CN108598654B - 一种基于基片集成间隙波导的耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于基片集成间隙波导的耦合器，该耦合器结构由上层介质板（5）和下层介质板（6）紧密连接而成。上层介质板（5）的上表面印刷有接地金属层，下表面印刷有耦合微带线（13）；下层介质板（6）上表面印刷有周期性的圆形金属贴片（9）、（15）和H型耦合微带线（12），下表面印刷有金属层，并在下层介质板（6）上打有周期性的金属过孔（10）、（11）、（14）。本发明具有易集成、小尺寸、宽带宽、低损耗、较高隔离等优点。

Description

一种基于基片集成间隙波导的耦合器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种基于基片集成间隙波导的耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种重要的微波毫米波器件，定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。耦合器的形式主要包括波导耦合器和微带耦合器。随着通信系统的发展，对于微波毫米波设备的频率要求越来越高，然而，传统的矩形波导耦合器和微带耦合器在高频损耗较大，限制了其在高频的应用。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)的出现则较好地解决了以上问题，基片集成波导利用金属过孔在介质板中实现波导的场传播模式，结合了传统波导和微带传输线两者的优点，是一种高性能的微波毫米波平面电路。然而，随着频率的增高，基片集成波导的性能也会下降。

2009年，一种更适用于高频的波导结构被提出来，即间隙波导(Gap Waveguide,GW)。间隙波导包括两层结构：PEC层和PEC/PMC层，两层结构被小于1/4波长的空气间隙隔开。在PEC/PMC层中，高阻抗的EBG结构阵列围绕着金属脊，仅仅准TEM模式的电磁波可以沿着金属脊传播。间隙波导相比其他波导的主要优势是低损耗，不需要电连接，具有良好的金属屏蔽作用。

目前，基于SIW结构和间隙波导(GW)结构设计出了多款耦合器。基于SIW的耦合器形式主要有：(1)两个SIW并列，通过孔耦合；(2)两个耦合器交叉排列在单层介质板上；(3)两个SIW以交叉或者重叠的形式上下排列，通过缝隙耦合；(4)两个SIW并列，以传输线耦合的形式设计；(5)两个SIW垂直放置，通过缝隙耦合。基于间隙波导的耦合器设计主要有两种类型：一种是基于孔耦合理论的波导耦合器；另一种为将耦合器以传导脊的形式设计在间隙波导中。但是，基于SIW的耦合器依然存在着空间辐射和表面波的问题，而间隙波导耦合器的尺寸则较大，不适合集成。

2012年，微带间隙波导被设计出来以满足通信系统小型化的需求。近年来，张晶[1-2]等学者利用介质板代替了微带间隙波导中的空气间隙，设计出了基片集成间隙波导结构，实现了更稳定的间隙高度，和更高的性能。由于基片集成间隙波导的高性能，将其应用于微波毫米波器件的设计中，也是一种必然的趋势。

本发明首次将基片集成间隙波导技术用于定向耦合器的设计，解决了SIW耦合器和GW耦合器存在的问题，同时实现了宽带宽和较高的隔离度。

本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

参考文献

[1]J.Zhang,X.P.Zhang,and D.Y.Shen,“Design of Substrate Integrated GapWaveguide”,in 2016IEEE MTT-S Microw.Symp,San Francisco,CA,USA,August 2016.

[2]J.Zhang,X.P.Zhang,A.A.Kishk,“Study of Bend Discontinuities inSubstrate Integrated Gap Waveguide”,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett,vol.27,no.3,pp.221-223,Mar.2017.

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，设计出一种基于基片集成间隙波导的耦合器。

一种基于基片集成间隙波导的耦合器，包括：上层介质板，下层介质板，其中：a、上层介质板是一块带有两个矩形槽的长方形介质板，其上表面印刷有金属地，下表面印刷有耦合微带线；耦合微带线的中间位置开有一个第一矩形缝隙；耦合微带线的四个端口分别为第一端口，第二端口，第三端口和第四端口；第一端口为输入端口，第二端口为直通端口，第三端口为耦合端口，第四端口为隔离端口；

b、下层介质板的下表面印刷有金属地，上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片和第二圆形金属贴片，H型耦合微带线；下层介质板上打有周期性第二金属过孔、第一金属过孔和第三金属过孔；H型耦合微带线的中间位置开有第二矩形缝隙；H型耦合微带线通过第一金属过孔与金属地相连；

c、第一圆形金属贴片与第二金属过孔构成第一种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第二金属过孔与金属地连接；第二圆形金属贴片与第三金属过孔构成第二种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第三金属过孔与金属地连接；第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线的两侧；第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线的中间；

d、下层介质板的上表面与上层介质板的下表面紧密连接；上层介质板下表面的耦合微带线与下层介质板上表面的H型耦合微带线重合连接；第一矩形缝隙和第二矩形缝隙重合。

如上所述，上层介质板为基片集成间隙波导的间隙层；下层介质板为基片集成间隙波导的过孔层；第一金属过孔和H型耦合微带线构成基片集成间隙波导的传导脊，实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。

如上所述，第一端口输入激励信号；第二端口的信号由第一端口直通过去；第三端口的信号由两路同相信号叠加，与第二端口的幅度相同，但相差90度；第四端口的信号为两路反相等幅信号叠加，相消后使第四端口没有信号输出。

如上所述，耦合微带线上的第一矩形缝隙与H型耦合微带线上的第二矩形缝隙的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度，尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。

如上所述，第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同，但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大，降低了回波损耗，同时提高了隔离度。

如上所述，调整上两层介质板厚度的比值，可以调整耦合器的工作频率；下层介质板的厚度比上层介质板的厚度大时，耦合器的上下截止频率降低。

如上所述，下层介质板的介电常数比上层介质板的介电常数大，使耦合器的上下截止频率下移。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、解决了传统微带耦合器在高频应用高损耗的问题；

2、尺寸小，剖面低，易集成；

3、具有较高的隔离度；

4、具有较宽的带宽。

附图说明

图1为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器的整体结构图。

图2为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器上层介质板的上表面图。

图3为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器上层介质板的下表面图。

图4为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器下层介质板的上表面图。

图5为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器下层介质板的下表面图。

图6为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器的S参数仿真结果图。

图7为本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器的直通端与耦合端的相位差仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进一步详细地说明。

如图1-5所示，一种基于基片集成间隙波导的耦合器，包括：上层介质板5，下层介质板6，其中：

a、上层介质板5是一块带有两个矩形槽的长方形介质板，其上表面印刷有金属地，下表面印刷有耦合微带线13；耦合微带线13的中间位置开有一个第一矩形缝隙7；耦合微带线13的四个端口分别为第一端口1，第二端口2，第三端口3和第四端口4；第一端口1为输入端口，第二端口2为直通端口，第三端口3为耦合端口，第四端口4为隔离端口；

b、下层介质板6的下表面印刷有金属地，上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片9和第二圆形金属贴片15，H型耦合微带线12；下层介质板6上打有周期性第二金属过孔10、第一金属过孔11和第三金属过孔14；H型耦合微带线12的中间位置开有第二矩形缝隙8；H型耦合微带线12通过第一金属过孔11与金属地相连；

c、第一圆形金属贴片9与第二金属过孔10构成第一种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第二金属过孔10与金属地连接；第二圆形金属贴片15与第三金属过孔14构成第二种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第三金属过孔14与金属地连接；第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线12的两侧；第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线12的中间；

d、下层介质板6的上表面与上层介质板5的下表面紧密连接；上层介质板5下表面的耦合微带线13与下层介质板6上表面的H型耦合微带线12重合连接；第一矩形缝隙7和第二矩形缝隙8重合。

如上所述，上层介质板5为基片集成间隙波导的间隙层；下层介质板6为基片集成间隙波导的过孔层；第一金属过孔11和H型耦合微带线12构成基片集成间隙波导的传导脊，实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。

如上所述，第一端口1输入激励信号；第二端口2的信号由第一端口1直通过去；第三端口3的信号由两路同相信号叠加，与第二端口2的幅度相同，但相差90度；第四端口4的信号为两路反相等幅信号叠加，相消后使第四端口4没有信号输出。

如上所述，耦合微带线13上的第一矩形缝隙7与H型耦合微带线12上的第二矩形缝隙8的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度，尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。

如上所述，第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同，但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大，降低了回波损耗，同时提高了隔离度。

如上所述，调整上两层介质板厚度的比值，可以调整耦合器的工作频率；下层介质板6的厚度比上层介质板5的厚度大时，耦合器的上下截止频率降低。

如上所述，下层介质板6的介电常数比上层介质板5的介电常数大，使耦合器的上下截止频率下移。

如上所述，耦合器整体尺寸为53mm×36.2mm×0.508mm；上层介质板5采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料，下层介质板6是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。

图6所示的S参数仿真结果表明，在23.59GHz-29GHz频段，本发明一种基于基片集成间隙波导的耦合器具有S14低于-20dB的隔离特性，S11大部分低于-20dB，小部分低于-18dB的阻抗特性，以及S12和S13为3.4dB-4.2dB的传输特性；图7所示的直通端口2和耦合端口3的相位差结果表明，该耦合器是正交的。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于基片集成间隙波导的耦合器，其特征在于包括上层介质板(5)，下层介质板(6)，其中：

上层介质板(5)的上表面印刷有金属地，下表面印刷有耦合微带线(13)；耦合微带线(13)的中间位置开有一个第一矩形缝隙(7)；耦合微带线(13)的四个端口分别为第一端口(1)，第二端口(2)，第三端口(3)和第四端口(4)；第一端口(1)为输入端口，第二端口(2)为直通端口，第三端口(3)为耦合端口，第四端口(4)为隔离端口；

下层介质板(6)的下表面印刷有金属地，上表面印刷有周期性的第一圆形金属贴片(9)和周期性的第二圆形金属贴片(15)、H型耦合微带线(12)；下层介质板(6)上打有周期性的第二金属过孔(10)、周期性的第一金属过孔(11)和周期性的第三金属过孔(14)；H型耦合微带线(12)的中间位置开有第二矩形缝隙(8)；H型耦合微带线(12)通过第一金属过孔(11)与金属地相连；

第一圆形金属贴片(9)与第二金属过孔(10)构成第一种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第二金属过孔(10)与金属地连接；第二圆形金属贴片(15)与第三金属过孔(14)构成第二种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第三金属过孔(14)与金属地连接；第一种蘑菇型EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的两侧；第二种蘑菇型EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的中间；

下层介质板(6)的上表面与上层介质板(5)的下表面紧密连接；上层介质板(5)下表面的耦合微带线(13)与下层介质板(6)上表面的H型耦合微带线(12)重合连接；第一矩形缝隙(7)和第二矩形缝隙(8)重合；

第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同，第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种蘑菇型EBG结构阵列的周期大。

2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成间隙波导的耦合器，其特征在于：上层介质板(5)为基片集成间隙波导的间隙层；下层介质板(6)为基片集成间隙波导的过孔层；第一金属过孔(11)和H型耦合微带线(12)构成基片集成间隙波导的传导脊，所述传导脊实现所述耦合器的耦合功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于基片集成间隙波导的耦合器，其特征在于：下层介质板(6)的厚度比上层介质板(5)的厚度大，耦合器的上下截止频率降低。

4.根据权利要求1所述的一种基于基片集成间隙波导的耦合器，其特征在于：下层介质板(6)的介电常数比上层介质板(5)的介电常数大，耦合器的上下截止频率下移。

5.根据权利要求1所述的一种基于基片集成间隙波导的耦合器，其特征在于：耦合器的整体尺寸为53mm×36.2mm×0.508mm；上层介质板(5)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料，下层介质板(6)是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。

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