一介质基板作为的基底和三条导带，三条导带中两边为接地倒带，在中间距离接地导带很近且平行于接地导带的为金属导带。

随后，设计由共面波导到基片集成波导的过渡结构。在介质基板1上有两排两列的金属通孔6，模拟传统波导的两个侧壁。最终由顶部和底部的金属接口和两排金属通孔6，构建准封闭的基片集成波导传输结构。

随后，在介质基板1上进行钻孔，挖出空气腔结构4，其中心与介质基板1对齐。

最终在空气腔结构4的中心处增加一块圆柱形均匀透镜，实现毫米波双通道交叉电桥的设计。

进一步地，所述的介质基板1材料为Rogers RT/duroid 5880，尺寸为59.2mm*59.2mm*0.787mm。

进一步地，所述的金属通孔6直径为0.4mm，高度为0.787mm，相邻金属通孔6间距为0.8mm。

实施例

如图1为本发明完整的设计模型。如图2所示为无过渡结构时本发明的设计模型，仿真所得的S参数如图3所示。从25.8GHz到38.3GHz，S11都小于-15dB，对应的阻抗带宽为33％。在目标频段内，本发明宽带小型化毫米波双通道交叉电桥插入损耗变化范围为0.1dB到0.5dB。如图3所示为包含过渡结构的完整仿真模型。本发明主要由共面波导馈电结构、基片集成波导、空气腔、以及圆柱形均匀透镜构成；其中共面波导馈电结构，它的组成部分包括介质基板作为的基底和三条导带，三条导带中两边为接地倒带，在中间距离接地导带很近且平行于接地导带的为金属导带；其中基片集成波导馈电结构由介质基板1、印刷在介质基板1底部的第一金属结构2、印刷在介质基板1顶部的第二金属结构3、空气腔结构4、圆柱形均匀透镜5，以及分布在介质基板1上的金属通孔6构成；能量由基片集成波导馈入以后，通过空气腔结构和CHL到达另一个输出端口。

为了探索本发明的工作原理，这里将本发明的实施过程分解为状态1和状态2，如图4所示。在状态1中，空气腔被移除，所有区域都被介质填充。状态2是在状态1的基础上增加空气腔结构和圆柱形均匀透镜。图5(a)展示了不含有圆柱形均匀透镜的基片集成波导开放结构的电场分布，图5(b)展示了含有圆柱形均匀透镜的基片集成波导开放结构的电场分布。可以看出，对应于状态2，图5(b)的电场被束缚在了圆柱形均匀透镜附近，大部分的能量向另一个端口传播；相反，如果圆柱形均匀透镜被移除，电场就会向外扩散，出现严重的能量泄漏。

图6给出了仿真与测试的反射系数和隔离系数。在仿真中，从25.8GHz到38.3GHz，反射系数和隔离系数均小于-15dB，对应的阻抗带宽为33％，插入损耗最小为0.9dB，S21都小于-15dB，而S11从25.8GHz到34.6GHz低于-13dB，插入损耗最小为2.6dB。可以看出，仿真和测量的最大差异是插入损耗，约为1.7dB。这种差异主要来自于连接器的插入损耗、连接器与共面波导之间连接的插入损耗以及制作工艺的误差。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于：包括介质基板（1）、印刷在介质基板（1）底部的第一金属结构（2）、印刷在介质基板（1）顶部的第二金属结构（3）、圆柱形均匀透镜（5）以及分布在介质基板（1）上的若干金属通孔（6）；介质基板（1）的中心刻蚀相互交叉对称的空气腔结构（4），空气腔结构（4）与金属通孔（6）之间有距离；所述若干金属通孔（6）共有两行两列并沿直线排列，其中两列平行，两行平行，且金属通孔（6）的行与列相互交叉垂直；所述空气腔结构（4）处于两行两列金属通孔（6）之间；空气腔结构（4）的中心部位设置圆柱形均匀透镜（5）。

2.根据权利要求1所述的宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于：所述的介质基板（1）材料为Rogers RT/duroid 5880。

3.根据权利要求1所述的宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于：所述第一金属结构（2）、第二金属结构（3）材料均为铜。

4.根据权利要求1所述的宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于：所述金属通孔（6）直径为0.4mm，高度为0.787mm，相邻金属通孔（6）间距为0.8mm。

5.根据权利要求1所述的宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于：所述空气腔结构（4）宽度为7.2mm。

6.根据权利要求1所述的宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于，所述圆柱形均匀透镜（5）直径为4mm，高度为0.787mm。

7.根据权利要求1所述的宽带小型化毫米波双通道交叉电桥，其特征在于，所述介质基板（1）尺寸为59.2mm*59.2mm*0.787mm。

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