CN107516756A

CN107516756A - 一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器

Info

Publication number: CN107516756A
Application number: CN201710718767.1A
Authority: CN
Inventors: 严浩嘉; 薛景; 戴永胜
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2017-12-26

Abstract

本发明公开了一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，该耦合器具有级联结构，级联部分由三节串联的四分之一波长宽边耦合带状线与单节四分之一波长宽边耦合带状线组成，所述耦合器包括级联耦合带状线、表面封装阻抗50欧姆的端口、屏蔽层均由多层低温共烧陶瓷工艺实现。本发明实现了强耦合且倍频程达到5倍，具有工作频带宽、尺寸小、可靠性高、批量生产电性能一致性好及使用方便等优点，可广泛应用于电磁波频段的雷达、无线通信等系统中。

Description

一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器

技术领域

本发明属于微波毫米波部件，具体涉及一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，尤其适用于通信、雷达、航空航天领域。

背景技术

随着航空航天技术、现代通信技术的发展，人们对微波系统和电路提出了小型化、高性能、轻量化的要求，定向耦合器作为微波系统中的重要角色成为近几年研究的重点。耦合器由传输线构成，同轴线、波导、带状线和微带线都可组成耦合器，为了实现耦合器的小型化和轻量化，微带线和带状线越来越多的被用于构成耦合器。描述这种部件性能的主要技术指标有工作频率范围、输入输出电压驻波比、插入损耗、隔离度、幅度平衡、相位平衡特性、温度稳定性、体积、重量、可靠性等。

低温共烧陶瓷技术（LTCC）是一种电子封装技术，将介质封装在金属屏蔽层之间，使部件可具有良好的导电性，且LTCC技术是一种多层陶瓷叠层技术，可实现加工尺寸小、质量轻、可批量生产的结微波器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，采用三节宽边耦合线与单节宽边耦合线级联的结构实现超宽带的特性，同时采用LTCC技术实现具有尺寸小、重量轻、频带宽、可靠性高、电性能优异、成品率高、批量一致性好、造价低、温度性高等优点的定向耦合器。

实现本发明目的的技术方案是：一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，包括特征阻抗50欧姆的输入端口P1、特征阻抗50欧姆的直通端口P2、特征阻抗50欧姆的隔离端口P3、特征阻抗50欧姆的耦合端口P4、第一连接线Lin1、第二连接线Lin2、第三连接线Lin3、第四连接线Lin4、第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3、第四宽边耦合线L4、第一连接柱H1、第二连接柱H2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第五连接柱H5、第六连接柱H6、第一屏蔽层G1、第二屏蔽层G2、第三屏蔽层G3、第一通孔K1、第二通孔K2、第一侧印地GND1、第二侧印地GND2。

所述的耦合器包括特征阻抗50欧姆的输入端口P1与第一连接线Lin1连接，特征阻抗50欧姆的直通端口P2与第二连接线Lin2连接，特征阻抗50欧姆的隔离端口P3与第四连接线Lin4连接，特征阻抗50欧姆的耦合端口P4与第三连接线Lin3连接，第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3、第四宽边耦合线L4均有二层折叠线，上下两层对称分布，第一宽边耦合线L1的下层耦合线L12一端与第一连接线Lin1相接，另一端通过第二连接柱H2与第二宽边耦合线L2的下层耦合线L22一端相连，第二宽边耦合线L2的下层耦合线L22的另一端通过第四连接柱H4与第三宽边耦合线L3的下层耦合线L32一端相连，第三宽边耦合线L3的下层耦合线L32的另一端通过第六连接柱H6与第四宽边耦合线L4的下层耦合线L42一端相连，其中第六连接柱H6穿过位于第二屏蔽层G2上的第二通孔K2，第四宽边耦合线L4的下层耦合线L42的另一端与第二连接线Lin2相连。第一宽边耦合线L1的上层耦合线L11一端通过第五连接柱H5与第四宽边耦合线L4的上层耦合线L41一端相连，其中第五连接柱H5穿过位于第二屏蔽层G2上的第一通孔K1，第四宽边耦合线L4的上层耦合线L41的另一端与第四连接线Lin4相连，第一宽边耦合线L1的上层耦合线L11的另一端通过第一连接柱H1与第二宽边耦合线L2的上层耦合线L21一端相连，第二宽边耦合线L2的上层耦合线L21的另一端通过第三连接柱H3与第三宽边耦合线L3的上层耦合线L31一端相连，第三宽边耦合线L3的上层耦合线L31的另一端与第三连接线Lin3相连。第一屏蔽层G1、第三屏蔽层G3分别位于结构最上面与最下面一层，第二屏蔽层G2将第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3与第四宽边耦合线L4上下分隔开，第一屏蔽层G1、第二屏蔽层G2、第三屏蔽层G3均与第一侧印地GND1、第二侧印地GND2相接。

所述包括特征阻抗50欧姆的输入端口P1、特征阻抗50欧姆的直通端口P2、特征阻抗50欧姆的隔离端口P3、特征阻抗50欧姆的耦合端口P4、第一连接线Lin1、第二连接线Lin2、第三连接线Lin3、第四连接线Lin4、第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3、第四宽边耦合线L4、第一连接柱H1、第二连接柱H2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第五连接柱H5、第六连接柱H6、第一屏蔽层G1、第二屏蔽层G2、第三屏蔽层G3、第一通孔K1、第二通孔K2、第一侧印地GND1、第二侧印地GND2均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

与现有技术相比，本发明采用多节折叠宽边耦合线及级联结构，三维立体集成且采用低损耗低温共烧陶瓷材料，所带来的显著优点是：（1）耦合度强、损耗小、频带宽；（2）尺寸小、重量轻、可靠性高；（3）电路实现结构简单，可实现大批量生产。

附图说明

图1（a）是本发明一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器的侧视层数图，图1（b）是本发明一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器的俯视结构图。

图2是本发明一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器主要性能测试曲线图。

图3是本发明一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器直通与耦合端口相位差曲线图。

具体实施方式

为了实现定向耦合器的小型化，本发明采取多节带状线的形式，通过宽边耦合达到5倍频程。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1（a）、（b），一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，包括特征阻抗50欧姆的输入端口P1、特征阻抗50欧姆的直通端口P2、特征阻抗50欧姆的隔离端口P3、特征阻抗50欧姆的耦合端口P4、第一连接线Lin1、第二连接线Lin2、第三连接线Lin3、第四连接线Lin4、第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3、第四宽边耦合线L4、第一连接柱H1、第二连接柱H2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第五连接柱H5、第六连接柱H6、第一屏蔽层G1、第二屏蔽层G2、第三屏蔽层G3、第一通孔K1、第二通孔K2、第一侧印地GND1、第二侧印地GND2。

结合图1（a）、（b），所述的耦合器包括特征阻抗50欧姆的输入端口P1与第一连接线Lin1连接，特征阻抗50欧姆的直通端口P2与第二连接线Lin2连接，特征阻抗50欧姆的隔离端口P3与第四连接线Lin4连接，特征阻抗50欧姆的耦合端口P4与第三连接线Lin3连接，第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3、第四宽边耦合线L4均有二层折叠线，上下两层对称分布，第一宽边耦合线L1的下层耦合线L12一端与第一连接线Lin1相接，另一端通过第二连接柱H2与第二宽边耦合线L2的下层耦合线L22一端相连，第二宽边耦合线L2的下层耦合线L22的另一端通过第四连接柱H4与第三宽边耦合线L3的下层耦合线L32一端相连，第三宽边耦合线L3的下层耦合线L32的另一端通过第六连接柱H6与第四宽边耦合线L4的下层耦合线L42一端相连，其中第六连接柱H6穿过位于第二屏蔽层G2上的第二通孔K2，第四宽边耦合线L4的下层耦合线L42的另一端与第二连接线Lin2相连。第一宽边耦合线L1的上层耦合线L11一端通过第五连接柱H5与第四宽边耦合线L4的上层耦合线L41一端相连，其中第五连接柱H5穿过位于第二屏蔽层G2上的第一通孔K1，第四宽边耦合线L4的上层耦合线L41的另一端与第四连接线Lin4相连，第一宽边耦合线L1的上层耦合线L11的另一端通过第一连接柱H1与第二宽边耦合线L2的上层耦合线L21一端相连，第二宽边耦合线L2的上层耦合线L21的另一端通过第三连接柱H3与第三宽边耦合线L3的上层耦合线L31一端相连，第三宽边耦合线L3的上层耦合线L31的另一端与第三连接线Lin3相连。第一屏蔽层G1、第三屏蔽层G3分别位于结构最上面与最下面一层，第二屏蔽层G2将第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3与第四宽边耦合线L4上下分隔开，第一屏蔽层G1、第二屏蔽层G2、第三屏蔽层G3均与第一侧印地GND1、第二侧印地GND2相接。

结合图1（a）、（b），所述包括特征阻抗50欧姆的输入端口P1、特征阻抗50欧姆的直通端口P2、特征阻抗50欧姆的隔离端口P3、特征阻抗50欧姆的耦合端口P4、第一连接线Lin1、第二连接线Lin2、第三连接线Lin3、第四连接线Lin4、第一宽边耦合线L1、第二宽边耦合线L2、第三宽边耦合线L3、第四宽边耦合线L4、第一连接柱H1、第二连接柱H2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第五连接柱H5、第六连接柱H6、第一屏蔽层G1、第二屏蔽层G2、第三屏蔽层G3、第一通孔K1、第二通孔K2、第一侧印地GND1、第二侧印地GND2均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，其低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以具有高可靠性和温度稳定性。结构采用三维立体集成和多层折叠耦合线结构以及外表面金属屏蔽实现接地和封装，使得成本降到最低。

本发明一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器的尺寸仅为11.2mm×6mm×2.3mm，其性能可从图2、图3看出，此耦合器中心频率2.4GHZ，带宽0.8GHz~4GHz，带宽比为5，输入端口回波损耗优于25dB，直通与耦合端相位相差90°(±3°)，端口间的隔离度均大于22dB。与该频段同类产品相比该耦合器尺寸非常小，性能较优，为相应无线通信系统的小型化、轻量化和提高系统可靠性发挥重要作用。

Claims

1.一种S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，其特征在于：包括特征阻抗50欧姆的输入端口（P1）、特征阻抗50欧姆的直通端口（P2）、特征阻抗50欧姆的隔离端口（P3）、特征阻抗50欧姆的耦合端口（P4）、第一连接线（Lin1）、第二连接线（Lin2）、第三连接线（Lin3）、第四连接线（Lin4）、第一宽边耦合线（L1）、第二宽边耦合线（L2）、第三宽边耦合线（L3）、第四宽边耦合线（L4）、第一连接柱（H1）、第二连接柱（H2）、第三连接柱（H3）、第四连接柱（H4）、第五连接柱（H5）、第六连接柱（H6）、第一屏蔽层（G1）、第二屏蔽层（G2）、第三屏蔽层（G3）、第一通孔（K1）、第二通孔（K2）、第一侧印地（GND1）、第二侧印地（GND2）；

特征阻抗50欧姆的输入端口（P1）与第一连接线（Lin1）连接，特征阻抗50欧姆的直通端口（P2）与第二连接线（Lin2）连接，特征阻抗50欧姆的隔离端口（P3）与第四连接线（Lin4）连接，特征阻抗50欧姆的耦合端口（P4）与第三连接线（Lin3）连接，第一宽边耦合线（L1）、第二宽边耦合线（L2）、第三宽边耦合线（L3）、第四宽边耦合线（L4）均有二层折叠线，上下两层对称分布，第一宽边耦合线（L1）的下层耦合线（L12）一端与第一连接线（Lin1）相接，另一端通过第二连接柱（H2）与第二宽边耦合线（L2）的下层耦合线（L22）一端相连，第二宽边耦合线（L2）的下层耦合线（L22）的另一端通过第四连接柱（H4）与第三宽边耦合线（L3）的下层耦合线（L32）一端相连，第三宽边耦合线（L3）的下层耦合线（L32）的另一端通过第六连接柱（H6）与第四宽边耦合线（L4）的下层耦合线（L42）一端相连，其中第六连接柱（H6）穿过位于第二屏蔽层（G2）上的第二通孔（K2），第四宽边耦合线（L4）的下层耦合线（L42）的另一端与第二连接线（Lin2）相连；第一宽边耦合线（L1）的上层耦合线（L11）一端通过第五连接柱（H5）与第四宽边耦合线（L4）的上层耦合线（L41）一端相连，其中第五连接柱（H5）穿过位于第二屏蔽层（G2）上的第一通孔（K1），第四宽边耦合线（L4）的上层耦合线（L41）的另一端与第四连接线（Lin4）相连，第一宽边耦合线（L1）的上层耦合线（L11）的另一端通过第一连接柱（H1）与第二宽边耦合线（L2）的上层耦合线（L21）一端相连，第二宽边耦合线（L2）的上层耦合线（L21）的另一端通过第三连接柱（H3）与第三宽边耦合线（L3）的上层耦合线（L31）一端相连，第三宽边耦合线（L3）的上层耦合线（L31）的另一端与第三连接线（Lin3）相连；第一屏蔽层（G1）、第三屏蔽层（G3）分别位于结构最上面与最下面一层，第二屏蔽层（G2）将第一宽边耦合线（L1）、第二宽边耦合线（L2）、第三宽边耦合线（L3）与第四宽边耦合线（L4）上下分隔开，第一屏蔽层（G1）、第二屏蔽层（G2）、第三屏蔽层（G3）均与第一侧印地（GND1）、第二侧印地（GND2）相接。

2.根据权利要求1所述的S波段宽边耦合带状线3dB定向耦合器，其特征在于：所述特征阻抗50欧姆的输入端口（P1）、特征阻抗50欧姆的直通端口（P2）、特征阻抗50欧姆的隔离端口（P3）、特征阻抗50欧姆的耦合端口（P4）、第一连接线（Lin1）、第二连接线（Lin2）、第三连接线（Lin3）、第四连接线（Lin4）、第一宽边耦合线（L1）、第二宽边耦合线（L2）、第三宽边耦合线（L3）、第四宽边耦合线（L4）、第一连接柱（H1）、第二连接柱（H2）、第三连接柱（H3）、第四连接柱（H4）、第五连接柱（H5）、第六连接柱（H6）、第一屏蔽层（G1）、第二屏蔽层（G2）、第三屏蔽层（G3）、第一通孔（K1）、第二通孔（K2）、第一侧印地（GND1）、第二侧印地（GND2）均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。