CN102361150A - 半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层、介质层、第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层，所述第一金属覆铜层包括一组半模基片集成波导上表区域、位于半模基片集成波导上表区域两侧并与之连接的梯形过渡结构、位于半模基片集成波导上表区域两侧并与梯形过渡结构连接的微带线、位于半模基片集成波导上表区域上的一排金属化通孔，所述金属化通孔贯穿了半模基片集成波导上表区域和介质层与第二金属覆铜层连接，形成一路半模基片集成波导。本发明的有益效果：在实现同样的电路功能时减少电路结构的面积近一半，使得定向耦合器结构紧凑。

Description

半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器

技术领域

本发明属于微波毫米波无源器件技术领域，特别涉及一种微波毫米波无源器件中的定向耦合器。

背景技术

无线移动通信技术的发展，要求微波毫米波电路在保证电气性能的同时，尽可能地压缩电路面积，即小型化。一方面，随着半导体技术的进步，无线通信系统中的有源电路已经实现了小型化并且能够有效地利用现代封装技术进行集成；另一方面，天线、滤波器、耦合器等无源电路仍然面临着小型化的关键技术难题。

定向耦合器可以由微带线、共面波导、金属波导等结构来实现，也可由近年来提出的基片集成波导和半模基片集成波导结构来设计。此种基于基片集成结构设计的定向耦合器具有平面电路和金属波导的双重优点，非常适于在新一代微波毫米波集成电路中使用。图1所示即为采用半模基片集成波导技术设计的定向耦合器结构，该结构可以分为三层，即位于中间的介质层4和位于介质层4两侧的第一金属覆铜层1和第二金属覆铜层2。如图2所示，为了形成半模基片集成波导定向耦合器，通过印制电路板制造工艺对第一金属覆铜层1进行加工形成所需的金属图案(电路结构)，对介质层4打孔并对孔做表面金属化处理形成金属化通孔41，该结构中没有对第二金属覆铜层2进行处理。第一金属覆铜层1的金属图案如图2所示，在介质层4上面形成一个旋转了90度的H形状图案，该H形状图案中各部分之间通过图中的垂直虚线进行划分，该图案包括了两组位于H形状图案中间的半模基片集成波导上表区域11、位于半模基片集成波导上表区域11两侧并与之连接的梯形过渡结构12、位于半模基片集成波导上表区域11两侧并与梯形过渡结构12连接的微带线13，位于两组半模基片集成波导上表区域11交界面处的一排金属化通孔41，所述金属化通孔41贯穿了半模基片集成波导上表区域11和介质层4与第二金属覆铜层2连接，形成两路镜像对称的半模基片集成波导，该金属化通孔41在两路半模基片集成波导中间区域中断形成金属化通孔41的中断区域43(如图2中两段金属化通孔41之间的缺口)。

上述结构的定向耦合器形成了端口a、端口b、端口c和端口d四个端口，从端口a输入信号，一部分能量沿一路半模基片集成波导直接从端口b输出，另一部分能量通过中断区域43耦合进入另一路半模基片集成波导，从端口c输出，端口a与端口d保持隔离，从其余端口输入信号，输出情况类似。

由于上述结构的定向耦合器必须并列排放两路半模基片集成波导(如图中水平虚线所区分)，所以该定向耦合器的电路结构面积偏大，不利于耦合器的小型化设计。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的半模基片集成波导定向耦合器电路结构面积偏大的不足，提出了一种半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层、介质层、第二金属覆铜层、第二介质层和第三金属覆铜层，所述第一金属覆铜层包括一组半模基片集成波导上表区域、位于半模基片集成波导上表区域两侧并与之连接的梯形过渡结构、位于半模基片集成波导上表区域两侧并与梯形过渡结构连接的微带线、位于半模基片集成波导上表区域上的一排金属化通孔，所述金属化通孔贯穿了半模基片集成波导上表区域和介质层与第二金属覆铜层连接，形成一路半模基片集成波导，其特征在于，所述第二金属覆铜层对应于半模基片集成波导的位置内具有贯穿第二金属覆铜层的槽，所述第三金属覆铜层对应于贯穿第二金属覆铜层的槽的位置的靠近两端处具有两组扇形结构和与扇形结构连接的第三金属覆铜层微带线，所述扇形结构和与之连接的第三金属覆铜层微带线交于槽在第三金属覆铜层上的垂直投影区域内。

上述定向耦合器的半模基片集成波导上表区域开路一侧延伸形成隔离金属覆铜区域，所述隔离金属覆铜区域与半模基片集成波导上表区域通过隔离缝分离开，所述隔离金属覆铜区域上具有一排与金属化通孔平行的隔离金属化通孔，所述隔离金属化通孔贯穿了隔离金属覆铜区域和介质层与第二金属覆铜层连接。

本发明的有益效果：由于本发明的方案可将一路半模基片集成波导和位于第二金属覆铜层上对应于半模基片集成波导的位置内的槽线有效集成，从而省略掉现有的半模基片集成波导定向耦合器的两路半模基片集成波导通路中的一路，在实现同样的电路功能时减少电路结构的面积近一半，使得定向耦合器结构紧凑。进一步，由于本发明通过在半模基片集成波导的开路端加入隔离金属化通孔，使得半模基片集成波导近似封闭，就可降低与多个电路部件集成使用时不同电路之间的互耦和串扰。

附图说明

图1是现有的半模基片集成波导定向耦合器的三维示意图。

图2是现有的半模基片集成波导定向耦合器的俯视结构图。

图3是本发明的定向耦合器实施例1的三维示意图。

图4是本发明的定向耦合器实施例1的俯视结构图。

图5是本发明的定向耦合器实施例1的第一金属覆铜层的电路结构图。

图6是本发明的定向耦合器实施例1的第三金属覆铜层的电路结构图。

图7是本发明的定向耦合器实施例2的俯视结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图3、图4、图5、图6所示，一种半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层1、介质层4、第二金属覆铜层2、第二介质层5和第三金属覆铜层3，为了形成本实施例的定向耦合器，通过印制电路板制造工艺对第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2、第三金属覆铜层3进行加工形成所需的金属图案(电路结构)，该金属图案中各部分之间通过虚拟的虚线进行划分，对介质层4打孔并对孔做表面金属化处理形成金属化通孔41，所述第一金属覆铜层1包括一组半模基片集成波导上表区域11、位于半模基片集成波导上表区域11两侧并与之连接的梯形过渡结构12、位于半模基片集成波导上表区域11两侧并与梯形过渡结构12连接的微带线13、位于半模基片集成波导上表区域11上的一排金属化通孔41，所述金属化通孔41贯穿了半模基片集成波导上表区域11和介质层4与第二金属覆铜层2连接，形成一路半模基片集成波导，所述第二金属覆铜层2对应于半模基片集成波导的位置内具有贯穿第二金属覆铜层2的槽21(如图4中点划线所示)，所述第三金属覆铜层3对应于贯穿第二金属覆铜层2的槽21的位置的靠近两端处具有两组扇形结构31(如图4中短虚线所示)和与扇形结构31连接的第三金属覆铜层微带线32(如图4中短虚线所示)，所述扇形结构31和与之连接的第三金属覆铜层微带线32交于槽21在第三金属覆铜层3上的垂直投影区域内。

上述第一金属覆铜层1中的半模基片集成波导上表区域11、介质层4及其金属化通孔41。

和第二金属覆铜层2相当于构成了一路半模基片集成波导；第二金属覆铜层2中的槽21、第一金属覆铜层1中的半模基片集成波导上表区域11和介质层4相当于构成了另一路槽线，上述半模基片集成波导和槽线在本实施例的定向耦合器中分别构成传输通道用于传输电磁波。

该定向耦合器利用一路半模基片集成波导和另一路槽线，构成了非常紧凑的混合集成结构，该结构中存在两种工作模式，即半模基片集成波导的近似主模和槽线的近似主模，通过两种模式之间耦合的强弱能设计出不同耦合度的定向耦合器，其耦合度主要由贯穿第二金属覆铜层2的槽21的位置、长度决定；半模基片集成波导两端通过梯形过渡结构12转变为微带线13，槽线两端通过扇形结构31转变为第三金属覆铜层微带线32，这两种过渡结构都能在较宽的频带范围内实现良好过渡匹配；第一金属覆铜层1上的两根微带线13分别引出端口a、端口b，第三金属覆铜层3上的第三金属覆铜层微带线32分别引出端口c、端口d，从端口a输入信号，一部分能量沿半模基片集成波导直接从端口b输出，另一部分能量通过半模基片集成波导和槽线之间的耦合效应从端口c输出，端口a与端口d保持隔离，从其余端口输入信号，输出情况类似。

由于实施例1中的半模基片集成波导只有一路，而另外一路槽线是集成在半模基片集成波导内，因此相对现有技术中两路半模基片集成波导的定向耦合器，本实施例的耦合器面积上减少了近一半。

实施例2：如图3和图7所示，在实施例1的基础上，上述定向耦合器的半模基片集成波导上表区域11开路一侧(图中金属化通孔41的下侧)延伸形成隔离金属覆铜区域14，所述隔离金属覆铜区域14与半模基片集成波导上表区域11通过隔离缝15分离开，所述隔离金属覆铜区域14上具有一排与金属化通孔41平行的隔离金属化通孔42，所述隔离金属化通孔42贯穿了隔离金属覆铜区域14和介质层4与第二金属覆铜层2连接。

上述第一金属覆铜层1中的半模基片集成波导上表区域11及隔离金属覆铜区域14、第二金属覆铜层2、介质层4及其金属化通孔41和隔离金属化通孔42相当于构成了一路近似封闭的半模基片集成波导；第二金属覆铜层2中的槽21、第一金属覆铜层1中的半模基片集成波导上表区域11和介质层4相当于构成了另一路槽线，上述半模基片集成波导和槽线在本实施例的定向耦合器中分别构成传输通道用于传输电磁波。

该定向耦合器利用一路近似封闭的半模基片集成波导和位于第二金属覆铜层2上对应于半模基片集成波导的位置内的槽线，构成了非常紧凑的混合集成结构，该结构中存在两种工作模式，即半模基片集成波导的近似主模和槽线的近似主模，通过两种模式之间耦合的强弱能设计出不同耦合度的定向耦合器，其耦合度主要由贯穿第二金属覆铜层2的槽21的位置、长度决定；隔离金属化通孔42使半模基片集成波导的开路一侧近似封闭，就可降低与多个电路部件集成使用时不同电路之间的互耦和串扰；半模基片集成波导两端通过梯形过渡结构12转变为微带线13，槽线两端通过扇形结构31转变为第三金属覆铜层微带线32，这两种过渡结构都能在较宽的频带范围内实现良好过渡匹配；第一金属覆铜层1上的两根微带线13分别引出端口a、端口b，第三金属覆铜层3上的第三金属覆铜层微带线32分别引出端口c、端口d，从端口a输入信号，一部分能量沿半模基片集成波导直接从端口b输出，另一部分能量通过半模基片集成波导的近似主模和槽线的近似主模之间的耦合效应从端口c输出，端口a与端口d保持隔离，从其余端口输入信号，输出情况类似。

以实施例2为基础进行实验，定向耦合器在中心频率12GHz处设计、加工并测试。选用的介质基片介电常数为6，厚度0.5mm，损耗角正切为0.001。选定金属化通孔的直径为0.4mm，间距为0.8mm。测试结果表明，在10.675GHz～13.325GHz的范围内，端口a馈电时，端口b、端口c之间的幅度误差小于0.5dB；在11.725GHz～13.759GHz的范围内，端口d馈电时，端口b、端口c之间的幅度误差小于0.5dB；在上述频率范围内，端口a、端口d的回波损耗均优于13.2dB，隔离度优于16.1dB。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层(1)、介质层(4)、第二金属覆铜层(2)、第二介质层(5)和第三金属覆铜层(3)，所述第一金属覆铜层(1)包括一组半模基片集成波导上表区域(11)、位于半模基片集成波导上表区域(11)两侧并与之连接的梯形过渡结构(12)、位于半模基片集成波导上表区域(11)两侧并与梯形过渡结构(12)连接的微带线(13)、位于半模基片集成波导上表区域(11)上的一排金属化通孔(41)，所述金属化通孔(41)贯穿了半模基片集成波导上表区域(11)和介质层(4)与第二金属覆铜层(2)连接，形成一路半模基片集成波导，其特征在于，所述第二金属覆铜层(2)对应于半模基片集成波导的位置内具有贯穿第二金属覆铜层(2)的槽(21)，所述第三金属覆铜层(3)对应于贯穿第二金属覆铜层(2)的槽(21)的位置的靠近两端处具有两组扇形结构(31)和与扇形结构(31)连接的第三金属覆铜层微带线(32)，所述扇形结构(31)和与之连接的第三金属覆铜层微带线(32)交于槽(21)在第三金属覆铜层(3)上的垂直投影区域内。

2.根据权利要求1所述的一种半模基片集成波导与槽线混合的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器的半模基片集成波导上表区域(11)开路一侧(孔41下方)延伸形成隔离金属覆铜区域(14)，所述隔离金属覆铜区域(14)与半模基片集成波导上表区域(11)通过隔离缝(15)分离开，所述隔离金属覆铜区域(14)上具有一排与金属化通孔(41)平行的隔离金属化通孔(42)，所述隔离金属化通孔(42)贯穿了隔离金属覆铜区域(14)和介质层(4)与第二金属覆铜层(2)连接。

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