CN103311630B - C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器，包括四个表面安装的50欧姆输入、输出端口；不对称带状线，对称带状线、立体折叠结构耦合带状线，接地板；上述结构均采用多层高频低损耗介质叠层工艺技术实现，本发明C波段多倍频程微型定向耦合器具有工作频带宽、尺寸小、可靠性高、电性能优异，直通和耦合端口幅度偏差小，温度稳定性好、散热性能好、结构简单、成品率高、批量生产电性能指标一致性好、成本低及安装使用方便等优点，可广泛用于相应频段的通信和雷达及无线系统中。

Description

C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器

技术领域

本发明涉及通信和雷达领域，尤其涉及用于通信和雷达领域的C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器。

背景技术

微波定向耦合器用于射频、微波系统中，用于进行信号功率分配合成、功率取样与检测、平衡式放大器、模拟和数字移相器、模拟和数字衰减器等。典型的微波定向耦合器实质上是在特定的频率范围内将输入信号分成功率成特定比例的两个输出信号的四端口网络，同样，反过来使用就有功率合成的效果。常规的设计方法和工艺实现的定向耦合器存在带宽窄、体积大、成本高和不适合大批量生产等缺点。超宽带多倍频程微型定向耦合器是微波系统中重要的电子部件，描述这种部件性能的主要技术指标有：工作频率范围、输入/输出电压驻波比、插入损耗、隔离度、幅度平衡、相位平衡特性、温度稳定性、体积、重量、可靠性等。

发明内容

本发明的目的在于提供超宽带、体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、结构简单、成品率高、批量一致性好、造价低、温度性能稳定高、工作频率范围宽、插入损耗小、隔离度高、幅度平衡和相位平衡特性好的多倍频程二十分贝微型定向耦合器。

实现本发明目的的技术方案是：一种C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器，该耦合器包括第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口、第一不对称带状线、耦合带状线、第一对称带状线、第二对称带状线、第四不对称带状线、第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口、第二不对称带状线、第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口、第三不对称带状线、第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口和接地端，第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口通过第一不对称带状线接第一立体折叠结构耦合带状线的一端，第一立体折叠结构耦合带状线的另一端通过过渡带连接第二立体折叠结构耦合带状线的一端，第二立体折叠结构耦合带状线的另一端通过过渡带连接第三立体折叠结构耦合带状线的一端，第三立体折叠结构耦合带状线的另一端连接第二对称带状线的一端，第二对称带状线的另一端连接第四立体折叠耦合带状线的一端，第四立体折叠耦合带状线的另一端通过过渡带连接第五立体折叠耦合带状线的一端，第五立体折叠耦合带状线的另一端通过过渡带连接第六立体折叠耦合带状线的一端，第六立体折叠耦合带状线的另一端通过第二不对称带状线接第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口，第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口通过第三不对称带状线接第七立体折叠结构耦合带状线的一端，第七立体折叠结构耦合带状线的另一端通过过渡带连接第八立体折叠结构耦合带状线的一端，第八立体折叠结构耦合带状线的另一端通过过渡带连接第九立体折叠结构耦合带状线的一端，第九立体折叠结构耦合带状线的另一端连接第一对称带状线的一端，第一对称带状线的另一端连接第十立体折叠耦合带状线的一端，第十立体折叠耦合带状线的另一端通过过渡带连接第十一立体折叠耦合带状线的一端，第十一立体折叠耦合带状线的另一端通过过渡带连接第十二立体折叠耦合带状线的一端，第十二立体折叠耦合带状线的另一端通过第四不对称带状线接第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口，第一立体折叠耦合带状线和第九立体折叠耦合带状线之间平行的插入了第十四立体折叠耦合带状线，第三立体折叠耦合带状线和第七立体折叠耦合带状线之间平行的插入了第十三立体折叠耦合带状线，第四立体折叠耦合带状线和第十二立体折叠耦合带状线之间平行的插入了第十五立体折叠耦合带状线，第六立体折叠耦合带状线和第十立体折叠耦合带状线之间平行的插入了第十六立体折叠耦合带状线。

本发明涉及一种C波段多倍频程微型定向耦合器，包括四个表面安装的50欧姆输入、输出接口；不对称带状线，对称带状线，立体折叠结构耦合带状线，接地板；上述结构均采用多层高频低损耗介质叠层工艺技术实现，本发明C波段多倍频程微型定向耦合器具有工作频带宽、尺寸小、可靠性高、电性能优异，直通和耦合端口幅度偏差小，温度稳定性好、散热性能好、结构简单、成品率高、批量生产电性能指标一致性好、成本低及安装使用方便等优点，可广泛用于相应频段的通信和雷达及无线系统中。

本发明与现有技术相比，由于采用表面安装的50欧姆输入、输出接口、不对称带状线、对称带状线、立体折叠结构耦合带状线且利用接地板直接作为外封装一系列技术措施，并采用多层高频低损耗介质叠层工艺技术实现其结构，使其具有下列显著优点：（1）工作带宽宽（2）可靠性高；（3）电性能优异；（4）散热性能好（5）电性能温度稳定性高；（6）电路实现结构简单；（7）电性能一致性好，可实现大批量生产；（8）成本低；（9）使用安装方便，可以用全自动贴片机安装和焊接。

附图说明

图1是本发明C波段多倍频程微型定向耦合器的电原理图。

图2是本发明C波段多倍频程微型定向耦合器的外形及内部结构示意图。

图3是C波段多倍频程微型定向耦合器实施例的主要性能测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2，本发明C波段多倍频程微型定向耦合器，包括第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口P1、第一不对称带状线TL1、第一立体折叠耦合带状线CL1、第二立体折叠耦合带状线CL2、第三立体折叠耦合带状线CL3、第二对称带状线AL2、第四立体折叠耦合带状线CL4、第五立体折叠耦合带状线CL5、第六立体折叠耦合带状线CL6、第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口P2、第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口P3、第三不对称带状线TL3、第七立体折叠耦合带状线CL7、第八立体折叠耦合带状线CL8、第九立体折叠耦合带状线CL9、第一对称带状线AL1、第十立体折叠耦合带状线CL10、第十一立体折叠耦合带状线CL11、第十二立体折叠耦合带状线CL12、第四不对称带状线TL4、第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口P4、第十三立体折叠耦合带状线CL13、第十四立体折叠耦合带状线CL14、第十五立体折叠耦合带状线CL15、第十六立体折叠耦合带状线CL16和接地端；第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口（P1）通过第一不对称带状线TL1接第一立体折叠结构耦合带状线CL1的一端，第一立体折叠结构耦合带状线CL1的另一端通过过渡带连接第二立体折叠结构耦合带状线CL2的一端，第二立体折叠结构耦合带状线CL2的另一端通过过渡带连接第三立体折叠结构耦合带状线CL3的一端，第三立体折叠结构耦合带状线CL3的另一端连接第二对称带状线AL2的一端，第二对称带状线AL2的另一端连接第四立体折叠耦合带状线CL4的一端，第四立体折叠耦合带状线CL4的另一端通过过渡带连接第五立体折叠耦合带状线CL5的一端，第五立体折叠耦合带状线CL5的另一端通过过渡带连接第六立体折叠耦合带状线CL6的一端，第六立体折叠耦合带状线CL6的另一端通过第二不对称带状线TL2接第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口P2，第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口P3通过第三不对称带状线TL3接第七立体折叠结构耦合带状线CL7的一端，第七立体折叠结构耦合带状线CL7的另一端通过过渡带连接第八立体折叠结构耦合带状线CL8的一端，第八立体折叠结构耦合带状线CL8的另一端通过过渡带连接第九立体折叠结构耦合带状线CL9的一端，第九立体折叠结构耦合带状线CL9的另一端连接第一对称带状线AL1的一端，第一对称带状线AL1的另一端连接第十立体折叠耦合带状线CL10的一端，第十立体折叠耦合带状线CL10的另一端通过过渡带连接第十一立体折叠耦合带状线CL11的一端，第十一立体折叠耦合带状线CL11的另一端通过过渡带连接第十二立体折叠耦合带状线CL12的一端，第十二立体折叠耦合带状线CL12的另一端通过第四不对称带状线TL4接第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口P4，第一立体折叠耦合带状线CL1和第九立体折叠耦合带状线CL9之间平行的插入了第十四立体折叠耦合带状线CL14，第三立体折叠耦合带状线CL3和第七立体折叠耦合带状线CL7之间平行的插入了第十三立体折叠耦合带状线CL13，第四立体折叠耦合带状线CL4和第十二立体折叠耦合带状线CL12之间平行的插入了第十五立体折叠耦合带状线CL15，第六立体折叠耦合带状线CL6和第十立体折叠耦合带状线CL10之间平行的插入了第十六立体折叠耦合带状线CL16。

本发明C波段多倍频程微型定向耦合器，第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口P1、第一不对称带状线TL1、第一立体折叠耦合带状线CL1、第二立体折叠耦合带状线CL2、第三立体折叠耦合带状线CL3、第二对称带状线AL2、第四立体折叠耦合带状线CL4、第五立体折叠耦合带状线CL5、第六立体折叠耦合带状线CL6、第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口P2、第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口P3、第三不对称带状线TL3、第七立体折叠耦合带状线CL7、第八立体折叠耦合带状线CL8、第九立体折叠耦合带状线CL9、第一对称带状线AL1、第十立体折叠耦合带状线CL10、第十一立体折叠耦合带状线CL11、第十二立体折叠耦合带状线CL12、第四不对称带状线TL4、第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口P4、第十三立体折叠耦合带状线CL13、第十四立体折叠耦合带状线CL14、第十五立体折叠耦合带状线CL15、第十六立体折叠耦合带状线CL16和接地端均采用多层高频低损耗介质叠层工艺技术实现，其中耦合线部分采用多层高频低损耗介质叠层的三维立体折叠结构耦合带状线实现，有效的减小了尺寸和重量。

本发明C波段多倍频程微型定向耦合器，其工作原理简述如下：端口定义：

当微波信号从第一50欧姆阻抗输入、第一输出端口P1输入时，则P1定义为信号输入端，此时，对应的第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口P2为定义为信号直通输出端，对应的第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口P3定义为信号隔离输出端，对应的第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口P4定义为信号耦合输出端；同理，也可定义第二50欧姆阻抗输入、第二输出端口P2输入时，则P2定义为信号输入端，此时，对应的第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口P1为定义为信号直通输出端，对应的第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口P4定义为信号隔离输出端，对应的第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口P3定义为信号耦合输出端；以此类推，当P3为信号输入端时，P4为直通输出端，P1为隔离输出端，P2为耦合输出端；当P4为信号输入端时，P3为直通输出端，P2为隔离输出端，P1为耦合输出端；现以P1为信号输入端为例描述其工作原理：输入的宽频带微波信号经第一50欧姆阻抗第一输出端口P1通过第一不对称带状线TL1到达第一立体折叠结构耦合带状线CL1、第二立体折叠结构耦合带状线CL2、第三立体折叠结构耦合带状线CL3、第二对称带状线AL2、第四立体折叠结构耦合带状线CL4、第五立体折叠结构耦合带状线CL5、第六立体折叠结构耦合带状线CL6，在这里能量进行部分耦合，信号一部分通过第二不对称带状线TL2到达直通输出端口第二50欧姆阻抗第二输出端口P2输出，一部分耦合到第十四耦合带状线CL14、第十三立体耦合带状线CL13、第十五立体耦合带状线CL15、第十六立体耦合带状线CL16上，再从第十四耦合带状线CL14、第十三立体耦合带状线CL13、第十五立体耦合带状线CL15、第十六立体耦合带状线CL16上耦合到第七立体折叠结构耦合带状线CL7、第八立体折叠结构耦合带状线CL8、第九立体折叠结构耦合带状线CL9、第十立体折叠结构耦合带状线CL10、第十一立体折叠结构耦合带状线CL11、第十二立体折叠结构耦合带状线CL12通过第四不对称带状线TL4传输到第四50欧姆阻抗第四输出端口P4，第七立体折叠结构耦合带状线CL7，第八立体折叠结构耦合带状线CL8，第九立体折叠结构耦合带状线CL9，第十立体折叠结构耦合带状线CL10，第十一立体折叠结构耦合带状线CL11，第十二立体折叠结构耦合带状线CL12通过第三不对称带状线TL3传输到第三50欧姆阻抗第三输出端口P3，其基本工作原理就是耦合带状线将下层的输入信号耦合到上层，信号在50欧姆阻抗输出端口四P4同相相加，形成耦合输出端，信号在50欧姆阻抗输出端口三P3反相抵消，形成隔离端，而且P4和P3端的输出信号相位相差90度。

本发明超宽带多倍频程微型定向耦合器由于是采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，是低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以具有非常高的可靠性和温度稳定性，由于结构采用三维立体耦合带状线结构以及外表面金属屏蔽实现接地和封装，从而使体积和重量大幅度减小。

本发明超宽带多倍频程微型定向耦合器实施例的主要性能测试结果参见图3，由图可以看出在3.5-5.0GHz频率范围内，S11典型值为：-27.6dB,S21典型值为：-3.0dB,S41典型值为：-27.1dB,驻波的典型值为1.08，工作频率带宽达到三倍频程的超宽带范围。工作中心频率波长约为90毫米，相对带宽达到83﹪，而元件尺寸仅为：6.0mm×20.0mm×1.5mm，在该频段同类产品中尺寸非常小，为相应无线电子系统的小型化和有效减轻系统重量和提高系统可靠性发挥重要作用。

Claims (2)

1.一种C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器，其特征在于：包括第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口（P1）、第一不对称带状线（TL1）、第一立体折叠耦合带状线（CL1）、第二立体折叠耦合带状线（CL2）、第三立体折叠耦合带状线（CL3）、第二对称带状线(AL2)、第四立体折叠耦合带状线(CL4)、第五立体折叠耦合带状线(CL5)、第六立体折叠耦合带状线(CL6)、第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口（P2）、第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口（P3）、第三不对称带状线（TL3）、第七立体折叠耦合带状线(CL7)、第八立体折叠耦合带状线(CL8)、第九立体折叠耦合带状线(CL9)、第一对称带状线(AL1)、第十立体折叠耦合带状线(CL10)、第十一立体折叠耦合带状线(CL11)、第十二立体折叠耦合带状线(CL12)、第四不对称带状线(TL4)、第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口（P4）、第十三立体折叠耦合带状线(CL13)、第十四立体折叠耦合带状线(CL14)、第十五立体折叠耦合带状线(CL15)、第十六立体折叠耦合带状线(CL16)和接地端；第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口（P1）通过第一不对称带状线（TL1）接第一立体折叠结构耦合带状线（CL1）的一端，第一立体折叠结构耦合带状线(CL1)的另一端通过通孔连接第二立体折叠结构耦合带状线(CL2)的一端，第二立体折叠结构耦合带状线(CL2)的另一端通过通孔连接第三立体折叠结构耦合带状线(CL3)的一端，第三立体折叠结构耦合带状线(CL3)的另一端连接第二对称带状线(AL2)的一端，第二对称带状线(AL2)的另一端连接第四立体折叠耦合带状线(CL4)的一端，第四立体折叠耦合带状线(CL4)的另一端通过通孔连接第五立体折叠耦合带状线(CL5)的一端，第五立体折叠耦合带状线(CL5)的另一端通过通孔连接第六立体折叠耦合带状线(CL6)的一端，第六立体折叠耦合带状线(CL6)的另一端通过第二不对称带状线(TL2)接第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口(P2)，第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口（P3）通过第三不对称带状线（TL3）接第七立体折叠结构耦合带状线（CL7）的一端，第七立体折叠结构耦合带状线(CL7)的另一端通过通孔连接第八立体折叠结构耦合带状线(CL8)的一端，第八立体折叠结构耦合带状线(CL8)的另一端通过通孔连接第九立体折叠结构耦合带状线(CL9)的一端，第九立体折叠结构耦合带状线(CL9)的另一端连接第一对称带状线(AL1)的一端，第一对称带状线(AL1)的另一端连接第十立体折叠耦合带状线(CL10)的一端，第十立体折叠耦合带状线(CL10)的另一端通过通孔连接第十一立体折叠耦合带状线(CL11)的一端，第十一立体折叠耦合带状线(CL11)的另一端通过通孔连接第十二立体折叠耦合带状线(CL12)的一端，第十二立体折叠耦合带状线(CL12)的另一端通过第四不对称带状线(TL4)接第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口(P4)，第一立体折叠耦合带状线（CL1）和第九立体折叠耦合带状线（CL9）之间平行的插入了第十四立体折叠耦合带状线（CL14），第三立体折叠耦合带状线（CL3）和第七立体折叠耦合带状线（CL7）之间平行的插入了第十三立体折叠耦合带状线（CL13），第四立体折叠耦合带状线（CL4）和第十二立体折叠耦合带状线（CL12）之间平行的插入了第十五立体折叠耦合带状线（CL15），第六立体折叠耦合带状线(CL6)和第十立体折叠耦合带状线(CL10)之间平行的插入了第十六立体折叠耦合带状线(CL16)；第一表面安装的50欧姆阻抗输入、第一输出端口（P1）、第一不对称带状线（TL1）、第一立体折叠耦合带状线（CL1）、第二立体折叠耦合带状线（CL2）、第三立体折叠耦合带状线（CL3）、第二对称带状线(AL2)、第四立体折叠耦合带状线(CL4)、第五立体折叠耦合带状线(CL5)、第六立体折叠耦合带状线(CL6)、第二表面安装的50欧姆阻抗输入、第二输出端口（P2）、第三表面安装的50欧姆阻抗输入、第三输出端口（P3）、第三不对称带状线（TL3）、第七立体折叠耦合带状线(CL7)、第八立体折叠耦合带状线(CL8)、第九立体折叠耦合带状线(CL9)、第一对称带状线(AL1)、第十立体折叠耦合带状线(CL10)、第十一立体折叠耦合带状线(CL11)、第十二立体折叠耦合带状线(CL12)、第四不对称带状线(TL4)、第四表面安装的50欧姆阻抗输入、第四输出端口（P4）、第十三立体折叠耦合带状线(CL13)、第十四立体折叠耦合带状线(CL14)、第十五立体折叠耦合带状线(CL15)、第十六立体折叠耦合带状线(CL16)和接地端均采用多层高频低损耗介质叠层结构及工艺技术实现。

2.根据权利要求1所述的C波段超宽带多倍频程微型定向耦合器，其特征在于：第一立体折叠耦合带状线（CL1）、第二立体折叠耦合带状线（CL2）、第三立体折叠耦合带状线（CL3）部分采用多层多段高频低损耗介质叠层的三维立体折叠结构耦合带状线结构实现。