CN106025478A - 一种高方向性的微带定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种高方向性的微带定向耦合器。本发明包括壳体及微带板，微带板上至少布置两组微带线；以垂直微带板板面作一铅垂面，两组微带线沿该铅垂面而面对称布置；两微带线的槽口朝向彼此反向，槽背彼此平行并列且两槽背间存有间距；在微带线的槽底中心点处沿壳体底面向该微带线的槽口方向延伸有一根等效电感带线，且该等效电感带线的延伸段呈现偏向该微带线的一侧槽壁的盘丝状或直角弯折状，两根等效电感带线彼此轴对称布置；等效电感带线的延伸段的末端处布置有用于与微带板的地相连接的金属化孔。本发明可有效的提升耦合器的方向性，进而使得器件能满足低损耗、高方向性的电讯指标。

Description

一种高方向性的微带定向耦合器

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种高方向性的微带定向耦合器。

背景技术

定向耦合器作为一种重要的微波元件，在微波电路与微波集成电路中有着广泛的应用。目前多以奇偶模分析法来进行微带线定向耦合器的微波电路结构分析，然而该分析方法需要满足以下条件：

1)、线上为TEM波；

2)、2根微带线的参量相同；

3)、微带线完全置于均匀介质中；

4)、微带线损耗可忽略不计；

5)、耦合微带线只工作于偶模及奇模的工作状态。

基于上述奇偶模分析法，进而得出理想均匀介质中微带线定向耦合器的理想无反射条件和理想隔离条件为：

1)S₁₁＝0.5(S_11e+S_11o)＝0,理想无反射条件；

2)S31＝0.5(S_41e-S_41o)＝0,理想隔离条件；

式中，下标e、o分别代表偶模与奇模，理想均匀介质中奇模与偶模的相速度是相同。

然而，上述也只是理想状况下的分析和计算。实际应用中，由于微带线部分处在介质板上部的空气中，而并不是全部处于理想状况下的均匀介质内，这使得随之产生的电场囊括了空气与介质基片两个工作环境，进而使得其奇偶模相速度不均等。由于奇偶模相速度的差异，往往会导致奇偶模的S参数不同，隔离度下降，最终也就影响了耦合器的方向性，并随之影响到关联器件的灵敏度和精度。

发明内容

本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构更为紧凑合理的具备高方向性的微带定向耦合器。本发明可有效的提升耦合器的方向性，进而使得器件能满足低损耗、高方向性的电讯指标。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高方向性的微带定向耦合器，包括壳体以及板面贴合的固定于壳体内腔底面处的微带板，其特征在于：微带板板面处至少布置两组外形均呈直角槽型弯折的微带线；以垂直微带板板面作一铅垂面，两组微带线沿该铅垂面而面对称布置；两微带线的槽口朝向彼此反向，槽背彼此平行并列且两槽背间存有间距；在微带线的槽底中心点处沿壳体底面向该微带线的槽口方向延伸有一根等效电感带线，且该等效电感带线的延伸段呈现偏向该微带线的一侧槽壁的盘丝状或直角弯折状，两根等效电感带线彼此轴对称布置；等效电感带线的延伸段的末端处布置有用于与微带板的地相连接的金属化孔。

所述外形呈直角槽型弯折的微带线，由构成两侧槽壁的50Ω微带线以及构成槽底的耦合微带线彼此首尾衔接组成；等效电感带线的一端固定于直条状的耦合微带线的中心点处，其延伸段呈现向同一方向作连续三段弯折的直角弯折状构造。

所述50Ω微带线线宽为1.42mm，耦合微带线线宽为1.47mm；两组微带线的槽背之间的间距为0.14mm；以每根等效电感带线的由耦合微带线的中心点处向微带线槽口处直线延伸的一段为直电感线段，该直电感线段长度为5.53mm，以由直电感线段向一侧槽壁处依次作同向弯折的三段弯折段分别命名为第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段，所述第一弯折段长度为15.7mm，第二弯折段长度为1.5mm，第三弯折段长度为13.1mm；所述金属化孔孔径3mm。

微带板介电常数为2.2，板厚为0.508mm，覆铜厚度为0.035mm。

耦合微带线长度为四分之一传导波长。

本发明的有益效果在于：

有别于传统的直接单纯以微带线焊固于微带板上的固定结构形式，本发明采用了独特的轴对称结构的等效电感带线，用以提升耦合器的方向性。具体而言，本发明通过在两组微带线部分处轴对称的加载并联电感，以确保奇偶模相速度等同性，从而可以使该耦合器得到理想的最大隔离度，进而实现了器件的低损耗、高方向性的电讯指标。本发明具备方向性高、结构紧凑、体积小、易装卸、易集成，便于与其他模块等组装在一起等一系列优点，且重复性和一致性很好，成本较低，可以大批量生产，可满足多种情况下的应用需求。

附图说明

图1为本发明的外观结构图；

图2为微带板位于壳体内的安装位置俯视图；

图3为图2的I部分局部放大图；

图4为本发明的各端口仿真驻波曲线图；

图5为本发明的仿真S参数曲线图。

附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：

10-壳体 11-盒体 12-盒盖

20-微带板

21-微带线 221-金属化孔 21a-50Ω微带线 21b-耦合微带线

22-等效电感带线 22a-直电感线段 22b-第一弯折段

22c-第二弯折段 22d-第三弯折段

具体实施方式

为便于理解，此处结合附图对本发明的具体实施结构及工作流程作以下描述：

本发明的具体结构，如图1-3所示，其包括作为外部包容物的壳体10。壳体10由具备盒腔的盒体11以及覆盖于盒体11盒口处的盒盖12组合构成，盒腔内贴附固定微带板20。盒体11为长方盒状，沿其盒边布置有4个端口，分别为输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。

图1-3中，其盒体11盒腔尺寸与微带板20的尺寸应当相对应，并对盒腔做正公差。盒腔11内腔的高度因传输信号的功率容量定为7mm。盒腔的尺寸为47mm×23mm×7mm。输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口的驻波VSWR在工作频段内小于1.04。

微带板20上布置有两组微带线21。在图2-3所示的实施例中，两组微带线21均为直角槽状弯折或者说是“U”型直角弯折状。以平行盒体11长度方向的铅垂面为对称面，两组微带线21彼此槽背相邻而槽口相对的沿上述对称面而面对称布置。微带线21本身则由两根50Ω微带线21a配合一根耦合微带线21b构成。当以直角槽状弯折来形容微带线21形状时，两根50Ω微带线21a构成其两侧的槽壁，一根耦合微带线21b构成其槽底。具体反应在图2-3中时，50Ω微带线21线宽W0＝1.42mm，该段微带线的长度没有限制，可根据器件设计的要求进行调节。耦合微带线21b的线宽W1＝1.47mm。耦合微带线21b之间的间距，也即两组微带线21的槽背间距WC＝0.14mm。

在上述微带线20的基础上，如图3所示，沿耦合微带线21b的中心点处直线状的延伸有等效电感带线22。该等效电感带线22反映在图2-3中时，呈现出了向某一同侧而三段连续弯折的直角弯折线构造。所谓的同方向连续直角弯折；也即某根等效电感带线22在由垂直耦合微带线21b长度方向延伸后，当首先向该延伸方向的右侧直角弯折一次时，会再持续延伸一段路径，再向该持续延伸的方向的右侧再直角弯折一次，以此类推，也即同方向的连续弯折，最终形成图3所示的回旋结构。而在实际应用中，等效电感带线22也可呈现螺旋状的盘绕结构等，此处就不再赘述。在图3的实施例中，等效电感带线22的线宽WL＝0.3mm，其总长度为35.83mm，其中直电感段21a的L1＝5.53mm，第一弯折段21b的L2＝15.7mm，第二弯折段21c的L3＝1.5mm，第三弯折段21d的L4＝13.1mm。在等效电感带线22的末端，也即等效电感带线22的相对固定耦合微带线21b的端部的另一端处，设置接有半径1.5mm的金属化孔221，从而使得等效电感带线22能与微带板20的地相连接。对于微带板20而言，其选用的型号优选为F4B-2，其介电常数为2.2，板材厚度为0.508mm，覆铜厚度为0.035mm。

进一步的，所述耦合微带线21b的长度在理论值上为四分之一传导波长。而需要说明的是，所述四分之一传导波长仅为理论值，实际长度经过软件程序的进一步优化后，可能会与该理论值有一些偏差，因此本发明允许上述实际距离与该理论值存在一定的偏差。

以S12表示入射端口2到出设端口1的插入损耗，S21表示入射端口1到出设端口2的插入损耗。由图4-5中不难看出，经由本发明的结构改进后，耦合器的传输特性S12/S21在带内为-0.31dB±0.01dB，耦合特性S13/S31在带内为-12dB±0.5dB，隔离特性S14/S41在在内＜-45dB。根据公式：方向性D＝隔离度I-耦合度C，可以看出其结构的方向性大于33dB，部分频段方向性甚至可以达到50dB以上，耦合器的方向性得到了显著增强。

为便于理解，现将本发明的工作原理作进一步的如下阐述：

传统的微带线耦合器都属于弱耦合器的范畴，对于加强弱耦合器的方向性，历来是一件很困难的事。本发明在传统微带定向耦合器的基础上，在耦合器的耦合微带线21b中间位置加载并联电感，从而形成如图1-2所示的结构。

通过加载了并联电感的耦合器，使得传统定向耦合器的四端口S参数替换为以下的公式表示：

$Z_{ee}={\mathrm{jZ}}_{0e}\frac{2\mathrm{\ω}L+Z_{0e}tan({\mathrm{\θ}}_e/2)}{z_{0e}-2\mathrm{\ω}Ltan({\mathrm{\θ}}_e/2)}$

$Z_{oe}={\mathrm{jZ}}_{0o}\frac{2\mathrm{\ω}L+Z_{0o}tan({\mathrm{\θ}}_o/2)}{Z_{0o}-2\mathrm{\ω}L\tan ({\mathrm{\θ}}_o/2)}$

Z_eo＝jZ_0etan(θ_e/2)

Z_oo＝jZ_0otan(θ_o/2)

同样的，公式中的Z参数也可以由奇偶模输入阻抗表示，如下：

Z_11e＝(Z_ee+Z_eo)/2

Z_21e＝(Z_ee-Z_eo)/2

Z_11o＝(Z_oe+z_oo)/2

Z_21o＝(Ｚ_oe-Ｚ_oo）/2

其中，上式内的下标1、2、3、4分别代表耦合器的四个端口；之后，四端口S参数的公式就可以进一步简化为：

Z_eeZ_oo＝Z_eoZ_oe

$Z_0=\sqrt{Z_{ee}{Z}_{oo}}$

依据上述，我们就可以得到理想隔离度所需要的电感值：

$L=\frac{Z_{0e}{\mathrm{sin\θ}}_e-Z_{0o}{\mathrm{sin\θ}}_o}{4\mathrm{\ω}\left\{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_o/2\right)-{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_e/2\right)\right\}}$

公式中的下标o、e分别代表耦合器中的偶模和奇模。

由上可知，本发明中用加载并联电感的方法使得整个耦合器的系统阻抗与传统耦合器的系统阻抗Z0不再相同。这种结构上的改变，对于改善传统耦合器的隔离度和耦合度都是非常直接和有效的，进而使得耦合器的整体系统结构中，奇偶模的传播相速度也得到改善。上述改善可以使该耦合器得到理想的最大隔离度，即可以得到很高的方向性，这给提高传统耦合器的方向性提出了一种简单可行的方法。

Claims (5)

1.一种高方向性的微带定向耦合器，包括壳体(10)以及板面贴合的固定于壳体(10)内腔底面处的微带板(20)，其特征在于：微带板(20)板面处至少布置两组外形均呈直角槽型弯折的微带线(21)；以垂直微带板(20)板面作一铅垂面，两组微带线(21)沿该铅垂面而面对称布置；两微带线(21)的槽口朝向彼此反向，槽背彼此平行并列且两槽背间存有间距；在微带线(21)的槽底中心点处沿壳体(10)底面向该微带线(21)的槽口方向延伸有一根等效电感带线(22)，且该等效电感带线(22)的延伸段呈现偏向该微带线(21)的一侧槽壁的盘丝状或直角弯折状，两根等效电感带线(22)彼此轴对称布置；等效电感带线(22)的延伸段的末端处布置有用于与微带板(20)的地相连接的金属化孔(221)。

2.根据权利要求1所述的一种高方向性的微带定向耦合器，其特征在于：所述外形呈直角槽型弯折的微带线(21)，由构成两侧槽壁的50Ω微带线(21a)以及构成槽底的耦合微带线(21b)彼此首尾衔接组成；等效电感带线(22)的一端固定于直条状的耦合微带线(21b)的中心点处，其延伸段呈现向同一方向作连续三段弯折的直角弯折状构造。

3.根据权利要求2所述的一种高方向性的微带定向耦合器，其特征在于：所述50Ω微带线(21a)线宽为1.42mm，耦合微带线(21b)线宽为1.47mm；两组微带线(21)的槽背之间的间距为0.14mm；以每根等效电感带线(22)的由耦合微带线(21b)的中心点处向微带线(21)槽口处直线延伸的一段为直电感线段(22a)，该直电感线段(22a)长度为5.53mm，以由直电感线段(22a)向一侧槽壁处依次作同向弯折的三段弯折段分别命名为第一弯折段(22b)、第二弯折段(22c)和第三弯折段(22d)，所述第一弯折段(22b)长度为15.7mm，第二弯折段(22c)长度为1.5mm，第三弯折段(22d)长度为13.1mm；所述金属化孔(221)孔径3mm。

4.根据权利要求2或3所述的一种高方向性的微带定向耦合器，其特征在于：微带板(20)介电常数为2.2，板厚为0.508mm，覆铜厚度为0.035mm。

5.根据权利要求2或3所述的一种高方向性的微带定向耦合器，其特征在于：耦合微带线(21b)长度为四分之一传导波长。