CN102610891B - 基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，是一种利用两个复合左右手折叠基片集成波导和公共金属层上蚀刻槽缝进行耦合来实现的双通带耦合器；复合左右手折叠基片集成波导由折叠基片集成波导和其中间金属层上蚀刻的交指槽缝组成；四个相同的共面波导结构两侧有一排金属化通孔，并通过盲孔与带状线连接形成输入输出端口；耦合器采用了折叠基片集成波导技术和宽平面耦合方法，具有结构紧凑、空间利用率高等特点。

Description

基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器

技术领域

本发明属于微波耦合器的技术领域，具体地，涉及的是一种基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，可以用于微波毫米波电路设计，也可以用于微波毫米波集成电路设计。

背景技术

基片集成波导结构综合了微带线和矩形波导的优点：低成本、低剖面、损耗小、Q值高，并且易于和平面电路集成等。然而，在一些实际电路中，它的尺寸还是比较大。为此，有学者在基片集成波导的基础上提出了一种新型波导结构——折叠基片集成波导，其面积是基片集成波导的一半，减小了电路尺寸，提高了集成度。

近些年来，双通带耦合器在许多通信系统中受到大量关注。这些双通带耦合器大部分是在平面微带电路上实现的，通过加载开路或短路支节和复合左右手结构；而通过基片集成波导技术实现的非常少。V.A.Labay等人在2009年提出一种基片集成波导E平面的双通带耦合器(V.A.Labay and J.Bornemann，“Design of dual-bandsubstrate integrated waveguide E-plane directionalcouplers，”Proc.2009 Asia Pacific Microwave Conf.，TH2D-3，4p.，Singapore，December 2009.)，该耦合器通过两个频带的间距为四分之一波长和四分之三波长实现。当把复合左右手结构引入到基片集成波导中，可以在截止频率以下产生一个通带，从而可以实现双通带，但是复合左右手基片集成波导的辐射损耗很大，难以实现强耦合。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的基于复合左右手折叠集成波导的多层双通带耦合器结构：将两个折叠基片集成波导叠放在一起，并在其公共面上蚀刻槽缝进行耦合；同时通过在每个折叠基片集成波导的中间金属层上蚀刻交指槽缝，实现复合左右手特性，产生双通带性能。

根据本发明的一个方面，提供一种基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，所述耦合器为多层结构，自上至下分别为第一层金属层1、第一层介质层2、第二层金属层3、第二层介质层4、第三层金属层5、第三层介质层6、第四层金属层7、第四层介质层8、第五层金属层9；在第一层介质层2、第二层介质层4、第三层介质层6、第四层介质层8上设置有多个第一金属化通孔10、以及第二金属化通孔11，第一金属化通孔10连接第一层金属层1、第二层金属层3、第三层金属层5、第四层金属层7、第五层金属层9，第二金属化通孔11连接第一层金属层1、第三层金属层5、第五层金属层9；在第一层金属层1的两端分别设有共面波导结构的隔离端15和耦合端16，在隔离端15和耦合端16处分别有一个第一盲孔13，第一盲孔13穿过第一层介质层2、并连接第一层金属层1和第二层金属层3；在第五层金属层9的两端分别设有共面波导结构的输入端17和直通端18；在输入端17和直通端18处分别有一个第二盲孔14，第二盲孔14穿过第四层介质层8、并连接第四层金属层7和第五层金属层9；在隔离端15、耦合端16、输入端17和直通端18的两侧分别有多个第三金属化通孔12，第三金属化通孔12连接第一层金属层1、第二层金属层3、第三层金属层5、第四层金属层7、第五层金属层9。

优选地，所述的第二层金属层3上蚀刻有第一交指槽缝19，第一交指槽缝19有多个单元，呈周期性排列，每个单元中有多个交指；折叠基片集成波导通过第一渐变线22过渡到第一90度弧形带状线23和第一直线形带状线24，并通过第一焊盘25上的第一盲孔13引到共面波导结构的隔离端15和耦合端16。

优选地，所述的第三层金属层5上蚀刻有第二槽缝20，第二槽缝20有多个，呈周期性排列。

优选地，所述的第四层金属层7上蚀刻有第三交指槽缝21，第三交指槽缝21有多个单元，呈周期性排列，每个单元中有多个交指；折叠基片集成波导通过第二渐变线26过渡到第二90度弧形带状线27和第二直线形带状线28，并通过第二焊盘29上的第二盲孔14引到共面波导结构的输入端17和直通端18。

优选地，所述第一金属化通孔10、第二金属化通孔11、以及第三金属化通孔12分别排列成一排。

优选地，所述第一焊盘25为正方形焊盘。

优选地，所述第二焊盘29为正方形焊盘。

本发明的基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器与现有技术相比，具有以下优点：

(1)耦合器采用了折叠基片集成波导技术和宽平面耦合方法，具有结构紧凑、空间利用率高等特点。

(2)采用折叠基片集成波导结构，具有较高的Q值和低损耗。

(3)把复合左右手结构引入折叠基片集成波导，可以在波导结构中实现双通带性能。

附图说明

图1是基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器层状结构示意图。

图2是第一层金属层(1)结构示意图。

图3是第一交指槽缝蚀刻在第二层金属层(3)时的第二层金属层(3)结构示意图。

图4是第二槽缝蚀刻在第三层金属层(5)时的第三层金属层(5)结构示意图。

图5是第三交指槽缝蚀刻在第四层金属层(7)时的第四层金属层(7)结构示意图。

图6是第五层金属层(9)结构示意图。

图7是本发明实施例的第一个通带的频率响应曲线。

图8是本发明实施例的第二个通带的频率响应曲线。

具体实施方式

本发明的一个优选例如图1所示，所述耦合器是多层结构，主要由两个相同的折叠基片集成波导叠放在一起，自上至下分别为第一层金属层1、第一层介质层2、第二层金属层3、第二层介质层4、第三层金属层5、第三层介质层6、第四层金属层7、第四层介质层8、第五层金属层9；在第一层介质层2、第二层介质层4、第三层介质层6、第四层介质层8上设置一排第一金属化通孔10和一排第二金属化通孔11，第一金属化通孔10连接第一层金属层1、第二层金属层3、第三层金属层5、第四层金属层7、第五层金属层9，第二金属化通孔11连接第一层金属层1、第三层金属层5、第五层金属层9，第一金属化通孔10和第二金属化通孔11构成波导侧壁。

在第一层金属层1的两端分别设有特性阻抗均为50Ω的共面波导结构隔离端15和耦合端16，如图2所示，为了便于测试，在隔离端15和耦合端16处分别有一个第一盲孔13穿过第一层介质层2、并连接第一层金属层1和第二层金属层3；在隔离端15和耦合端16的两侧分别有一排第三金属化通孔12，形成良好的接地。

第二层金属层3上蚀刻有第一交指槽缝19，第一交指槽缝19有多个单元，每个单元有8个交指，共有三个单元，呈周期性排列，如图3所示，实现复合左右手特性，产生双通带性能；折叠基片集成波导通过第一渐变线22过渡到第一90度弧形带状线23和第一直线形带状线24，并通过正方形的第一焊盘25上的第一盲孔13引到共面波导结构的隔离端15和耦合端16。

第三层金属层5上蚀刻有矩形的第二槽缝，共有9个，它们呈周期性排列，如图4所示，可以有效地进行耦合。

第四层金属层7上蚀刻有第三交指槽缝21，第三交指槽缝21有多个单元，每个单元有8个交指，共有三个单元，呈周期性排列，如图5所示，实现复合左右手特性，产生双通带性能；折叠基片集成波导通过第二渐变线26过渡到第二90度弧形带状线27和第二直线形带状线28，并通过正方形的第二焊盘29上的第二盲孔14引到共面波导结构的输入端17和直通端18。

第五层金属层9的两端分别设有特性阻抗均为50Ω的共面波导结构输入端17和直通端18，如图6所示，为了便于测试，在输入端17和直通端18处分别有一个第二盲孔14穿过第四层介质层8、并连接第四层金属层7和第五层金属层9；在输入端17和直通端18的两侧分别有一排第三金属化通孔12，形成良好的接地。

在第二层和第四层金属层上蚀刻第一交指槽缝和第三交指槽缝，可以在折叠基片集成波导截止频率以下产生一个通带，实现复合左右手特性，产生双通带性能，并且通过改变交指的长度l₃、宽度w₃和交指间的间距w₄，可以有效调节两通带的位置，而折叠基片集成波导的宽度ws主要决定第二个通带频率位置；在第三层金属层上蚀刻矩形的第二槽缝进行耦合，改变第二槽缝的长度l和宽度w，可以有效地改变耦合度的大小。

将基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器的两通带控制在2.4GHz和3.8GHz，所采用的衬底材料为RogersRO4350B，介电常数为3.48，厚度为0.762mm。耦合器的结构尺寸为：所有金属化通孔和盲孔的直径d＝1mm，间距p＝2mm，折叠基片集成波导的宽度ws＝12mm，间距g＝1mm；隔离端、耦合端、输入端和直通端对应的50Ω共面波导结构的宽度wcpw＝1.78mm和间距scpw＝0.35mm，如图2和图6所示；在第二层金属层和第四层金属层上蚀刻的交指槽缝单元中交指的长度l₃＝5.8mm，宽度w₃＝0.26mm，和交指间的间距w₄＝0.65mm，单元间的距离p₃＝16.5mm，渐变线的长度lt＝13mm，宽度wt＝2mmm，带状线的宽度wm＝0.84mm，90度弧形带状线的半径rm＝2mm，直线形带状线的长度lstrip＝3mm，正方形焊盘的边长wpad＝1.5mm，如图3和图5所示；在第三层金属层上蚀刻的矩形槽缝的长度l＝9.6mm，宽度w＝1.4mm，槽缝间的间距slot＝5.9mm，如图4所示。

图7和图8是本发明的基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器的频率响应曲线。其中图7是第一通带的频率响应曲线，中心频率f1为2.43GHz，相对带宽约为4.12％，插入损耗(S21)为4.14dB，耦合度(S41)为4.16dB，回波损耗(S11)为19.23dB，隔离度(S31)为17.86dB；图8是第二通带的频率响应曲线，中心频率f2为3.77GHz，相对带宽约为5.04％，插入损耗(S21)为3.77dB，耦合度(S41)为3.97dB，回波损耗(S11)为24.05dB，隔离度(S31)为20.15dB。

以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，其特征在于所述耦合器为多层结构，自上至下分别为第一层金属层（1）、第一层介质层（2）、第二层金属层（3）、第二层介质层（4）、第三层金属层（5）、第三层介质层（6）、第四层金属层（7）、第四层介质层（8）、第五层金属层（9）；在第一层介质层（2）、第二层介质层（4）、第三层介质层（6）、第四层介质层（8）上设置有多个第一金属化通孔（10）、以及第二金属化通孔（11）,第一金属化通孔（10）连接第一层金属层（1）、第二层金属层（3）、第三层金属层（5）、第四层金属层（7）、第五层金属层（9），第二金属化通孔（11）连接第一层金属层（1）、第三层金属层（5）、第五层金属层（9）；在第一层金属层（1）的两端分别设有共面波导结构的隔离端（15）和耦合端（16），在隔离端（15）和耦合端（16）处分别有一个第一盲孔（13），第一盲孔（13）穿过第一层介质层（2）、并连接第一层金属层（1）和第二层金属层（3）；在第五层金属层（9）的两端分别设有共面波导结构的输入端（17）和直通端（18）；在输入端（17）和直通端（18）处分别有一个第二盲孔（14），第二盲孔（14）穿过第四层介质层（8）、并连接第四层金属层（7）和第五层金属层（9）；在隔离端（15）、耦合端（16）、输入端（17）和直通端（18）的两侧分别有多个第三金属化通孔（12），第三金属化通孔（12）连接第一层金属层（1）、第二层金属层（3）、第三层金属层（5）、第四层金属层（7）、第五层金属层（9）；

所述的第二层金属层（3）上蚀刻有第一交指槽缝（19），第一交指槽缝（19）有多个单元，呈周期性排列，每个单元中有多个交指；折叠基片集成波导通过第一渐变线（22）过渡到第一90度弧形带状线（23）和第一直线形带状线（24），并通过第一焊盘（25）上的第一盲孔（13）引到共面波导结构的隔离端（15）和耦合端（16）；

所述的第三层金属层（5）上蚀刻有第二槽缝（20），第二槽缝（20）有多个，呈周期性排列；

所述的第四层金属层（7）上蚀刻有第三交指槽缝（21），第三交指槽缝（21）有多个单元，呈周期性排列，每个单元中有多个交指；折叠基片集成波导通过第二渐变线（26）过渡到第二90度弧形带状线（27）和第二直线形带状线（28），并通过第二焊盘（29）上的第二盲孔（14）引到共面波导结构的输入端（17）和直通端（18）。

2.根据权利要求1所述的基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，其特征在于：所述第一金属化通孔（10）、第二金属化通孔（11）、以及第三金属化通孔（12）分别排列成一排。

3.根据权利要求1所述的基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，其特征在于：所述第一焊盘（25）为正方形焊盘。

4.根据权利要求1所述的基于复合左右手折叠基片集成波导的多层双通带耦合器，其特征在于：所述第二焊盘（29）为正方形焊盘。

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