CN107946720A - 基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器 - Google Patents

基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器。它包含有基片集成波导SIW传输线耦合结构和微带线匹配结构，背面为金属铜。耦合结构共有四个输出端口，每个端口均与一个微带线匹配结构连接。耦合结构是由主副两条SIW传输线构成，中心部分是四个等间距的镀铜第二通孔和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔，用来实现两条SIW传输线间耦合。通过调节镀铜通孔的直径和间距能够得到很好的隔离度和耦合度。匹配结构由微带线渐变型组成，实现端口50Ω匹配。匹配结构的总长度为54.9mm。匹配结构与耦合结构连接部分的宽度为10.3mm。工作频段为4GHz～6GHz，耦合度S31接近10dB，端口1和端口4之间的隔离度达到30dB以上。回波损耗S11达到30dB以上，带宽达到40%。

Description

基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器
技术领域
本发明涉及一种基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器。
背景技术
现在通信系统中，多支路的定向耦合器是一个非常关键的器件，对输入信号的提取和最终的功率分配起着关键作用。为适应电子系统的发展要求，微波系统不断的朝宽带、高性能、高集成的方向发展。作为微波系统中具有重要地位的定向耦合器，宽带和高隔离度的研究一直是定向耦合器研究领域的重点和热点。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器，保证在4GHz 到 6GHz频段隔离度达30 dB以上，最高达40dB，耦合度为10dB，带宽达到40%。
为达到上述目的，本发明的技术构思如下：
一种基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器结构，属于单层PCB板射频器件，介质材料的介电常数为4.4，介质板双面分别镀铜处理。该耦合器包含有一个基片集成波导传输线SIW耦合结构和四个锥形渐变型微带线匹配结构。耦合结构共有四个输出端口，每个端口均与一个锥形渐变型微带线匹配结构相连接。耦合结构是双面敷铜的PCB板，为83.8mm*41mm*1.56mm的立体长方体，结合耦合理论钻通孔并令通孔内壁镀铜。其中主副两条相同SIW传输线通过中心四个等间距的镀铜第二通孔和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔，以窄边耦合的方式，实现主SIW传输线与副SIW传输线之间的能量耦合。耦合结构中心四个镀铜第二通孔的间距为10.5mm，镀铜第二通孔的直径为1mm；耦合结构中两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔的间距为2.9mm，镀铜第三通孔的直径为2.2mm；耦合结构中四个镀铜第二通孔和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔的间距为10mm。镀铜通孔的直径和间距对耦合器的性能起着至关重要的作用，通过调节镀铜通孔的直径和间距能够得到很好的隔离度和耦合度。匹配结构由锥形渐变型微带线实现，是双面敷铜的PCB板，上表面为渐变型导带，下表面为敷铜接地板，匹配结构长度为54.9mm。匹配结构与耦合结构连接部分的微带宽度为10.3mm，50Ω端口的微带宽度为3.38mm，实现50Ω匹配。该耦合器的尺寸为193.6mm*49.4mm*1.56mm。
耦合结构由基片集成波导传输线SIW实现。主副两条相同的SIW传输线（2-5、2-6）是由双面敷有金属铜的PCB电路板和镀铜第一通孔组成，介质材料的介电常数为4.4，电磁场被限制在并行的两排金属化第一通孔之间传输。通孔大小和间距需满足：s/d<2和d/a<0.2，其中s为两侧镀铜第一通孔间距，d为镀铜通孔直径，a为SIW传输线等效为矩形波导后的宽度。满足这个条件才能保证电磁波在并行的两排金属通孔之间传输。
该耦合器结构主要分为耦合结构和匹配结构两大部分，其中耦合结构是根据中心四个等间距的镀铜第二通孔和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔实现两个SIW传输线的窄边耦合，镀铜通孔的直径和间距对耦合器的性能起着至关重要的作用。匹配结构由锥形渐变型微带线组成，实现50Ω匹配。基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器仿真S参数：工作频段为4GHz～6GHz，耦合度S31接近10dB，输入端和隔离端之间的隔离度达到30dB以上，最高达40dB。回波损耗S11达到30dB以上，最高达到50dB，带宽达到40%。
根据上述发明技术构思，本发明采用下属技术方案：
一种基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器，属于单层PCB电路板射频器件，PCB电路板是介质板双面分别镀铜而成。
所述双面镀铜的PCB板上表面包含有一个基片集成波导传输线SIW耦合结构和四个锥形渐变型微带线匹配结构构成耦合器，而下表面为镀铜接地板；所述耦合结构共有四个输出端口，每个端口与一个锥形渐变型微带线匹配结构相连接；耦合结构是由主副两条基片集成波导SIW传输线耦合而成，双面镀铜PCB板的两侧边缘均布有钻第一通孔且第一通孔内壁镀铜；所述主副两条相同的SIW传输线通过四个等间距的镀铜第二通孔和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔，以窄边耦合的方式来实现主SIW传输线与副SIW传输线之间的能量耦合；匹配结构与耦合结构连接部分的微带宽度将微带线与基片集成波导传输线的传输损耗降到最小；50Ω端口的微带宽度实现微带线50Ω匹配，降低耦合器与外部器件的传输损耗。
所述耦合结构由主副两条相同的SIW传输线耦合实现；其中单条SIW传输线是由双面敷有金属铜的PCB电路板和镀铜第一通孔组成，镀铜第一通孔均匀分布在双面敷铜的PCB电路板的两侧，电磁场被限制在并行的两排镀铜通孔之间传输；第一通孔大小和间距需满足：s/d<2和d/a<0.2，其中s为两侧镀铜第一通孔间距，d为镀铜通孔直径，a为SIW传输线等效为矩形波导后的宽度；满足这个条件才能保证电磁波在并行的两排镀铜第一通孔之间传输。
所述该耦合器的尺寸为193.6mm*49.4mm*1.56mm，其中耦合结构的尺寸为83.8mm*41mm*1.56mm，匹配结构的长度为54.9mm，耦合结构中四个镀铜第二通孔的间距为10.5mm，镀铜第二通孔的直径为1mm；耦合结构中两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔的间距为2.9mm，镀铜第三通孔的直径为2.2mm；耦合结构中四个镀铜第二通孔和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔的间距为10mm；匹配结构与耦合结构连接部分的微带宽度为10.3mm，50Ω端口的微带宽度为3.38mm，PCB介质材料的介电常数为4.4；耦合器仿真S参数：工作频段为4GHz～6GHz，耦合度S31接近10dB，输入端和隔离端之间的隔离度达到30dB以上，最高达40dB。回波损耗S11达到30dB以上，最高达到50dB，带宽达到40%。
本发明与现在技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
本发明采用了基片集成波导传输线的新型结构，与传统的定向耦合器相比，基片集成波导可等效为矩形波导来推导，大大减小了耦合器的体积。耦合结构采用金属通孔与基片集成波导相结合结构，可以通过调节金属通孔间距能够得到很好的隔离度和耦合度。匹配结构采用渐变型微带线结构，能够很好地减少传输损耗。
附图说明
图1是新型高隔离度超宽带定向耦合器全局图和底面（其中图（a）为全局图，图（b）为底面图）。
图2是耦合结构俯视图。
图3是匹配结构俯视图。
图4是基片集成波导传输线图。
图5是新型高隔离度超宽带定向耦合器仿真S参数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：
实施例一：
参见图1~图4，本基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器，属于单层PCB电路板射频器件，PCB电路板是介质板双面分别镀铜而成，其特征在于：所述双面镀铜的PCB板上表面包含有一个基片集成波导传输线SIW耦合结构（2）和四个锥形渐变型微带线匹配结构（3）构成耦合器（1），而下表面为镀铜接地板；所述耦合结构（2）共有四个输出端口，每个端口与一个锥形渐变型微带线匹配结构（3）相连接；耦合结构（2）是由主副两条基片集成波导SIW传输线（2-5、2-6）耦合而成，双面镀铜PCB板的两侧边缘均布有钻第一通孔（2-7）且第一通孔（2-7）内壁镀铜；所述主副两条相同的SIW传输线（2-5、2-6）通过四个等间距的镀铜第二通孔（2-2）和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8），以窄边耦合的方式来实现主SIW传输线（2-5）与副SIW传输线（2-6）之间的能量耦合；匹配结构（3）与耦合结构（2）连接部分的微带宽度（3-2）将微带线与基片集成波导传输线的传输损耗降到最小；50Ω端口的微带宽度（3-3）实现微带线50Ω匹配，降低耦合器与外部器件的传输损耗。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述耦合结构由主副两条相同的SIW传输线（2-5、2-6）耦合实现；其中单条SIW传输线是由双面敷有金属铜的PCB电路板和镀铜第一通孔（2-7）组成，镀铜第一通孔（2-7）均匀分布在双面敷铜的PCB电路板的两侧，电磁场被限制在并行的两排镀铜通孔（2-7）之间传输；第一通孔（2-7）大小和间距需满足：s/d<2和d/a<0.2，其中s为两侧镀铜第一通孔（2-7）间距（4-2），d为镀铜通孔直径（4-1），a为SIW传输线等效为矩形波导后的宽度；满足这个条件才能保证电磁波在并行的两排镀铜第一通孔（2-7）之间传输。
所述该耦合器（1）的尺寸为193.6mm*49.4mm*1.56mm，其中耦合结构（2）的尺寸为83.8mm*41mm*1.56mm，匹配结构（3）的长度为54.9mm，耦合结构（2）中四个镀铜第二通孔（2-2）的间距（2-1）为10.5mm，镀铜第二通孔（2-2）的直径（2-3）为1mm；耦合结构（2）中两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8）的间距（2-10）为2.9mm，镀铜第三通孔（2-8）的直径（2-9）为2.2mm；耦合结构（2）中四个镀铜第二通孔（2-2）和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8）的间距（2-11）为10mm；匹配结构（3）与耦合结构（2）连接部分的微带宽度（3-2）为10.3mm，50Ω端口的微带宽度（3-3）为3.38mm，PCB介质材料的介电常数为4.4；耦合器（1）仿真S参数：工作频段为4GHz～6GHz，耦合度S31接近10dB，输入端和隔离端之间的隔离度达到30dB以上，最高达40dB。回波损耗S11达到30dB以上，最高达到50dB，带宽达到40%。
实施例三：
参见图1（a），本基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器（1），包含有一个基片集成波导传输线（SIW）耦合结构（2）和四个微带线匹配结构（3），背面为金属铜（4）。耦合结构（2）共有四个输出端口，每个端口均与一个微带线匹配结构（3）相连接。匹配结构（3）由渐变型微带线组成，实现50Ω匹配。该耦合器的尺寸大小为193.6mm*49.4mm。介质板厚度（5）为1.56mm， =4.4。图1（b）为该耦合器的底面，背面敷铜，其中镀铜通孔贯穿整个介质层厚度。
参见图2，高隔离度超宽带耦合器的耦合结构（2）部分，其特征在于：耦合结构（2）是由主副两条相同的SIW传输线（2-5）、（2-6）构成，中心部分是四个等间距的镀铜第二通孔（2-2）和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8），用来实现两条SIW传输线（2-5、2-6）间耦合。中心四个镀铜第二通孔（2-2）间距（2-1）为10.5mm，镀铜第二通孔（2-2）直径（2-3）为1mm；两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8）的间距（2-9）为2.9mm，镀铜第三通孔（2-8）的直径（2-10）为2.2mm；耦合结构（2）中四个镀铜第二通孔（2-2）和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8）的间距（2-11）为10mm。镀铜通孔的直径（2-3）、（2-9）和间距（2-1）、（2-10）、（2-11）对耦合器的性能起着至关重要的作用，通过调节镀铜通孔的直径（2-3）、（2-9）和间距（2-1）、（2-10）、（2-11）能够得到很好的隔离度和耦合度。耦合结构（2）有四个端口，分别是输入端（端口一），直通端（端口二），耦合端（端口三）和隔离端（端口四）。SIW传输线宽（2-4）为20mm。
参见图3，高隔离度超宽带耦合器的匹配结构（3）部分。匹配结构（3）由渐变型微带线组成，实现50Ω匹配。匹配结构（3）的总长度（3-1）为54.9mm。匹配结构（3）与耦合结构连接部分的微带宽度（3-2）为10.3mm，50Ω端口的微带宽度（3-3）为3.38mm。
参见图4，耦合结构（2）是由主副两条相同基片集成波导传输线（SIW）耦合而成，单条SIW传输线由双面敷有金属铜的PCB电路板和金属第一通孔（2-7）组成，电磁场被限制在并行的两排金属第一通孔（2-7）之间传输。通孔大小和间距需满足：s/d<2和d/a<0.2，其中s为金属通孔间距（4-2），d为金属通孔直径（4-1），a为SIW传输线等效为矩形波导后的宽度。满足这个条件才能保证电磁波在并行的两排金属通孔之间传输。其中第一通孔（2-7）的间距（4-2）为2.1mm，第一通孔（2-7）的直径（4-1）为1mm。其中SIW传输线宽度（2-4）分别为20mm。
参见图5，新型定向耦合器仿真S参数。工作频段为4GHz～6GHz，耦合度S31接近10dB，输入端和隔离端之间的隔离度达到30dB以上，最高达40dB。回波损耗S11达到30dB以上，最高达到50dB，带宽达到40%。

Claims (3)

1.一种基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器，属于单层PCB电路板射频器件，PCB电路板是介质板双面分别镀铜而成，其特征在于：所述双面镀铜的PCB板上表面包含有一个基片集成波导传输线SIW耦合结构（2）和四个锥形渐变型微带线匹配结构（3）构成耦合器（1），而下表面为镀铜接地板；所述耦合结构（2）共有四个输出端口，每个端口与一个锥形渐变型微带线匹配结构（3）相连接；耦合结构（2）是由主副两条基片集成波导SIW传输线（2-5、2-6）耦合而成，双面镀铜PCB板的两侧边缘均布有钻第一通孔（2-7）且第一通孔（2-7）内壁镀铜；所述主副两条相同的SIW传输线（2-5、2-6）通过四个等间距的镀铜第二通孔（2-2）和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8），以窄边耦合的方式来实现主SIW传输线（2-5）与副SIW传输线（2-6）之间的能量耦合；匹配结构（3）与耦合结构（2）连接部分的微带宽度（3-2）将微带线与基片集成波导传输线的传输损耗降到最小；50Ω端口的微带宽度（3-3）实现微带线50Ω匹配，降低耦合器与外部器件的传输损耗。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器，其特征在于：所述耦合结构由主副两条相同的SIW传输线（2-5、2-6）耦合实现；其中单条SIW传输线是由双面敷有金属铜的PCB电路板和镀铜第一通孔（2-7）组成，镀铜第一通孔（2-7）均匀分布在双面敷铜的PCB电路板的两侧，电磁场被限制在并行的两排镀铜通孔（2-7）之间传输；第一通孔（2-7）大小和间距需满足：s/d<2和d/a<0.2，其中s为两侧镀铜第一通孔（2-7）间距（4-2），d为镀铜通孔直径（4-1），a为SIW传输线等效为矩形波导后的宽度；满足这个条件才能保证电磁波在并行的两排镀铜第一通孔（2-7）之间传输。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导传输线的高隔离度超宽带定向耦合器，其特征在于：所述该耦合器（1）的尺寸为193.6mm*49.4mm*1.56mm，其中耦合结构（2）的尺寸为83.8mm*41mm*1.56mm，匹配结构（3）的长度为54.9mm，耦合结构（2）中四个镀铜第二通孔（2-2）的间距（2-1）为10.5mm，镀铜第二通孔（2-2）的直径（2-3）为1mm；耦合结构（2）中两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8）的间距（2-10）为2.9mm，镀铜第三通孔（2-8）的直径（2-9）为2.2mm；耦合结构（2）中四个镀铜第二通孔（2-2）和两侧对称分布的十二个镀铜第三通孔（2-8）的间距（2-11）为10mm；匹配结构（3）与耦合结构（2）连接部分的微带宽度（3-2）为10.3mm，50Ω端口的微带宽度（3-3）为3.38mm，PCB介质材料的介电常数为4.4；耦合器（1）仿真S参数：工作频段为4GHz～6GHz，耦合度S31接近10dB，输入端和隔离端之间的隔离度达到30dB以上，最高达40dB，回波损耗S11达到30dB以上，最高达到50dB，带宽达到40%。
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