CN106532217A - 基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器 - Google Patents

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王竣
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Abstract

本发明提出了基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，属于集成波导技术领域。基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器包括第一层介质基板、第二层介质基板和端口；第一层介质基板的上表面设有上金属层，第一层介质基板的下表面设有耦合金属层；上金属层包括上金属层馈电结构和波导上表面；耦合金属层上设有耦合孔；第二层介质基板的上表面紧贴于第一层介质基板下表面的耦合金属层；第二层介质基板的下表面设有下金属层；下金属层包括下金属层馈电结构和波导下表面；上金属层和下金属层的两个长边上分别设有金属过孔阵列。该定向耦合器的结构更加紧凑，大幅度的减少了定向耦合器的横向尺寸，同时提高了其实际性能。

Description

基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器
技术领域
本发明涉及基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，属于集成波导技术领域。
背景技术
介质集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一种在介质基片上实现类似于金属矩形波导传输特性的导波结构，由于该结构具有低辐射、低插损、小型化、易于集成等优点，成为研究的热点，也被广泛应用于微波无源器件的设计当中。借助于印刷电路工艺，基于介质集成波导的高性能微波无源器件的低成本批量生产成为可能。
波导定向耦合器是微波毫米波系统当中非常常见的一种器件，与功率分配器一起被用于功率合成或功率分配应用当中，在微波测量中，利用定向耦合器可以获得一部分能量，当接上波长计或指示器，可以测量工作波长，监视微波源的输出功率、频率等常见工作性能指标的变化；在雷达系统当中，用定向耦合器可以将主线中的部分能量提取出来送至回波箱，以供雷达整机的调试和测试。因此，它是一种在系统当中不可或缺的器件。现有技术中的集成波导定向耦合器大多采用窄壁耦合的方式，其横向尺寸较大，不利于器件小型化设计。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，所采取的技术方案如下：
所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器包括第一层介质基板、第二层介质基板和端口；所述第一层介质基板的上表面设有上金属层，所述第一层介质基板的下表面设有耦合金属层；所述上金属层包括上金属层馈电结构和波导上表面；所述耦合金属层上设有耦合孔；所述第二层介质基板的上表面紧贴于第一层介质基板下表面的耦合金属层；所述第二层介质基板的下表面设有下金属层；所述下金属层包括下金属层馈电结构和波导下表面；所述上金属层和下金属层的两个长边上分别设有金属过孔阵列。
优选地，所述上金属层馈电结构包括矩形段一、梯形段、矩形段二和微带线；所述矩形段一、梯形段、矩形段二和微带线依次相连；所述上金属层馈电结构分别设于波导上表面的左右两侧，并通过矩形段一的宽边与波导上表面相接；所述下金属层馈电结构的组成部件与上金属层馈电结构的组成部件相同；所述下金属层馈电结构分别设于波导下表面的左右两侧，并通过矩形段一的宽边波导下表面相接。
优选地，所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的第一层介质基板和第二层介质基板的宽度为24.8mm，长度为195mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。
优选地，所述上金属层馈电结构和下金属层馈电结构的长度均为40mm，宽度均为24.8mm；所述矩形段一长度为10mm，其宽度为10mm；所述梯形段的高度为10mm，上底边长度为3.4mm，下底边长度为10mm；所述矩形段二的长度为10mm，宽度为3.4mm；所述波导上表面的长度为115mm，宽度为24.8mm。
优选地，耦合孔包括两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔；所述两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔位于耦合金属层横向中轴线一侧，并且两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心均位于同一直线上。
优选地，所述两个第一耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴对称分布于耦合金属层上；所述两个第二耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴，分别对称分布于两个第一耦合孔靠近耦合金属层宽边缘一侧；所述两个第三耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴分别对称分布于两个第二耦合孔靠近耦合金属层宽边缘一侧。
优选地，所述第一耦合孔的孔半径为4.5mm；所述第二耦合孔的孔半径为3.3mm；所述第三耦合孔的孔半径为2mm；所述两个第一耦合孔之间的孔间距为20mm；所述两个第二耦合孔之间的孔间距为20mm；两个第三耦合孔之间的孔间距为20mm；所述第一耦合孔之间与第二耦合孔之间的孔间距为20mm；所述第二耦合孔之间与第三耦合孔之间的孔间距为20mm。
优选地，所述上金属层的上侧长边和下侧长边均设有金属过孔阵列一；所述下金属层的上侧长边和下侧长边均设有的金属过孔阵列二；所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二的设置位置相同，并且金属过孔阵列一和金属过孔阵列二中的金属过孔的数量相同；所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二的每个金属过孔的位置一一对应；所述金属过孔阵列一包含的金属过孔的孔心位于同一直线上；所述金属过孔阵列二包含的金属过孔的孔心位于同一直线上。
优选地，所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二所包含的金属过孔的过孔半径为0.5mm，金属过孔之间的间距为2mm；所述上金属层的上侧金属过孔阵列一的孔心所在直线与耦合金属层上的两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心所在直线的直线间距为5mm；所述下金属层的上侧金属过孔阵列一的孔心所在直线与耦合金属层上的两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心所在直线的直线间距为5mm。
本发明有益效果：
本发明提出的基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器能够在5.03-8.51GHz的频率范围内实现耦合端口的耦合，具有良好的宽带性能跟优异的小型化性能，可以广泛应用在对应频率范围内的通信系统当中。同时，本发明采用宽壁耦合的形式，有效减小了定向耦合器的整体横向尺寸，同时增加了馈电结构，并对馈电结构进行了结构优化，能够实现较好的匹配。
图3给出了基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的仿真S参数，从图3中可以看出，在5.02-6.95GHz的频段内，在工作频段内各项性能指标良好，反射系数|S11|<-15dB代表输入端口的匹配情况良好；在5.02-6.41GHz的频段内，直通端口的传输系数|S21|优于-2dB代表由信号输入端到直通端口的传输系数>-2dB；在4.93-6.63GHz的频段内，隔离端口的传输系数<-20dB，代表该定向耦合器具有良好的方向性，同频段内耦合端口的耦合系数|S41|优于-10dB，表明具有一部分的能量通过耦合耦合孔径耦合到了对应端口，实现了定向耦合的功能。
图4给出了基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的测试S参数，如图4所示，在4.02-7.42GHz的频段内，反射系数|S11|<-10dB，同频段内，直通口的传输系数|S21|优于-6dB；在4-7.22GHz的频段内，隔离口的传输系数|S31|<-15dB，在4.08-6.51GHz的频段内，隔离口的传输系数|S31|<-20dB；在5.03-8.51GHz的频段内，耦合口的耦合系数|S41|优于-6dB。由此可以看出，本发明所提出的定向耦合器在很宽的频带范围内具有平稳的耦合度和较大的隔离度，适用于宽带电子系统。
附图说明
图1为本发明所述定向耦合器的上金属层结构示意图。
图2为本发明所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器实物模型(上图为主视图，下图为后视图)。
图3为基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的仿真S参数。
图4为基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的测试S参数。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1
图1为本发明所述定向耦合器的上金属层结构示意图。如图1所示结构，该基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器采用双层介质基板和上中下三层的印刷结构组成，其中双层介质基板采用宽边叠加的形式构成；具体的，基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器包括第一层介质基板、第二层介质基板和端口；所述第一层介质基板的上表面设有上金属层，所述第一层介质基板的下表面设有耦合金属层；所述上金属层包括上金属层馈电结构和波导上表面；所述耦合金属层上设有耦合孔；所述第二层介质基板的上表面紧贴于第一层介质基板下表面的耦合金属层；所述第二层介质基板的下表面设有下金属层；所述下金属层包括下金属层馈电结构和波导下表面；所述上金属层和下金属层的两个长边上分别设有金属过孔阵列。
所述上金属层馈电结构包括矩形段一、梯形段、矩形段二和微带线；所述矩形段一、梯形段、矩形段二和微带线依次相连；所述上金属层馈电结构分别设于波导上表面的左右两侧，并通过矩形段一的宽边与波导上表面相接；所述下金属层馈电结构的组成部件与上金属层馈电结构的组成部件相同；所述下金属层馈电结构分别设于波导下表面的左右两侧，并通过矩形段一的宽边波导下表面相接。
所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的第一层介质基板和第二层介质基板的宽度为24.8mm，长度为195mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。所述上金属层馈电结构和下金属层馈电结构的长度均为40mm，宽度均为24.8mm；所述矩形段一长度为10mm，其宽度为10mm；所述梯形段的高度为10mm，上底边长度为3.4mm，下底边长度为10mm；所述矩形段二的长度为10mm，宽度为3.456mm；所述波导上表面的长度为115mm，宽度为24.8mm。波导上表面和波导下表面的结构和尺寸相同。
耦合孔包括两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔；所述两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔位于耦合金属层横向中轴线一侧，并且两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心均位于同一直线上。所述两个第一耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴对称分布于耦合金属层上；所述两个第二耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴，分别对称分布于两个第一耦合孔靠近耦合金属层宽边缘一侧；所述两个第三耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴分别对称分布于两个第二耦合孔靠近耦合金属层宽边缘一侧。所述第一耦合孔的孔半径为4.5mm；所述第二耦合孔的孔半径为3.3mm；所述第三耦合孔的孔半径为2mm；所述两个第一耦合孔之间的孔间距为20mm；所述两个第二耦合孔之间的孔间距为20mm；两个第三耦合孔之间的孔间距为20mm；所述第一耦合孔之间与第二耦合孔之间的孔间距为20mm；所述第二耦合孔之间与第三耦合孔之间的孔间距为20mm。
所述上金属层的上侧长边和下侧长边均设有金属过孔阵列一；所述下金属层的上侧长边和下侧长边均设有的金属过孔阵列二；所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二的设置位置相同，并且金属过孔阵列一和金属过孔阵列二中的金属过孔的数量相同；所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二的每个金属过孔的位置一一对应；所述金属过孔阵列一包含的金属过孔的孔心位于同一直线上；所述金属过孔阵列二包含的金属过孔的孔心位于同一直线上。所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二所包含的金属过孔的过孔半径为0.5mm，金属过孔之间的间距为2mm；所述上金属层的上侧金属过孔阵列一的孔心所在直线与耦合金属层上的两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心所在直线的直线间距为5mm；所述下金属层的上侧金属过孔阵列一的孔心所在直线与耦合金属层上的两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心所在直线的直线间距为5mm。
从图2中可以看出，基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器包括四个端口，即为左侧上端口为一端口，最右侧上端口为二端口，右侧下端口为三端口，左侧下端口为四端口。
图3给出了基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的仿真S参数，从图3中可以看出，在5.02-6.95GHz的频段内，在工作频段内各项性能指标良好，反射系数|S11|<-15dB代表输入端口的匹配情况良好；在5.02-6.41GHz的频段内，直通端口的传输系数|S21|优于-2dB代表由信号输入端到直通端口的传输系数>-2dB；在4.93-6.63GHz的频段内，隔离端口的传输系数<-20dB，代表该定向耦合器具有良好的方向性，同频段内耦合端口的耦合系数|S41|优于-10dB，表明具有一部分的能量通过耦合孔径耦合到了对应端口，实现了定向耦合的功能。
图4给出了基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的测试S参数，如图4所示，在4.02-7.42GHz的频段内，反射系数|S11|<-10dB，同频段内，直通口的传输系数|S21|优于-6dB；在4-7.22GHz的频段内，隔离口的传输系数|S31|<-15dB，在4.08-6.51GHz的频段内，隔离口的传输系数|S31|<-20dB；在5.03-8.51GHz的频段内，耦合口的耦合系数|S41|优于-6dB。由此可以看出，本发明所提出的定向耦合器在很宽的频带范围内具有平稳的耦合度和较大的隔离度，适用于宽带电子系统。
本发明提出的基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器能够在5.03-8.51GHz的频率范围内实现耦合端口的耦合，具有良好的宽带性能跟优异的小型化性能，可以广泛应用在对应频率范围内的通信系统当中。同时，本发明设计的定向耦合器带有微带线馈电结构，使得该定向耦合器的结构更加紧凑，大幅度的减少了定向耦合器的横向尺寸。此外，本发明对微带线馈电结构进行了进一步设计，用以匹配全模的紧凑结构，对于微波无源器件而言，该馈电结构与全模的匹配性设计很大程度上提高了小型化优化下的定向耦合器的实际性能。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器包括第一层介质基板、第二层介质基板和端口；所述第一层介质基板的上表面设有上金属层，所述第一层介质基板的下表面设有耦合金属层；所述上金属层包括上金属层馈电结构和波导上表面；所述耦合金属层上设有耦合孔；所述第二层介质基板的上表面紧贴于第一层介质基板下表面的耦合金属层；所述第二层介质基板的下表面设有下金属层；所述下金属层包括下金属层馈电结构和波导下表面；所述上金属层和下金属层的两个长边上分别设有金属过孔阵列。
2.根据权利要求2所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述上金属层馈电结构包括矩形段一、梯形段、矩形段二和微带线；所述矩形段一、梯形段、矩形段二和微带线依次相连；所述上金属层馈电结构分别设于波导上表面的左右两侧，并通过矩形段一的宽边与波导上表面相接；所述下金属层馈电结构的组成部件与上金属层馈电结构的组成部件相同；所述下金属层馈电结构分别设于波导下表面的左右两侧，并通过矩形段一的宽边波导下表面相接。
3.根据权利要求2所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器的第一层介质基板和第二层介质基板的宽度为24.8mm，长度为195mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。
4.根据权利要求3所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述上金属层馈电结构和下金属层馈电结构的长度均为40mm，宽度均为24.8mm；所述矩形段一长度为10mm，其宽度为10mm；所述梯形段的高度为10mm，上底边长度为3.4mm，下底边长度为10mm；所述矩形段二的长度为10mm，宽度为3.4mm；所述波导上表面的长度为115mm，宽度为24.8mm。
5.根据权利要求1至4任一所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，耦合孔包括两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔；所述两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔位于耦合金属层横向中轴线一侧，并且两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心均位于同一直线上。
6.根据权利要求5所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述两个第一耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴对称分布于耦合金属层上；所述两个第二耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴，分别对称分布于两个第一耦合孔靠近耦合金属层宽边缘一侧；所述两个第三耦合孔以耦合金属层以纵向中轴线为对称轴分别对称分布于两个第二耦合孔靠近耦合金属层宽边缘一侧。
7.根据权利要求6所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述第一耦合孔的孔半径为4.5mm；所述第二耦合孔的孔半径为3.3mm；所述第三耦合孔的孔半径为2mm；所述两个第一耦合孔之间的孔间距为20mm；所述两个第二耦合孔之间的孔间距为20mm；两个第三耦合孔之间的孔间距为20mm；所述第一耦合孔之间与第二耦合孔之间的孔间距为20mm；所述第二耦合孔之间与第三耦合孔之间的孔间距为20mm。
8.根据权利要求1所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述上金属层的上侧长边和下侧长边均设有金属过孔阵列一；所述下金属层的上侧长边和下侧长边均设有的金属过孔阵列二；所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二的设置位置相同，并且金属过孔阵列一和金属过孔阵列二中的金属过孔的数量相同；所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二的每个金属过孔的位置一一对应；所述金属过孔阵列一包含的金属过孔的孔心位于同一直线上；所述金属过孔阵列二包含的金属过孔的孔心位于同一直线上。
9.根据权利要求8所述基于全模波导结构的基片集成波导定向耦合器，其特征在于，所述金属过孔阵列一和金属过孔阵列二所包含的金属过孔的过孔半径为0.5mm，金属过孔之间的间距为2mm；所述上金属层的上侧金属过孔阵列一的孔心所在直线与耦合金属层上的两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心所在直线的直线间距为5mm；所述下金属层的上侧金属过孔阵列一的孔心所在直线与耦合金属层上的两个第一耦合孔、两个第二耦合孔和两个第三耦合孔的孔心所在直线的直线间距为5mm。
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