CN104091992A - 一种采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用基片集成同轴线SICL技术的紧凑型双频枝节线耦合器，包括介质基片、上表面金属层、下表面金属层、耦合器的主体部分和接地共面波导，耦合器的主体部分包括信号传输线部分和四个矩形分布式电容，信号传输线部分包括由半SICL传输线构成的四条四分之一波长电长度的枝节线、由带状线构成的四条二分之一波长电长度枝节线和由SICL传输线构成的四条端口线，耦合器的端口线通过金属通孔与接地共面波导连接。与现有技术相比，本发明的紧凑型双频枝节线耦合器设计合理，结构紧凑，体积小，并且于所工作的频点在输入端口具有良好的回波损耗性能，在隔离端口具有良好的隔离度，在两个输出端口具有良好的相同幅度及90°相位差的性能。

Description

一种采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器

技术领域

本发明涉及一种基于基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)技术的紧凑型双频3-dB枝节线耦合器，属于无源微波器件领域。

背景技术

微波毫米波无源器件是无线通信系统的重要组成部分。随着无线通信系统的快速发展，对体积小、成本低、性能高和易于集成的无源器件产生了迫切的需求。在微波毫米波系统中，为了在输出端口实现幅度相等、90°相位差，在输入端口满足低回波损耗等性能要求，如威尔金森功分器、耦合器等各种形式的无源器件应运而生。传统的枝节线耦合器通常使用微带线或带状线枝作为传输线，在高频时有带宽窄、损耗大、体积大等缺点，无法适用于双频工作或对其尺寸有要求的场景。因此需要设计一种低损耗、体积紧凑，且工作在双频的枝节线耦合器，满足微波毫米波系统的需求。

近些年来,一种新型传输线:基片集成同轴线(Substrate Integrated CoaxialLine,SICL)被提出并得到了广泛应用。SICL是一种平面同轴线结构，由一条处于上下两层接地介质层间的信号导带和其两侧的两排金属通孔组成。类似于普通的带状线，SICL中传输的是TEM模。中心导带两侧的金属通孔避免了可能由于不连续性造成的平板模式的传输，因此减小了能量泄露和与其它导线间的互耦。SICL可通过PCB工艺实现，因此易于同其它的平面电路结构集成。

发明内容

发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供一种低损耗、体积紧凑，且工作在双频的枝节线耦合器，满足微波毫米波系统的需求。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器，包括介质基片、上表面金属层、下表面金属层、耦合器的主体部分和接地共面波导(GroundedCo-Planar Waveguide,GCPW)，所述耦合器的主体部分包括四条四分之一波长电长度的枝节线、四条二分之一波长电长度的枝节线、四条端口线和四个矩形分布式电容，所述四分之一波长电长度的枝节线由半SICL传输线构成，端口线由SICL传输线构成，二分之一波长电长度的枝节线由带状线构成。

SICL传输线的结构包括内导体信号线和外导体屏蔽层，外导体屏蔽层由设于内导体信号线两侧的若干金属通孔、上表面金属层和下表面金属层构成。半SICL传输线的结构包括内导体信号线和外导体屏蔽层，外导体屏蔽层由设于内导体信号线一侧的若干金属通孔、上表面金属层和下表面金属层构成。

耦合器的主体部分的四条四分之一波长电长度的枝节线的内导体信号线首尾相连组成矩形结构，四条二分之一波长电长度的枝节线和四条端口线位于矩形结构的外侧，四个矩形分布式电容位于矩形结构的内侧；四条二分之一波长电长度的枝节线的带状线的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端设有接地金属通孔；四条端口线的内导体信号线的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端分别通过金属连接孔与一个GCPW连接；四个矩形分布式电容分别通过金属线与矩形结构的一角连接。

有益效果：本发明整个结构可采用传统PCB多层工艺实现，易于设计和集成。与传统的枝节线耦合器相比，本发明具有如下优点：1、可在微波毫米波频段的两个频点上实现幅度相等、相位相差90°的功率分配特性。2、利用SICL技术，降低了能量泄漏，提高了输入端驻波性能和端口间的隔离度。3、本发明利用等效的高阻抗半SICL传输线及分布式电容，减小了耦合器体积，使其结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明耦合器的主体部分的原始电路模型；

图2为本发明通过高阻抗传输线及分布式电容等效后的电路模型；

图3为本发明的电路拓扑结构；

图4为本发明的俯视剖面示意图；

图5为本发明的主视剖面示意图；

图6为主体部分全采用SICL传输线结构的耦合器的俯视剖面图；

图7为主体部分全采用SICL传输线结构的耦合器的侧面示意图；

图8为本发明在低频处的S参数的幅度的仿真结果和实测结果；

图9为本发明在高频处的S参数的幅度的仿真结果和实测结果；

图10为本发明在低频处的S参数的相位差的仿真结果和实测结果；

图11为本发明在高频处的S参数的相位差的仿真结果和实测结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图4、图5所示，本发明实施例公开一种利用PCB工艺实现的采用SICL技术的紧凑型双频枝节线耦合器，包括介质基片11、上表面金属层12、下表面金属层10、耦合器的主体部分和GCPW2(即有金属背板的共面波导)，其中耦合器的主体部分的电路模型如图1所示。Z₀为馈电网络输入端的归一化特性阻抗，Z₁、Z₂和Z₃分别为耦合器中特定分支线的特性阻抗。若所需双频点为f₁和f₂，则双频枝节线耦合器的电路模型的参数遵循以下公式：

$Z_1=\frac{Z_0}{\sqrt{2}}\·\frac{1}{\cos \left(\frac{\mathrm{\δ\π}}{2}\right)}$     (式1)

$Z_2=Z_0\·\frac{1}{\cos \left(\frac{\mathrm{\δ\π}}{2}\right)}$     (式2)

$Z_3=\frac{Z_0}{1+\sqrt{2}}\·\frac{1}{\sin \left(\frac{\mathrm{\δ\π}}{2}\right)+\tan \left(\frac{\mathrm{\δ\π}}{2}\right)}$     (式3)

其中

$\mathrm{\δ}=\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}$     (式4)

图2为利用高特性阻抗传输线和分布式电容等效的紧凑型双频耦合器的电路模型示意图。其中用虚线框框出的四个部分分别等效于图1中四处相应位置的在频率处的电长度为的传输线。其中Z_1E、Z_2E和θ_1E、θ_2E分别为相应的传输线的特性阻抗和电长度，C_1E和C_2E分别相应的电容值。在选定了高特性阻抗传输线的电长度即选定了θ_1E后，Z_1E、C_1E遵循以下公式：

$Z_{1E}=\frac{Z_1}{\sin {\mathrm{\θ}}_{1E}}$     (式5)

$C_{1E}=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_{1E}}{{\mathrm{\ωZ}}_{1E}}$     (式6)

其中

ω＝π·(f₁+f₂)    (式7)

图3为本发明的电路拓扑结构示意图，其中：

C_E＝C_1E+C_2E    (式8)

基于图3的电路拓扑结构设计的耦合器的主体部分包括四条四分之一波长电长度的枝节线、四条二分之一波长电长度的枝节线、四条端口线和四个矩形分布式电容，其中，四分之一波长电长度的枝节线由半SICL传输线构成，端口线由SICL传输线构成。SICL传输线包括处于介质基片11中的内导体信号线9和外导体屏蔽层，外导体屏蔽层包括上表面金属层12、下表面金属层10和内导体信号线9两侧的金属通孔7。四分之一波长电长度的枝节线的半SICL传输线传输结构由内导体信号线6和外导体屏蔽层，外导体屏蔽层包括上表面金属层12、下表面金属层10和内导体信号线6外侧的金属通孔7。

图4中，本发明实施例的耦合器的整体外形设计成方形电路板，包括四个端口Port1-Port4，耦合器的俯视图为正方形，L₀为正方形的边长。耦合器的主体部分的四条四分之一波长电长度的枝节线的内导体信号线6首尾相连组成矩形结构，四条四分之一波长电长度的枝节线分为两对，每对四分之一波长电长度的枝节线相互平行，信号线的宽度相同，L₁、L₂为两对四分之一波长电长度的枝节线的信号线的长度，W₃、W₂为两对四分之一波长电长度的枝节线的信号线的宽度。四条二分之一波长电长度的枝节线和四条端口线位于矩形结构的外侧，四个矩形分布式电容4位于矩形结构的内侧。四条二分之一波长电长度的枝节线为弯折带状线，每条二分之一波长电长度的枝节线的带状线5的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端设有接地金属通孔1，W₄为二分之一波长电长度的枝节线的宽度，L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀、L₁₁为二分之一波长电长度的枝节线的相应弯折部分的长度；四条端口线的内导体信号线9的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端分别通过金属连接孔3与一个GCPW2连接，W₁为端口线的信号线的宽度。四个矩形分布式电容4为大小相同的矩形金属片，分别通过金属线与矩形结构的一角连接。S₁和S₂为矩形分布式电容4的边长，S₃和S₄为矩形分布式电容4和其周围四分之一波长电长度的枝节线的内导体信号线6之间的间距。GCPW2信号线位于介质基片12的上表面，周围设有槽，与上表面金属层12隔开，W₅为GCPW2的信号线的宽度，L₃为GCPW2信号线的长度。d为金属通孔7的直径，p为两个相邻金属通孔7之间的距离。图5中，h₁为介质基片12的厚度。

SICL同GCPW的尺寸同耦合器所应用的频率有关。其中，GCPW的尺寸可通过常见的近似公式计算得出并进行仿真优化获得，SICL的尺寸可通过常见的带状线尺寸的近似公式计算得出并进行仿真优化获得。

采用电磁仿真软件对耦合器尺寸进行优化，得到其尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在上文说明。

测试对象是利用PCB技术实现的，工作在1.60GHz和2.50GHz两个频带的紧凑型枝节线耦合器。介质材料采用的是介电常数为4.4的FR-4介质板。图8为本发明在低频处的S参数的幅度的仿真结果和实测结果。图9为本发明在高频处的S参数的幅度的仿真结果和实测结果。图10为本发明在低频处的S参数的相位差的仿真结果和实测结果。图11为本发明在高频处的S参数的相位差的仿真结果和实测结果。

仿真和实测的结果如表2所示。实测结果和仿真结果很好地吻合。实测结果在两个频点分别达到了8.4％和11.6％的带宽。

表1本发明实施例耦合器尺寸参数

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				L0	32	W1	0.76
L1	9.4	W2	0.24
				L2	9.4	W3	0.63
L3	8	W4	0.14
				L4	2.5	W5	1.5
L5	6	S1	3.5
				L6	1.5	S2	4
L7	9	S3	0.33
				L8	1.5	S4	0.33
L9	1.5	d	0.4
				L10	1.5	p	0.6
L11	1.5	h1	1.75

表2本发明实施例仿真和实测的结果对比

为了体现本发明实施例在体积上的优势，本发明与传统的基于SICL技术的双频枝节线耦合器进行了对比。图6和图7给出了一种采用基片集成同轴线SICL技术的双频枝节线耦合器，包括介质基片12、上表面金属层10、下表面金属层11、耦合器的主体部分和GCPW6，其耦合器主体部分的四条四分之一波长电长度的枝节线、四条二分之一波长电长度的枝节线和四条端口线均由SICL传输线构成。图6中，耦合器的整体外形设计成方形电路板，耦合器的俯视图为正方形，L₀为正方形的边长。耦合器的主体部分的四条四分之一波长电长度的枝节线的信号线1首尾相连组成矩形结构，四条四分之一波长电长度的枝节线分为两对，每对四分之一波长电长度的枝节线相互平行，信号线的宽度相同，L₁、L₂为耦合器的两对四分之一波长电长度的枝节线的信号线的长度，W₁、W₂为两对四分之一波长电长度的枝节线的相应的信号线的宽度。四条二分之一波长电长度的枝节线的信号线2的形状相同，对称分布在矩形结构的外侧，每条二分之一波长电长度的枝节线的信号线2的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端设有接地金属通孔5，L₄、L₅、L₆为二分之一波长电长度的枝节线的信号线2的相应的弯折部分的长度，W₃为二分之一波长电长度的枝节线的信号线的宽度。四条端口线的信号线3的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端分别通过金属连接孔4与一个GCPW6连接。L₃为端口线的信号线3的长度，W₀为端口线的信号线3的宽度。GCPW6信号线位于介质基片12的上表面，周围设有槽，与上表面金属层10隔开，W₄为GCPW6信号线的宽度。图7中，h₁为介质基片12的厚度。

在相同的测试频带和介质材料情况下，通过采用电磁仿真软件对耦合器尺寸进行优化，得到其尺寸参数如表3所示，仿真和实测的结果如表4所示。

表3传统耦合器尺寸参数

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				L0	55	W0	0.74
L1	18	W1	1.3
				L2	18	W2	0.63
L3	7.7	W3	0.23
				L4	7.7	W4	4
L5	10	h1	1.75
				L6	14

表4传统耦合器仿真和实测的结果对比

从表1-表4可以看出，本发明实施例的紧凑型双频耦合器与传统的SICL双频耦合器相比，在表面积减小了66％的基础上，实现了相似的性能。本发明通过将四分之一波长的SICL传输线等效成高阻抗的半SICL传输线和分布式电容组成的等效电路，和将二分之一波长的SICL枝节线简化成弯折带状线等方式，使耦合器更加紧凑。在继承了SICL双频枝节线耦合器低能量泄漏、良好的驻波特性、易于集成和加工简单等优点的基础上，进一步减小了体积。

本发明的紧凑型双频耦合器可应用于微波毫米波频段的微波无源及有源系统，特别是天线的馈电网络中。可通过更改信号线的长度和宽度等参数调整工作频率，应用在不同频点。

Claims (4)

1.一种采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器，其特征在于：包括介质基片、上表面金属层、下表面金属层、耦合器的主体部分和接地共面波导GCPW，所述耦合器的主体部分包括四条四分之一波长电长度的枝节线、四条二分之一波长电长度的枝节线、四条端口线和四个矩形分布式电容，所述四分之一波长电长度的枝节线由半SICL传输线构成，端口线由SICL传输线构成，二分之一波长电长度的枝节线由带状线构成。

2.根据权利要求1所述的采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器，其特征在于：

所述SICL传输线的结构包括内导体信号线和外导体屏蔽层，外导体屏蔽层由设于内导体信号线两侧的若干金属通孔、上表面金属层和下表面金属层构成；

所述半SICL传输线的结构包括内导体信号线和外导体屏蔽层，外导体屏蔽层由设于内导体信号线一侧的若干金属通孔、上表面金属层和下表面金属层构成。

3.根据权利要求2所述的采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器，其特征在于： 

耦合器的主体部分的四条四分之一波长电长度的枝节线的内导体信号线首尾相连组成矩形结构，四条二分之一波长电长度的枝节线和四条端口线位于矩形结构的外侧，四个矩形分布式电容位于矩形结构的内侧；四条二分之一波长电长度的枝节线的带状线的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端设有接地金属通孔；四条端口线的内导体信号线的一端分别与矩形结构的四个角连接，另一端分别通过金属连接孔与一个GCPW连接；四个矩形分布式电容分别通过金属线与矩形结构的一角连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的采用基片集成同轴线技术的紧凑型双频枝节线耦合器，其特征在于：所述二分之一波长电长度的枝节线为弯折带状线。