CN103414004B - 一种基于多层技术的0-dB定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多层技术的0-dB定向耦合器，其涉及微波技术领域。该定向耦合器为三端口器件，所述端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述上层耦合线的一端与第一端口相连形成第一耦合端口、另一端与第三端口相连形成直通端口，该直通端口上加载四分之一波长开路枝节，下层耦合线的一端经一连接孔与第二端口相连形成第二耦合端口，下层耦合线的另一端为开路。本发明基于耦合线滤波器原理，采用多层立体结构以宽边耦合方式实现，有效地减小了电路尺寸，同时也降低了紧耦合带来的加工难度，提高了电路稳定性，并使电路结构简化。本发明可用于射频通信系统中次谐波混频器的信号馈入网络以及其他功能电路模块中，实现信号间的高隔离。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于多层技术的0-dB定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是一种具有定向传输特性的微波毫米波多端口元器件，在微波系统中广泛应用，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率检测、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
定向耦合器由两条传输线构成，同轴线、矩形波导、带状线和微带线等都能实现定向耦合器，所以，从结构来看，定向耦合器种类繁多，差异很大。从耦合机理来看，可分为前向型和后向型两种。前向型基于奇偶模相速度不同而工作，后向型基于奇偶模特性阻抗不同而工作。
根据“RF and Microwave Coupled-Line Circuits (Rajesh Mongia, Inder Bahl, Prakash Bhartia et al. Boston, MA: Artech House, 2007.)”中对耦合线定向耦合器的论述，前向型定向耦合器当奇偶模相速度不相等时，始终存在一个长度，使得能量能够全部传输到耦合端口，而对后向型定向耦合器而言，能量则很难完全传到耦合端口。因此，后向型定向耦合器较难实现0-dB耦合，而前向型定向耦合器虽能实现0-dB耦合，但其尺寸过大。
为减小前向型定向耦合器的物理尺寸，文献“Improved Capacitive Loading Method for Miniaturization of 0-dB Forward-Wave Directional Couplers (Ji-Hoon Park, and Yongshik Lee, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2011, 21(4) : 191-193)”提出了一种电容加载的方法，周期性加载的并联电容可增大奇偶模相速度的差异，从而使耦合区长度l = π/ |β e-β o|明显减小，但其物理尺寸依然大于后向型耦合器。
文献“Design of 0-dB Forward Coupler Using Half-Mode Groove Waveguide for Wireless Power Transmission (Seiya Mori, Mitsuyoshi Kishihara, Kensuke Okubo, et al., 2012 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, Page(s): 1004 -1006 )”使用半模凹槽波导结构设计了一个0-dB前向型耦合器。其中，两个半模凹槽波导对称排列，将介质条带插在两个波导中间来增加波导间的间隙从而抑制辐射，使得功率仅在介质条带内部传输，从而增加耦合强度。但由于该结构体积大、加工精度要求高，使其应用范围受到一定限制。
虽然提出了若干减小尺寸的措施，但前向型定向耦合器的尺寸仍然大于后向型定向耦合器。因此，尽管前向型耦合器能实现0-dB耦合，且定向度高，却难以满足当今电子设备小型化的需求。
综上所述，如何实现小型化的0-dB定向耦合器是设计的难点。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于如何提供一种基于多层技术的0-dB定向耦合器，在满足定向度高的同时缩小定向耦合器的尺寸，使其小型化。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多层技术的0-dB定向耦合器，其特征在于，该定向耦合器为具有三个端口的后向型定向耦合器，包括四分之一波长的上层耦合线和下层耦合线，上层耦合线和下层耦合线形成宽边耦合；所述端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述上层耦合线的一端与第一端口相连形成第一耦合端口、另一端与第三端口相连形成直通端口，该直通端口上加载四分之一波长开路枝节，所述下层耦合线的一端经一连接孔与第二端口相连形成第二耦合端口，下层耦合线的另一端为开路。
在本发明中，所述后向型定向耦合器具有五层结构，由下而上依次为金属接地层、介质基片层、金属层、介质基片层和金属层。
在本发明中，所述加载的四分之一波长开路枝节为扇形，也可以为其他形状。
本发明基于耦合线滤波器原理，通过在四分之一波长耦合线其中一个端口加载四分之一波长扇形开路枝节实现短路，而与该侧的另一端口设为开路，使另一侧的一对耦合端口（第一端口和第二端口）实现0-dB耦合，而加载的短路也使直通端（第三端口）在频率f 0上有良好的隔离特性。同时，由于四分之一波长耦合线在2f 0上的阻带特性，使2f 0上的信号可以通过第三端口到达第一端口，而与第二端口有良好的隔离，从而实现高定向性。
相对于传统的0-dB前向型耦合器而言，本发明所述耦合器整个耦合区只有四分之一波长，从而实现小型化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、以后向型耦合的方式来实现0-dB耦合，突破了传统前向型0-dB耦合器的尺寸限制，具有超低剖面和极小的外形；
二、采用宽边耦合方式，以多层立体结构来实现，避免了窄边耦合带来的加工难度，提高了电路稳定性；
三、采用多层工艺结构，使之更好地同特定功能的有源电路进行系统封装集成，形成模块化，进而使系统设备更加紧凑；
四、两个工作频率之间满足二倍关系，使得该结构可广泛用于二次次谐波混频器的馈入网络以及其他功能电路模块中。
附图说明
图1本发明实施例提供的0-dB后向型定向耦合器俯视图。
图2本发明实施例提供的0-dB后向型定向耦合器侧视图。
图3本发明实施例中0-dB后向型定向耦合器的S参数仿真曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
结合图1、图2所示，基于LTCC多层技术以立体结构实现，共5层，其中介质层2层，金属层3层。上层耦合线两端分别为耦合端口和直通端口，同时在上层耦合线末端的直端口一侧加载四分之一波长扇形开路枝节，下层耦合线的一端通过互连孔6与耦合端口相连，而另一端为开路，上下层耦合线形成宽边耦合。最下面一层为金属接地板8，第二层为介质基片9，第三层为金属层10。
上层耦合线4两端分别为第一端口1即耦合端口和第三端口3即直通端口，第三端口一侧的耦合线末端加载扇形开路枝节，该开路枝节对应端口工作频率f 0的四分之一波长，f 0为15GHz，因此，该开路枝节所在耦合线末端为f 0的短路点，意味着第一端口1和第三端口3，以及第二端口2和第三端口3之间在f 0处均有良好的隔离特性。而该枝节点对端口3的工作频率2f 0而言，则为开路点，形成第一端口1和第三端口3之间在2f 0处的直通状态。下层耦合线5的一端通过互连孔6与端口2相连，而另一端开路。第一端口1与第二端口2在f 0处形成0-dB耦合，而在2f 0处产生阻带特性，这样，在第二端口2和第三端口3之间可以得到很高的隔离度，从而实现高定向性。
借助LTCC多层技术工艺实现该0-dB后向型耦合器，其中：金属层厚度为0.01mm，介质层9对应厚度为0.49mm，介质层11对应的厚度为0.09mm。耦合器周围的金属导通孔7，位于接地板8和金属层10之间，通孔半径为0.1mm，间距为0.54mm。金属导通孔可有效地抑制表面波向外辐射，防止能量损失。
LTCC材料采用Ferro A6-M（介电常数为5.9，损耗角正切为0.002）。耦合器输入输出端口均采用微带结构，端口微带线长度为1mm，宽度为0.14mm，介质层厚度为0.09mm，对应特性阻抗为50欧；然后过渡到长度为1mm，宽度为0.75mm，介质层厚度为0.6mm的微带线，对应特征阻抗也为50欧；耦合区上层耦合线宽度为0.45mm，下层耦合线宽度为0.3mm，对应耦合区的总长度为2.1mm，略小于端口2工作频率f 0的四分之一波长；开路扇形节半径为2.4mm，张角为13度。
采用三维电磁仿真软件HFSS对该耦合器进行仿真和优化，得到的S参数响应如图3所示，耦合器在15GHz处插入损耗小于0.8dB，在30GHz处插入损耗小于1dB，端口2与端口3之间在15GHz和30GHz处的隔离均大于20dB。整个耦合器所占的LTCC腔体尺寸为2.58mm×4.96mm×0.61mm，相当于0.28λg× 0.54λg×0.06λg（λg为15GHz对应的波导波长），实现了超低剖面。
该定向耦合器可用于二次次谐波混频器的信号馈入网络以及其他功能电路模块中。
上述方案中，所述耦合器各部分尺寸也可选用其他长度，比如，同比例放大或缩小，这对相关领域的技术人员来说是显而易见的；同时，该耦合器可广泛适用于LTCC工艺、多层PCB工艺等。
Claims (2)
1.一种基于多层技术的0-dB定向耦合器，其特征在于，该定向耦合器为具有三个端口的后向型定向耦合器，包括四分之一波长的上层耦合线和下层耦合线，上层耦合线和下层耦合线形成宽边耦合；所述端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述上层耦合线的一端与第一端口相连形成第一耦合端口、另一端与第三端口相连形成直通端口，该直通端口上加载四分之一波长开路枝节，所述下层耦合线靠近第一耦合端口的一端经一连接孔与第二端口相连形成第二耦合端口，下层耦合线靠近直通端口的另一端为开路；所述后向型定向耦合器具有五层结构，由下而上依次为金属接地层、介质基片层、金属层、介质基片层和金属层。
2.根据权利要求1所述的基于多层技术的0-dB定向耦合器，其特征在于，所述加载的四分之一波长开路枝节为扇形。
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| CN102804485A (zh) * | 2009-05-20 | 2012-11-28 | 加利福尼亚大学董事会 | 利用复合右/左手相位超前/延迟线的双工器合成 |
Non-Patent Citations (1)
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| Design of a buried hybrid coupler for wideband applications using LTCC technology;Nouria Belambri et. al.;《Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2011 24th Canadian Conference》;20110511;第1101-1104页 * |
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