CN105680134B - 一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，包括上腔体、介质膜片、中间段和承载腔体，上腔体、中间段、承载腔体从上至下顺序叠放；中间段的上表面开设有容置介质膜片的承载槽，下表面开设有输入端口、直通端口以及连通输入端口、直通端口的主波导传输通道；上腔体的下表面开设有隔离端口、耦合端口和连通隔离端口、耦合端口的副波导传输通道；介质膜片沿纵向中心线等间距开设有若干等半径的金属化通孔。本发明通过更换具有不同过孔参数的介质膜片，即可灵活地对耦合器的电性能指标进行调整，而除介质膜片以外的其余结构可以保留并通用；具有成本更低、实现周期更短、调整更为方便灵活的优点，可适用于毫米波频段的定向耦合器。

Description

一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种无源器件，尤其涉及一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，属于通信设备技术领域。

背景技术

在现代测试、通信及雷达系统中，常常需要用到定向耦合器，其主要功能是让主通道中的能量信号以尽可能低的损耗通过，同时耦合出一部分能量以做包络、功率或频谱检测。在微波频段，定向耦合器通常都是基于微带线结构实现，随着系统工作频率升高进入毫米波频段，尤其是60GHz以上频段，基于微带线结构的定向耦合器因介质损耗、辐射损耗等原因而不再适用，而基于波导的定向耦合器因其低损耗特性就成为最常用的耦合器结构，这类波导耦合器传统上都是基于纯金属波导实现的，其具体结构包括波导分支线结构及小孔耦合结构。比如：2015年5月底于合肥召开的2015年全国微波毫米波会议上报道的《Ku波段3dB分支波导定向耦合器分析与设计》一文中，就是采取的使用金加工工艺的纯金属波导分支线结构。在这次会议论文集中，还报道了《W波段全波段波导定向耦合器的快速设计》一文，该文采用的也是使用金加工工艺的基于纯金属波导的小孔耦合结构。2014年成都电子科大的研究人员申请的一篇发明专利《一种过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方法》（申请号：20141075446.1，公布号：CN 10450551 A），也是采用纯金属波导孔耦合结构。但是，这类纯金属结构的波导耦合器存在以下不足：1、工作频率越高，耦合结构如耦合槽或耦合孔的尺寸越精细（以2mm波段为例，使用分支线结构时其边缘耦合槽的宽度已不足0.2mm），这种精细的尺寸往往超出了普通金属加工切削的能力极限，需要定制专用的电极，采用电火花加工的方式才能实现，加工周期很长，成本很高；2、普通金加工的精度一般在10um的量级，而在毫米波频段，耦合器的电性能参数（如耦合平衡度、平坦度等）对结构尺寸参数非常敏感，10um的加工精度已不能满足耦合器的性能需求；3、基于纯金属结构的波导定向耦合器一旦加工完成，其结构及性能参数就已定型，无法修改调整。这会带来两个弊端：首先，如果因加工误差导致耦合器的实测电性能与预期性能有所偏差，那整个耦合器就是一个不合格品，没有任何补救的措施，只能作废；其次，即使加工完的耦合器性能符合设计预期，但是一旦应用于不同系统，可能需要不同的技术指标，那就需要重新设计、加工整个耦合器，成本及时间周期上的代价都比较高。2015年《微波学报》上报道了中国工程物理研究院的研究人员使用MEMS工艺进行波导定向耦合器的研制（《一种可运用于THz波段的新型定向耦合器》， Vol.31, No.3, pp:90-93），该文所提到的耦合器本质上还是属于多分支波导耦合器的范畴，借助于MEMS工艺可极大提升小电尺寸条件下的工艺精度及性能可靠性，但依然无法弥补上述第3点不足。另外，其成本及工艺复杂度也较普通金加工工艺高出不少。在强调成本控制及技术灵活性的民用领域，这些不利因素无疑大大限制了其在相应系统里的大规模使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，解决现有技术中基于纯金属结构的毫米波波导定向耦合器过度依赖金属加工能力及精度、耦合器结构件通用性差、缺乏性能调节及可替换措施的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，包括上腔体、介质膜片、中间段和承载腔体，所述上腔体、中间段、承载腔体从上至下顺序叠放；

所述中间段的上表面开设有容置介质膜片的承载槽，下表面开设有输入端口、直通端口以及连通输入端口、直通端口的主波导传输通道；

所述上腔体的下表面开设有隔离端口、耦合端口和连通隔离端口、耦合端口的副波导传输通道；

所述介质膜片沿纵向中心线等间距开设有若干等半径的金属化通孔。

所述承载腔体、中间段和上腔体采用铜镀金材料或铝镀金材料。

所述介质膜片采用双面敷铜且表面镀金的PCB板。

所述承载槽的深度不小于0.6mm。

所述金属化通孔的孔间距为耦合器有效工作频段的中心频率所对应波长的四分之一。

所述主波导传输通道、副波导传输通道分别包括各自的直波导段和设于直波导段两端的弯波导段。

设于中间段上的输入端口的朝向与设于上腔体上的隔离端口的朝向相反设置；直通端口的朝向与输入端口的朝向相同，耦合端口的朝向与隔离端口的朝向相同。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明在主、副波导传输通道之间引入插入式的介质膜片作为耦合结构，通过普通PCB工艺在介质膜片上生成一系列金属化通孔来实现能量信号的耦合传输，通过更换具有不同过孔参数的介质膜片，即可灵活地对耦合器的电性能指标进行调整，而除介质膜片以外的其余结构可以保留并通用；本发明提供的耦合器具有与纯金属波导耦合器同样的带宽、插损、耦合度、平坦度等技术指标，但成本更低、实现周期更短、调整更为方便灵活，可适用于毫米波频段的定向耦合器。

附图说明

图1是本发明提供的耦合器各部件正向装配视图。

图2是本发明提供的耦合器各部件反向装配视图。

图3是本发明提供的介质膜片结构视图。

图4是本发明提供的中间段及介质膜片组装视图。

图5是本发明提供的耦合器整体结构图。

图6是本发明提供的基于插入式介质膜片的定向耦合器的耦合度和隔离度参数的仿真结果。

图7是本发明提供的基于插入式介质膜片的定向耦合器的耦合端与直通端的相位特性参数的仿真结果。

图中：1、承载腔体；2、中间段；201、输入端口；202、直通端口；203、主波导传输通道；204、承载槽；3、介质膜片；301、金属化通孔；4、上腔体；401、隔离端口；402、耦合端口；403、副波导传输通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1、图2所示，基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，包括上腔体4、介质膜片3、中间段2和承载腔体1，上腔体4、中间段2、承载腔体1从上至下顺序叠放。承载腔体1、中间段2和上腔体4采用铜镀金材料或铝镀金材料。介质膜片3采用双面敷铜且表面镀金的PCB板。

中间段2的上表面开设有容置介质膜片3的承载槽204，承载槽204的深度不小于0.6mm，以保证中间段2具有足够的厚度以提供分割主波导传输通道203和副波导传输通道403的公共壁。

中间段2的下表面开设有输入端口201、直通端口202以及连通输入端口201、直通端口202的主波导传输通道203。主波导传输通道203包括直波导段和设于直波导段两端的弯波导段，直波导段通过弯波导段与输入端口201、直通端口202过渡连接。输入端口201、直通端口202的端口朝向相同。

上腔体4的下表面开设有隔离端口401、耦合端口402和连通隔离端口401、耦合端口402的副波导传输通道403，副波导传输通道403也包括直波导段和设于直波导段两端的弯波导段，同样的，直波导段通过弯波导段与隔离端口401、耦合端口402过渡连接。隔离端口401、耦合端口402的端口朝向相同，隔离端口401与输入端口201上下对应设置，耦合端口402与直通端口202上下对应设置，但隔离端口401的朝向与输入端口201的朝向相反设置，对应的，耦合端口402的朝向与直通端口202的朝向相反设置。

如图3所示，介质膜片3沿纵向中心线等间距开设有若干金属化通孔301，各金属化通孔301的半径相同。金属化通孔301的孔间距为耦合器有效工作频段的中心频率所对应波长的四分之一。金属化通孔301的半径与耦合度有关，孔径越大，耦合度越高；介质膜片3厚度也与耦合度有关，厚度越小，耦合度越高；金属化通孔301的数量越多，带宽越宽。

如图4所示，介质膜片3嵌入中间段2的承载槽204中，承载槽204的长度、深度与介质膜片3的尺寸一致。实际应用中，在介质膜片3上的耦合孔（即金属化通孔301）的尺寸、间距、数量确定之后，承载槽204的长度可适当延长，承载槽204的长度增加不影响电性能，其作用是为更换不同结构的介质膜片3留下必要的调整的空间。当耦合器需要实现同一波导频段内不同的中心频率、带宽、耦合度等参数时，只需要更换介质膜片3，而其余结构件可以通用。

如图5所示，为组装完成的耦合器整体结构。

下面结合实施例对本发明的仿真效果进行分析，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例提供一个工作在W波段，基于厚度为0.508mm的RT/Rogers4003介质基片的波导定向耦合器，其技术指标要求如下：

工作频段：90-110GHz；

波导接口：UGM387/U，WR10尺寸，宽边2.54mm、窄边1.27mm；

耦合度：-3dB；隔离度：20dB；带内耦合度波动：1.0dB(max)；

相位指标：耦合端相位滞后直通端90°。

本实例提供的基于插入式介质膜片3的定向耦合器结构如图1—图5所示，主要结构及其具体尺寸如下：

承载腔体1：长度为60mm，宽度为20mm，高度为11mm；

中间段2：长度为60mm，宽度为20mm，厚度为3.14mm；承载槽204的长度为23mm，宽度5.27mm，深度0.6mm；主波导传输通道203中直波导段长度为25mm，两端弯波导轴线处的弯曲半径为10mm；

介质膜片3：长度23mm，宽5.17mm，厚度0.508mm，金属化通孔301半径为0.58mm，相邻金属化通孔301中心间距1.24mm，金属化通孔301的数量为17；

上腔体4：长度为60mm，宽度为20mm，高度为11mm，副波导传输通道403中直波导段长度为25mm，两端弯波导轴线处的弯曲半径为10mm。

本实例提供的基于插入式介质膜片3的定向耦合器的耦合度和隔离度的仿真结果如图6所示，由该图可知该新型定向耦合器在工作频段90-110GHz内的耦合度约为-3dB，带内耦合度波动小于±1dB，隔离度大于20dB。图7所示为本实例所提出的耦合器的直通端与耦合端输出信号的相位特性曲线，从中可见，耦合端输出信号的相位与直通端相比滞后90°，符合典型正交定向耦合器的相位特征。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，包括上腔体、介质膜片、中间段和承载腔体，所述上腔体、中间段、承载腔体从上至下顺序叠放；

所述中间段的上表面开设有容置介质膜片的承载槽，下表面开设有输入端口、直通端口以及连通输入端口、直通端口的主波导传输通道；

所述上腔体的下表面开设有隔离端口、耦合端口和连通隔离端口、耦合端口的副波导传输通道；

所述介质膜片沿纵向中心线等间距开设有若干等半径的金属化通孔。

2.根据权利要求1所述的基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，所述承载腔体、中间段和上腔体采用铜镀金材料或铝镀金材料。

3.根据权利要求1所述的基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，所述介质膜片采用双面敷铜且表面镀金的PCB板。

4.根据权利要求1所述的基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，所述承载槽的深度不小于0.6mm。

5.根据权利要求1所述的基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，所述金属化通孔的孔间距为耦合器有效工作频段的中心频率所对应波长的四分之一。

6.根据权利要求1所述的基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，所述主波导传输通道、副波导传输通道分别包括各自的直波导段和设于直波导段两端的弯波导段。

7.根据权利要求1所述的基于插入式介质膜片的毫米波定向耦合器，其特征在于，设于中间段上的输入端口的朝向与设于上腔体上的隔离端口的朝向相反设置；直通端口的朝向与输入端口的朝向相同，耦合端口的朝向与隔离端口的朝向相同。