CN108470967B

CN108470967B - 一种基于介质集成悬置线的六端口网络

Info

Publication number: CN108470967B
Application number: CN201810330269.4A
Authority: CN
Inventors: 马凯学; 马援; 王勇强
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2038-04-13
Also published as: CN108470967A

Abstract

本发明公开了一种基于介质集成悬置线的六端口网络，包括介质集成悬置线和设置在介质集成悬置线上的六端口电路，所述介质集成悬置线包括至上而下重叠的五层双面印制电路板，所述六端口电路印制在第三层电路板上，所述六端口电路包括4个采用带线结构环状连接的耦合器，所述耦合器采用贴片设计且各自的腔体独立。该六端口电路具有损耗低，自封装、一体化集成、成本低的特点，整体性价比高。

Description

一种基于介质集成悬置线的六端口网络

技术领域

本发明涉及六端口电路领域，具体涉及一种基于介质集成悬置线的六端口网络。

背景技术

随着信息时代的日渐深入，无线通信产品和设备在民用和军用领域都有着巨大的需求。这使得对无线系统的研究不仅有科研方面的价值，更有对经济、社会、国防等诸多方面的现实意义。六端口技术是美国研究人员Hoer和Engen于上世纪70年代提出的，最初用来测量仪器的复反射系数。六端口电路是由功分器和耦合器等功率分配网络构成，包括两个输入端口和四个输出端口，四个输出信号的功率绝对值中包含有输入信号的幅值和相位信息，在射频微波电路与系统中得到了广泛的应用，除了测量复反射系数，幅度和相位以及接收机系统应用以外，近年来，也出现了大量应用六端口技术的多普勒雷达、精确定位雷达和汽车防撞雷达等。但是，采用现有的六端口电路其电路插损较大且采用电子元件版图排版面积大致使面积利用率较低。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种基于介质集成悬置线的六端口网络。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于介质集成悬置线的六端口网络，包括介质集成悬置线和设置在介质集成悬置线上的六端口电路，所述介质集成悬置线包括至上而下重叠的五层双面印制电路板，所述六端口电路印制在第三层电路板上，所述六端口电路包括4个采用带线结构环状连接的耦合器，所述耦合器采用贴片设计且各自的腔体独立。本方案介质集成悬置线应用到六端口电路中，六端口电路的耦合器各自的腔体独立，形成一种独特的蜂窝结构，有效避免各耦合器之间的耦合和寄生效应；耦合器之间构成环状连接，相邻之间采用带线结构连接，通过对带线部分长度的调整，能够使耦合器的插入相差一致，同时保证各耦合器之间的独立性，使六端口电路的相差在介质集成悬置线内部达到要求，不需要过渡部分的相位补偿，有效地节约了电路面积。采用该结构，有效克服现有六端口电路插损较大且采用电子元件版图排版面积大致使面积利用率较低问题，使六端口电路具有损耗低，自封装、一体化集成、成本低的特点，提高整体性价比。

作为优选，所述六端口电路包括一个反相耦合器和三个正交耦合器，所述反相耦合器包括环状贴片和设置在环状贴片上的4个端口，相邻两个端口之间的夹角为60度，所述环状贴片内形成有槽，反相耦合器采用中间挖槽的方式可解决耦合度的问题，方便对耦合度进行调节。正交耦合器包括4个直角扇形贴片和设置在贴片上的端口，其中，两对角设置的贴片直径相等且相邻贴片的直径不等。

进一步的，所述槽成正方形，所述反相耦合器的两个端口设置在环状贴片的直径两端且槽的边与该直径夹角为45度。槽类似于相对于端口旋转45度，提高耦合器的幅度平衡度。

进一步的，为了使正交耦合器满足功率分配的要求，所述正交耦合器的一贴片直径为相邻贴片直径的1.3倍。

作为优选，所述第三层电路板的上下两层电路板之间通过金属通孔连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明介质集成悬置线应用到六端口电路中，六端口电路的耦合器各自的腔体独立，耦合器之间构成环状连接，相邻之间采用带线结构连接，通过对带线部分长度的调整，能够使耦合器的插入相差一致，同时保证各耦合器之间的独立性，使六端口电路的相差在介质集成悬置线内部达到要求，不需要过渡部分的相位补偿，有效地节约了电路面积。该六端口电路具有损耗低，自封装、一体化集成、成本低的特点，整体性价比高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本六端口电路的截面图。

图2为本发明第三层电路板的俯视图。

图3为本发明反相耦合器的结构示意图。

图4为本发明正交耦合器的结构示意图。

图5为本发明的六端口电路仿真获得的散射参数。

图6为本发明的六端口电路仿真获得的输出信号幅度不平衡度曲线图。

图7为本发明的六端口电路仿真获得的输出信号相位不平衡度曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种基于介质集成悬置线的六端口网络，包括介质集成悬置线和设置在介质集成悬置线上的六端口电路，介质集成悬置线包括至上而下重叠的五层双面印制电路板，六端口电路印制在第三层电路板上，六端口电路包括4个采用带线结构环状连接的耦合器，耦合器采用贴片设计且各自的腔体独立。

实施例2

本实施例在上述实施例的基础上进一步的细化，如图1所示，介质集成悬置线可采用现有结构，包括至上而下重叠的五层双面印制电路板1，每层电路板均采用双面印制技术，每层电路板的两面金属层2之间填充中间介质。第一层至第五层电路板的中间介质材质可依次采用Fr4、Fr4、Rogers5880、Fr4、Fr4，厚度依次为0.6mm、0.6mm、0.254mm、0.6mm、0.6mm。如图1所示，第二层电路板和第四层电路板中间镂空，从而保证第三层电路板分别与第一层电路板和第五层电路板之间形成空气腔体结构。第二层金属层和第九层金属层作为悬置线电路的信号地。第三层电路板上、下表面金属层即第五层金属层和第六层金属层上设置基于耦合器的六端口电路。

如图2所示，六端口电路包括一个反相耦合器和三个正交耦合器。反相耦合器包括环状贴片31和设置在环状贴片上的4个端口32，相邻两个端口之间的夹角为60度，环状贴片内形成有槽33。反相耦合器基于圆形贴片设计，如图1所示，4个端口32逆时针排列在圆形贴片的一侧，从左到右依次是port1、port2、port4、port3。槽33成正方形，相邻两个端口之间的夹角为60度使得有两个端口位于一直径的两端，该槽33的边与该直径之间的夹角为45度，即相当于旋转45°处在圆形贴片中央，提高耦合器的幅度平衡度。

正交耦合器有3个，如图2所示，按照顺时针方向给三个正交耦合器编号分别为#1、#2、#3。正交耦合器包括4个直角扇形贴片和设置在贴片上的端口，其中，正交耦合器基于扇形贴片设计，两对角设置的贴片直径相等且相邻贴片的直径不等，相邻贴片的半径分别为r₁₁和r₁₂。两个半径满足一定的比例以满足功率平均分配的要求，通过电磁仿真软件得到：r₁₂＝1.3r₁₁。半径为r₁₁的扇形两侧的端口彼此隔离，如图2中正交耦合器#1所示，取最下端的端口为port1，逆时针方向分别为port2、port3、port4。

三个正交耦合器和一个反相耦合器的连接方式如图2所示。反相耦合器和正交耦合器#2的port4接50欧姆匹配负载。反相耦合器的port1作为整个六端口网络的输入端口1，输入信号a₁在反相耦合器的port1输入，在其port2和port3得到两个等幅反相的信号a₁₁和a₁₂，a₁₁和a₁₂分别输入到正交耦合器#3的port1和正交耦合器#1的port4后，在其port2和port3输出得到两个等幅正交的信号a₁₃和a₁₄，a₁₅和a₁₆。正交耦合器#2的port1则作为六端口网络的输入端口2，输入信号a₂在正交耦合器#2的port1输入，在其port2和port3得到两个等幅反相的信号a₂₁和a₂₂，a₂₁和a₂₂分别输入到正交耦合器#1的port1和正交耦合器#3的port4后，在其port2和port3输出得到两个等幅正交的信号a₂₃和a₂₄，a₂₅和a₂₆。因此该六端口网络的散射矩阵可以表示为：

以满足六端口电路将两输入信号平均地分配到四个输出端口且满足90°或90°倍数的相位差。

第三层电路板的上下两层电路板之间通过金属通孔连接。两个耦合器的贴片边缘都用金属通孔将第五层金属层和第六层金属层连接，以减少介质损耗。

两个耦合器都是基于介质集成悬置线平台实现，每个端口都经过带线部分过渡到传统测试结构。在进行耦合器级联组成六端口网络时，每个耦合器的腔体结构被保留了下来，耦合器之间通过带线连接，腔体之间有金属通孔构成的金属壁提供隔离作用，构成了如图1中所示的蜂窝结构，有效地避免了各耦合器之间的电磁耦合和寄生效应，为组合电路阶段减少了大量的调试工作，提高了工作效率。本实施例中反相耦合器的端口排列特性组成六端口网络后，其port4在电路内部，因此通过焊接50欧姆贴片电阻的方式接匹配负载。

本实施例中，中心频率为24GHz，先分别对两种耦合器进行设计，如图3、4所示，通过电磁仿真软件可以得到版图具体尺寸为：r₀₁＝3.85mm，r₀₂＝5.15mm，td₀₁＝2.44mm，tr₀₁＝1.3mm，tr₀₂＝1.81mm，td₀₂＝0.495mm，w₀₁＝1.9mm，r₁₁＝3.53mm，r₁₂＝4.589mm，r₁₃＝5.489mm，tr₁₁＝0.9mm，tr₁₂＝1.13mm，td₁₁＝1.9mm，td₁₂＝0.495mm，td₂₁＝0.99mm，td₂₂＝0.63mm，tr₂₁＝6mm，td₂₃＝14mm。所实现的电路尺寸包括过渡结构为：50mm×52.8mm。中心频率处电路的插入损耗小于0.5dB，很大程度上减小了损耗，同时，基于介质集成悬置线的六端口网络还就具有重量轻、自封装、一体化集成、电磁屏蔽、成本低的优点。对上述六端口电路进行测试，测试结果图5、图6、图7所示，图5为本发明提供的介质集成悬置线六端口电路仿真测试获得的散射参数曲线图。图6为上述六端口电路仿真测试获得的输出信号幅度不平衡度曲线图。图7为上述六端口电路仿真测试获得的输出信号相位不平衡度曲线图。由图5、6可知，本实施例所述基于介质集成悬置线的六端口网络的电路分析和电磁仿真呈现良好的一致性。在22～26GHz范围内，测试的两输入端口的回波损耗优于15dB，隔离度优于20dB，插入损耗低于1dB。由图6、图7可知，本实施例所述基于介质集成悬置线的六端口网络在22.5～25GHz范围内，测试的输出端幅度不平衡度为±0.5dB，相位不平衡度为90±5度。

由上述测试结果可知，本实施例所述介质集成悬置线的六端口网络能够在一定的频段内实现将两个输入信号平均地分配到四个输出端口，并实现90°或90°倍数的相位差。结合介质集成悬置线平台的特性，一定程度上减小了电路的损耗。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于介质集成悬置线的六端口网络，其特征在于，包括介质集成悬置线和设置在介质集成悬置线上的六端口电路，所述介质集成悬置线包括至上而下重叠的五层双面印制电路板，所述六端口电路印制在第三层电路板上，所述六端口电路包括4个采用带线结构环状连接的耦合器，所述耦合器采用贴片设计且各自的腔体独立；

所述六端口电路包括一个反相耦合器和三个正交耦合器，所述反相耦合器包括环状贴片和设置在环状贴片上的4个端口，相邻两个端口之间的夹角为60度，所述环状贴片内形成有槽；所述正交耦合器包括4个直角扇形贴片和设置在贴片上的端口，其中，两对角设置的贴片直径相等且相邻贴片的直径不等。

2.根据权利要求1所述的一种基于介质集成悬置线的六端口网络，其特征在于，所述槽成正方形，所述反相耦合器的两个端口设置在环状贴片的直径两端且槽的边与该直径夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的一种基于介质集成悬置线的六端口网络，其特征在于，所述正交耦合器的一贴片直径为相邻贴片直径的1.3倍。

4.根据权利要求1所述的一种基于介质集成悬置线的六端口网络，其特征在于，所述第三层电路板的上下两层电路板之间通过金属通孔连接。