CN109616730A - 一种超宽带小型化折叠式三层耦合器 - Google Patents

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王柠琳
李修贤
周波
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Nanjing Post and Telecommunication University
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Abstract

本发明公开了一种超宽带小型化折叠式三层耦合器，所述耦合器包括顶层、中间层和底层，且所述中间层设置在所述顶层和底层之间，用于隔离所述顶层和所述底层；其中，所述中间层通过微带线连接所述顶层和底层，且在所述中间层上开设有用于过渡连接所述顶层和所述底层的缺陷结构；所述顶层和所述底层均由传输线构成，且所述顶层和底层的所述传输线均由相同数量边长为四分之一所述耦合器中心频率波长的矩形构成，所述顶层上的矩形传输线和底层上的矩形传输线通过垂直过孔穿过缺陷结构连接在一起，垂直过孔的形状和大小与缺陷结构适配设置；本发明的耦合器在增加宽度的同时减少了耦合器整体的尺寸，且制造成本低，具有良好的推广应用前景。

Description

一种超宽带小型化折叠式三层耦合器
技术领域
本发明属于电子器件领域，具体涉及一种超宽带小型化折叠式三层耦合器。
背景技术
等功分耦合器或分支线耦合器是微波电路的基本元件，应用于平衡放大器，平衡混频器，移相器和阵列天线的波束型网络。传统的等功分单节耦合器有15％的相对带宽，功率平衡度在0.5dB以内。使用耦合线和多节结构可以增加带宽。然而，使用耦合线的耦合器很难在微波单片集成电路(MMIC)上实现，并且多节耦合器由于其平面结构而占据较大尺寸。但是，使用耦合线的混合电路在集成电路上实现的成本比较高，不易于推广；而现有的多节耦合器，由于其多节结构占用了较大的空间，很多器件上无法适用，故也难以广泛运用。
发明内容
本发明目的是针对上述所提现有的多节耦合器制造成本高，以及体积较大的问题，提出一种超宽带小型化折叠式三层耦合器，该耦合器能够增加带宽，并有效减小耦合器的整体尺寸，具体技术方案如下：
一种超宽带小型化折叠式三层耦合器，所述耦合器包括顶层、中间层和底层，且所述中间层设置在所述顶层和底层之间，用于隔离所述顶层和所述底层；其中，所述中间层通过微带线连接所述顶层和底层，且在所述中间层上开设有用于过渡连接所述顶层和所述底层的缺陷结构；所述顶层和所述底层均由传输线构成，且所述顶层和底层的所述传输线均由相同数量边长为四分之一所述耦合器中心频率波长的矩形构成，所述顶层上的所述矩形传输线和所述底层上的所述矩形传输线通过垂直过孔穿过缺陷结构连接在一起，所述垂直过孔的形状和大小与所述缺陷结构适配设置。
进一步的，所述中间层由所述垂直过孔和缺陷结构构成，且所述垂直过孔穿过所述缺陷结构设置。
进一步的，所述耦合器的整体尺寸大小为21mm×14mm。
进一步的，所述耦合器的工作频率为3.1GHz～10.6GHz。
本发明的超宽带小型化折叠式三层耦合器，通过将耦合器折叠式设计，分成顶层、中间层和底层三部分，将中间层设置在顶层和底层之间，并且在顶层和底层中均由矩形传输线构成，通过在中间层开设缺陷结构通过垂直过孔来连接底层和顶层的矩形传输线；同时，中间层属性为地，起到顶层与底层间的隔离作用，因此顶层与底层之间没有耦合效应；与现有技术相比，本发明将耦合器折叠设计可有效减小耦合器的整体尺寸，同时，增加了耦合器的有效带宽，实现了耦合器的超带宽特性，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例中所述超宽带小型化折叠式三层耦合器的结构图示意；
图2为传统的二维平面多节耦合器拓扑图示意；
图3为本发明实施例中所述超宽带小型化折叠式三层耦合器的拓扑图示意；
图4为本发明实施例中所述超宽带小型化折叠式三层耦合器顶层的传输线结构图示意；
图5、图6和图7为传统的二维平面多节耦合器与本发明的多节折叠式超带宽小型化折叠式耦合器的S参数图结果对比示意；
图8为本发明实施例中所述超宽带小型化折叠式三层耦合器的直通端和耦合端的相位差图示意。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参阅图1，在本发明实施例中，提供了一种超宽带小型化折叠式三层耦合器，所述耦合器包括顶层、中间层和底层，且中间层设置在顶层和底层之间，用于隔离顶层和底层；另外，中间层通过微带线连接顶层和底层，且在中间层上开设有用于过渡连接顶层和底层的缺陷结构；优选的，顶层和底层均由传输线构成，且顶层和底层的传输线均由相同数量边长为四分之一耦合器中心频率波长的矩形构成，顶层上的矩形传输线和底层上的矩形传输线通过垂直过孔穿过缺陷结构连接在一起；为了保证整个耦合器的紧凑性，本发明将垂直过孔的形状和大小与缺陷结构适配设置，这样有利于整个耦合器尺寸的减小。
优选的，本发明中的中间层由垂直过孔和缺陷结构构成，且垂直过孔穿过缺陷结构设置。
参阅图2、图3和图4，本发明通过公式来计算耦合器的奇偶模，式中，其中，a，b，g，h和i是两级级联等功分耦合器每条支路的阻抗；假设耦合器无损且S11＝S41＝0，阻抗变换两段耦合器的设计方程由下式给出：其中t2＝(1+k2)r，Z1和Z2分别是两段的输入和输出阻抗，r是阻抗变换比，k2是端口2和端口3之间的功率分配比；为了实现工作频率在3.1GHz～10.6GHz的耦合器，本发明采用级联七级四分之一波长微带线来满足超宽带的要求，具体描述如下：
本发明假设耦合器无损且S11＝S41＝0，采用CAD进行计算和优化，得到耦合器中各支路的阻抗为：a＝f＝34.5Ω，b＝e＝30.2Ω，c＝d＝28.4Ω，g＝m＝41.6Ω，h＝l＝28.4Ω，i＝k＝32.2Ω和j＝25Ω；耦合器中每一节传输线构成的矩形边长取耦合器中心频率波长的四分之一，然后将三个边长为四分之一波长的第一节、第二节和第三节传输线印制在双层PCB基板的顶部，另外，将第五节、第六节和第七节传输线蚀刻在PCB基板的底部，并通过中间层上的缺陷结构和垂直过孔将顶层和底层连接起来，以实现耦合器整体尺寸的减少；二维平面耦合器分支线长为43mm，而本发明耦合器的长度为21mm，且每个分支的优化宽度为：Wa＝Wf＝0.27mm，Wb＝We＝0.33mm，Wc＝Wd＝0.36mm,Wg＝Wm＝0.2mm，Wh＝Wl＝0.36mm，Wi＝Wk＝0.3mm和Wj＝0.43mm，通过本发明的折叠式耦合器可减少相同带宽调节下二维平面耦合器尺寸的50％。
为了保证通过缺陷结构的垂直过孔的稳定性，本发明还分别在垂直过孔与顶层、中间层和底层连接位置处设置有过孔托盘，用于固定垂直过孔，优选的，本实施例中，将顶层、中间层和底层上开设的所述过孔托盘的半径R全都设置为为0.42mm，缺陷结构的半径r均设置为0.29mm；当然，对此本发明并未进行限制和固定，在其他实施例中，可根据实际情况进行设计。
结合图5、图6和图7，图示均为本发明超宽带小型化折叠式三层耦合器与传统二维平面多节耦合器的S参数仿真结果对比示意，从仿真结果可以看出本发明的耦合器从3.1GHz到10.6GHz范围内的S11与S41分别优于二维平面结构耦合器的10dB和9dB，达到了带宽相同性能更佳的特点；但与平面多节耦合器相比，本发明平均插入损耗和隔离度分别恶化0.5dB和4dB，这是由于传输线从顶层通过缺陷结构连接底层的不连续性而导致的。
参阅图8，图示为本发明超宽带小型化折叠式三层耦合器的直通端与耦合端相位差仿真结果示意，从中可知，在频率3.1GHz到10.6GHz的带宽范围内，该耦合器的相位差小于0.8°，不会因为折叠和增加了中间层而影响耦合器的实际功效，并且在满足超宽带的同时可有效减小耦合器的整体尺寸；优选的，本实施例中六节耦合器的的整体尺寸大小为21mm×14mm。
本发明的超宽带小型化折叠式三层耦合器，通过将耦合器折叠式设计，分成顶层、中间层和底层三部分，将中间层设置在顶层和底层之间，并且在顶层和底层中均由矩形传输线构成，通过在中间层中开设缺陷结构通过垂直过孔来连接底层和顶层的矩形传输线；同时，为了保证顶层和底层之间的正常工作，不会因为耦合效应的发生而影响整个耦合器的功能，将本发明中的中间层属性设置为地；与现有技术相比，本发明将耦合器折叠设计可有效减小耦合器的整体尺寸，同时，增加了耦合器的有效带宽，实现了耦合器的超带宽特性，便于推广应用。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超宽带小型化折叠式三层耦合器，其特征在于，所述耦合器包括顶层、中间层和底层，且所述中间层设置在所述顶层和底层之间，用于隔离所述顶层和所述底层；其中，所述中间层通过微带线连接所述顶层和底层，且在所述中间层上开设有用于过渡连接所述顶层和所述底层的缺陷结构；所述顶层和所述底层均由传输线构成，且所述顶层和底层的所述传输线均由相同数量边长为四分之一所述耦合器中心频率波长的矩形构成，所述顶层上的所述矩形传输线和所述底层上的所述矩形传输线通过垂直过孔穿过缺陷结构连接在一起，所述垂直过孔的形状和大小与所述缺陷结构适配设置。
2.如权利要求1所述的超宽带小型化折叠式三层耦合器，其特征在于，所述中间层由所述垂直过孔和缺陷结构构成，且所述垂直过孔穿过所述缺陷结构设置。
3.如权利要求2所述的超宽带小型化折叠式三层耦合器，其特征在于，所述耦合器的整体尺寸大小为21mm×14mm。
4.如权利要求3所述的超宽带小型化折叠式三层耦合器，其特征在于，所述耦合器的工作频率为3.1GHz～10.6GHz。
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