CN101728620B

CN101728620B - 一种非对称共面波导定向耦合器

Info

Publication number: CN101728620B
Application number: CN 201010103124
Authority: CN
Inventors: 房少军; 王钟葆
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: CN101728620A

Abstract

本发明公开了一种非对称共面波导定向耦合器，其特征在于包括：宽边耦合非对称共面波导、地板、过渡线、输入输出馈线和支撑介质板；所述宽边耦合非对称共面波导的结构至上而下依次为主信号线、支撑介质板和耦合信号线；所述主信号线缝隙的宽度不等；所述耦合信号线缝隙的宽度不等；所述主信号线和耦合信号线通过过渡线和输入输出馈线连接到连接端，并且在过渡线和输入输出馈线之间设有电容性补偿传输线；所述电容性补偿传输线采用带金属底板的非对称共面波导或采用特性阻抗小于50欧姆的微带线。该宽边耦合非对称共面波导定向耦合器，具有低成本、易加工、宽频带、高方向性和高隔离度的特点适于广泛推广。

Description

一种非对称共面波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种定向耦合器，尤其涉及一种非对称共面波导定向耦合器。

背景技术

在移动通信技术迅速发展的今天，耦合器广泛应用在射频、微波系统中，用于进行信号功率分配合成、功率取样和检测、圆极化天线阵的馈电、平衡功率放大器、移相器、滤波器等。典型的耦合器实质上是在特定的频率范围内将输入信号功率按特定比例分成两个输出信号的四端口网络，同样，反过来使用就是功率合成的作用。耦合器的种类非常多，各有其特点。平面电路耦合器是耦合器的一种用途广泛的实现形式，它能够由成熟的印制电路板技术实现，体积小，易于集成，在现代通信电路中需求很大，因此得到了空前发展。通常平面电路耦合器包括三种结构：微带线构成的侧边耦合器、带状线构成的耦合器和共面波导构成的耦合器。

如果主信号线和耦合信号线共面，则构成侧边耦合器；如果主信号线和耦合信号线异面，则构成宽边耦合器；如果主信号线和耦合信号线都是微带线，则只能构成侧边耦合器；如果主信号线和耦合信号线都是共面波导或带状线，并且共面，则可以构成侧边耦合器；如果主信号线和耦合信号线都是共面波导或带状线，并且异面，则可以构成宽边耦合器。由于侧边耦合器的耦合度较小，通常采用宽边耦合器实现紧耦合(耦合度为3-8dB)。

在各种射频、微波平面传输线中，微带线的加工、分析和设计都较为方便，是使用最广泛的平面电路之一，然而随着微波毫米波技术特别是单片微波集成电路的发展，微带线在损耗及色散等特性上的不足已不能忽略，在此背景下，共面波导得到了越来越多的关注。与微带传输线相比，共面波导有着易于制作，易实现无源、有源器件在电路中的串并联以及提高电路密度等优点。共面波导不仅可以作为微波集成电路中的连接线，还能制作各种微波无源器件，目前在国外共面波导已应用于微波、毫米波、光学和高温超导集成电路，并已在一些电路中取代微带线，在微波集成电路中占据着越来越重要的地位，特别是在毫米波、亚毫米波及光学集成电路中将成为主流。共面波导耦合器也理所当然地得到了越来越多的关注和研究。已有的研究表明，在耦合共面波导中存在两种传播模式：奇模和偶模。由于单位长度上的奇模和偶模电容不相等，所以奇模和偶模相速也不相等(偶模相速大于奇模相速，即偶模相速与奇模相速之比大于1)，从而使得共面波导耦合器的方向性和隔离度较差。

非对称共面波导是在共面波导的基础上发展而成的一种新型传输线。与对称共面波导相比，非对称共面波导中心导带与两侧地之间的缝隙宽度是不同的，从而非对称共面波导比对称共面波导多一个设计参量。耦合器作为一种平面电路，往往会用到多段传输线，这样非对称共面波导耦合器的设计参量要比对称共面波导耦合器多数个，也就是说在优化过程中，非对称共面波导耦合器要比对称共面波导耦合器多数个自由度。众所周知，对于同一个物理问题，目标函数的变量越多，优化结果往往就越优。从数学角度讲，对称共面波导耦合器进行优化时，两个槽宽必须相等相当于加了一个约束条件，而非对称共面波导耦合器的优化则取消了这个约束，无约束优化的结果当然优于有约束的优化。因此采用非对称共面波导构建的耦合器，将得到更好的电路性能。

有鉴于此，确有必要提出一种具有高方向性、高隔离度、宽频带、低成本、易加工等特性的非对称共面波导定向耦合器。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，研制了一种宽边耦合非对称共面波导定向耦合器。本发明采用的技术方案如下：

一种非对称共面波导定向耦合器，其特征在于包括：宽边耦合非对称共面波导、地板、过渡线、输入输出馈线和支撑介质板；所述宽边耦合非对称共面波导的结构至上而下依次为主信号线、支撑介质板和耦合信号线；所述主信号线缝隙的宽度不等；所述耦合信号线缝隙的宽度不等；所述主信号线和耦合信号线通过过渡线和输入输出馈线连接到连接端。

在过渡线和输入输出馈线之间设有电容性补偿传输线。

所述电容性补偿传输线采用带金属底板的非对称共面波导或采用特性阻抗小于50欧姆的微带线，其作用在于降低宽边耦合非对称共面波导中传输偶模与奇模电磁波相速比，提高定向耦合器的方向性和隔离度。

所述过渡线采用45度切角。实现宽边耦合非对称共面波导和电容性补偿传输线的互联。

输入输出馈线采用共面波导或微带线。

宽边耦合非对称共面波导可实现紧耦合，耦合度为3-8dB。

所述支撑介质板用于支撑宽边耦合非对称共面波导、电容性补偿传输线、过渡线、输入输出馈线和地板。

所述地板通过电气化过孔连接到一起，以避免电路中传输不希望有的波导模式。

所述主信号线及同其设置在同一层的电容性补偿传输线、过渡线和输入输出馈线，同耦合信号线及设置在该层的电容性补偿传输线、过渡线和输入输出馈线为对称设置。

采用宽边耦合非对称共面波导结构形式以实现紧耦合(耦合度为3-8dB)。采用在宽边耦合非对称共面波导的四个输入输出位置并联电容的补偿方法，以提高宽边耦合非对称共面波导定向耦合器的方向性和隔离度。随着补偿电容的增加，偶模相速和奇模相速都降低，但偶模相速降低的速率比奇模相速降低的速率快，所以通过并联适当的电容，可使得偶模相速与奇模相速之比等于1，从而提高耦合器的方向性和隔离度。由于市场上可购买到的电容器的电容值，有可能不等于所需值，从而得不到较好的方向性和隔离度性能，并且在微波集成电路中，不可能采用电容器进行补偿。带金属底板的非对称共面波导和特性阻抗小于50欧姆的微带线都可以等效为50欧姆微带线并联一个电容。所以在宽边耦合非对称共面波导的四个输入输出位置插入带金属底板的非对称共面波导或特性阻抗小于50欧姆的微带线，以实现并联电容的补偿作用。并且带金属底板的非对称共面波导的中心导带的宽度可选择为50欧姆微带线的导带宽度，以实现与普通微带线电路的良好互联和兼容。为了避免电路中传输不希望有的波导模式，使用电气化过孔将地板连接到一起。

实采用的技术指标如下：

频率范围：1.25～1.75GHz

耦合度：3.1±0.2dB

隔离度：≥23dB

方向性：≥20dB

输出端口相位差：90±0.6°

输入电压驻波比：≤1.2∶1。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的宽边耦合非对称共面波导定向耦合器，具有低成本、易加工、宽频带、高方向性和高隔离度的特点适于广泛推厂。

附图说明

图1是本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器的结构视图；

图2是本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器上表面视图；

图3是本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器下表面视图；

图4是本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器的S参数；

图5是本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器输出端口的相位差。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器包括宽边耦合非对称共面波导1、地板2、过渡线3、电容性补偿传输线4、输入输出馈线5、电气化过孔6、支撑介质板7和连接端8(其中连接端处设有连接器同外部装置进行连接图中未画出连接器)。宽边耦合非对称共面波导1包括主信号线11和耦合信号线12；主信号线11包括中心导带111、缝隙112和缝隙113；缝隙112和113的宽度不等；耦合信号线12包括中心导带121、缝隙122和缝隙123；缝隙122和123的宽度不等；地板2包括上层地板21和下层地板22；过渡线3包括传输线31、传输线32、传输线33和传输线34，过渡线3采用45度切角；电容性补偿传输线4包括传输线41、传输线42、传输线43和传输线44；传输线41、传输线42、传输线43和传输线44既可以采用共面波导，也可以采用特性阻抗小于50欧姆的微带线(本实施例采用带金属底板的非对称共面波导)；宽边耦合非对称共面波导1和电容性补偿传输线4通过过渡线3互联；输入输出馈线5包括传输线51、传输线52、传输线53和传输线54，与之相对应的是连接端81、连接端82、连接端83和连接端84；传输线51、传输线52、传输线53和传输线54即可以采用共面波导，也可以采用特性阻抗为50欧姆的微带线(本实施例采用特性阻抗为50欧姆的微带线)；为了避免电路中传输不希望有的波导模式，电气化过孔6设置在上层地板21和下层地板22之间，连接上层地板21和下层地板22；支撑介质板7用于支撑宽边耦合非对称共面波导1、地板2、过渡线3、电容性补偿传输线4和输入输出馈线5；当定向耦合器作为单独器件使用时，采用连接端8与其他电路连接；当定向耦合器集成到射频、微波电路时，连接端8可省去；由于主信号线11及同其设置在同一层的电容性补偿传输线、过渡线和输入输出馈线，同耦合信号线12及设置在该层的电容性补偿传输线、过渡线和输入输出馈线为对称设置。连接端81设为输入端1；连接端82设为直通端2；连接端83设为耦合端3；连接端84设为隔离端4，接50欧姆负载。

请参阅图4～5，本发明宽边耦合非对称共面波导定向耦合器在工作频带1.25-1.75GHz内，隔离度大于23dB(S₄₁＜-23dB)，耦合度C为3.1±0.2dB(S₃₁为-3.1±0.2dB)，插入损耗为3.1±0.2dB(S₂₁为-3.1±0.2dB)，反射系数S₁₁小于-23dB(相当于电压驻波比小于1.16)，输出端口相位差为90±0.6°。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非对称共面波导定向耦合器，其特征在于包括：宽边耦合非对称共面波导、地板、过渡线、输入输出馈线和支撑介质板；所述宽边耦合非对称共面波导的结构至上而下依次为主信号线、支撑介质板和耦合信号线；所述主信号线缝隙的宽度不等；所述耦合信号线缝隙的宽度不等；所述主信号线和耦合信号线通过过渡线和输入输出馈线连接到连接端；在过渡线和输入输出馈线之间设有电容性补偿传输线；所述电容性补偿传输线采用带金属底板的非对称共面波导或采用特性阻抗小于50欧姆的微带线。

2.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于所述过渡线采用45度切角。

3.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于输入输出馈线采用共面波导或微带线。

4.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于宽边耦合非对称共面波导可实现紧耦合，耦合度为3-8dB。

5.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于所述支撑介质板用于支撑宽边耦合非对称共面波导、电容性补偿传输线、过渡线、输入输出馈线和地板。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的耦合器，其特征在于所述地板通过电气化过孔连接到一起，以避免电路中传输不希望有的波导模式。

7.根据权利要求6所述的耦合器，其特征在于所述主信号线及同其设置在同一层的电容性补偿传输线、过渡线和输入输出馈线，同耦合信号线及设置在耦合信号线所在层的电容性补偿传输线、过渡线和输入输出馈线为对称设置。