CN109755711A - 双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，该宽带滤波耦合器包括堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，顶层介质基片和底层介质基片之间设置有中间层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；顶层介质基片和底层介质基片上设置有一排金属化通孔，该排金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔与中间层金属层、底层介质基片、底层金属层构成第二半模基片集成波导。本发明有很好的滤波效应，在不改变耦合器体积的前提下引入滤波响应，使得其应用在系统中时不需要插入额外滤波器，从而减小了整个系统的体积和插入损耗。

Description

双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器

技术领域

本发明涉及一种双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，可用于微波技术领域。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，人们对通信系统多频段、大容量等方面提出了更多的要求。耦合器由于很容易实现任意功率的功分作用在微波技术领域有着广泛的应用。耦合器作为核心器件被广泛运用于微波无线通信系统和雷达探测系统之中，然而在实际应用中，传统的波导小孔耦合器是立体结构、体积大、不易于集成；后来的基于基片集成波导技术的耦合器带外抑制极差，应用到系统中需要级联额外的滤波器，如图1所示，这一级联引入的滤波器和级联传输线都增大了整个系统的体积和损耗，不利于整个系统的小型化和性能优化，极大地限制了耦合器适用范围。

半模基片集成波导技术使得微波器件有了更广阔的发展。半模基片集成波导技术具有体积小、重量轻、高品质因数、低插入损耗、高集成度、大功率容量等特点，相对于基片集成波导进一步缩小了电路面积，更利于小型化电路的设计。同时半模基片集成波导作为一种高通传输线，可以直接和低通结构组合而成带通结构，十分利于滤波器件的设计。在半模基片集成波导电路中，缺陷地结构是一种常用的带通滤波器结构。缺陷地结构本身是一种低通结构，并通过自身的谐振产生一个传输零点，从而增加滤波器的矩形系数，结合半模基片集成波导本身的高通特性，可以组合成一个性能很好的带通滤波器。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，包括堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片，其中，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，顶层介质基片和底层介质基片之间设置有中间层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；

顶层介质基片和底层介质基片上设置有一排金属化通孔，该排金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔与中间层金属层、底层介质基片、底层金属层构成第二半模基片集成波导；

顶层介质基片的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导上表面金属层两端连接的第一微带线和第二微带线；底层介质基片的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导下表面金属层两端连接的第三微带线和第四微带线；

顶层金属层上开有一排两个“工”字形槽，两个槽与金属化通孔平行，

中间层金属层上还开有一排圆孔，该排圆孔与金属化通孔平行，且相邻两个圆孔的圆心之间的间距相等。

优选地，所述顶层金属层上的一排“工”字形槽位于半模基片集成波导中心处，且槽结构中心对称。

优选地，所述顶层金属层上的一排“工”字形槽个数N≥2。

优选地，所述中间层金属层上的一排圆孔位于半模基片集成波导的中心处。

优选地，所述中间层金属层上的一排圆孔数N≥5。

优选地，所述中间层金属层上的一排圆孔中，任意两个相邻圆孔的圆心之间间距为四分之一工作波长。

优选地，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别通过一个梯形微带贴片的阻抗转换结构与半模基片集成波导的金属层连接。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该技术方案结合了微带结构的HMSIW平面耦合器结构，克服了传统波导耦合器立体结构大，难于集成的特点，同时克服了传统耦合器带外抑制差、需要级联额外滤波器的缺点，在微波集成化、小型化电路中具有重要的应用价值。本发明通过研究平面化双层滤波耦合器，扩大该平面化双层滤波耦合器在现代微波毫米波电路集成中的应用。

本发明设计结构简单，3-dB耦合工作带宽大，其双层结构与传统立体、多层结构耦合器相比更适合应用于现代微波毫米波电路集成中；同时，采用半模基片集成波导技术，结构十分紧凑，减少了加工难度，降低了加工成本。

本发明将滤波响应集成到耦合器之中，相对于传统的滤波器级联耦合器技术，本发明体积小、插损低。相对于只能输出同相/反相信号的基片集成波导谐振腔的滤波环形耦合器技术，本发明规避了谐振腔技术从而使得工作带宽更宽，同时可以输出正交信号，使得滤波耦合器技术在一些正交系统中能够得到应用。

附图说明

图1为现有技术中传统耦合器应用在系统中的级联滤波器示意图。

图2是本发明的双层半模基片集成波导示意图。

图3是本发明小型化双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器应用在系统中的示意图。

图4是本发明小型化双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器的三维结构示意图。

图5是本发明小型化双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器的三维剖分图。

图6是本发明小型化双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器的俯视图。

图7是本发明耦合器的S参数仿真结果。

图8是本发明耦合器的S参数实测结果。

图9是本发明耦合器的直通端与耦合端相位差仿真与实测结果对比。

图10是本发明未引入缺陷地结构时的S参数仿真结果。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，如图2、图3、图4和图5所示，包括堆叠放置的顶层介质基片2和底层介质基片3，其中，顶层介质基片2的上表面设置有顶层金属层6，顶层介质基片2和底层介质基片3之间设置有中间层金属层16，底层介质基片3的下表面设置有底层金属层7。

堆叠放置的顶层介质基片2和底层介质基片3上设置有一排金属化通孔1，该排金属化通孔包括至少20个依次按序排列设置的金属化通孔。该排金属化通孔1与顶层金属层6、顶层介质基片2、中间层金属层16构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔1与中间层金属层16、底层介质基片3、底层金属层构7成第二半模基片集成波导。

顶层介质基片的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导上表面金属层两端连接的第一微带线12、第二微带线15；底层介质基片的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导下表面金属层两端连接的第三微带线13、第四微带线14。

第一微带线12、第二微带线15、第三微带线13和第四微带线14分别通过一个梯形微带贴片的第一阻抗转换结构8、第二阻抗转换结构9、第三阻抗转换结构10、第四阻抗转换结构11与半模基片集成波导的金属层连接，作为本发明耦合器的输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。所述第一微带线12为耦合器的输入端，所述第二微带线15为直通端口，所述第三微带线13为隔离端，所述第四微带线14为耦合端。

顶层金属层上开有一排两个“工”字形槽5，每个所述工字形槽均与金属化通孔1平行。顶层金属层上的一排“工”字形槽位于半模基片集成波导中心处，槽结构中心对称且槽个数N≥2。中间层金属层上还开有一排圆孔4，该排圆孔与金属化通孔1平行，且任意两个相邻耦合孔的圆心之间的间距相等，间距为四分之一工作波长。中间层金属层上的这一排圆孔位于半模基片集成波导的中心处，且圆孔数N≥5。

本发明的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，是一种由波导宽壁小孔耦合器改进的小型化双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器。本发明耦合器是由两块相同的半模基片集成波导通过接触组合而成的双层电路，改进的微带到半模基片集成波导的过渡电路通过梯形渐变(梯形微带贴片)的阻抗转换结构接入半模基片集成波导。本发明在上层半模基片集成波导表面蚀刻了两个缺陷地结构来实现带外抑制的目的，在半模基片集成波导的公共地平面上开了一排5个圆形小孔来实现小孔耦合的目的，并最终实现了宽带3-dB的强耦合效果。

其中，半模基片集成波导是通过在介质基片上设计一系列金属化通孔实现的，半模基片集成波导的大小还有金属化通孔的尺寸和通孔之间的距离由工作频段决定。本发明能顺利实现双层半模基片集成波导之间的3-dB耦合并在带外有着很好的抑制，同时实现了直通端与耦合端之间的90°相移，相对于同等技术的基片集成波导耦合器，本发明在减小耦合器面积的同时提高了耦合器的带宽并增加了额外的滤波性能，制作工艺简单，成本低廉。

本发明中，两块半模基片集成波导上下对齐放置，如图2所示，该双层半模基片集成波导由上至下依次包含顶层金属层、介质基片、中间层金属层、介质基片和底层金属层，在它的长边均匀分布着一排金属化通孔。顶层金属层和介质基片均采用Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.5毫米；介质基片采用Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.5毫米。

如图4和图5所示，在顶层半模基片集成波导的上表面上蚀刻2个“工”字槽，形成滤波结构，给整个耦合器引入滤波响应；在双层半模基片集成波导的公共面上开孔，上下两层半模基片集成波导中的能量通过一排小孔进行耦合。在本发明的耦合器中，耦合小孔在保持固定圆心距离的基础之上被放置于整个半模基片集成波导的中心，以达到最强的耦合效果。从俯视图上来看，“工”字槽蚀刻在中心圆孔的两侧，这样可以尽量减少滤波结构和耦合结构之间的干扰，在不影响耦合性能的基础上引入额外的滤波响应。四条微带线分别连接两块半模基片集成波导的两端，作为该耦合器的输入端、直通端、耦合端以及隔离端。四条微带线和半模基片集成波导之间通过一个梯形微带贴片连接，以实现阻抗匹配，四条微带线的阻抗均为50欧姆。

本发明的耦合器在实际制作时，如图5和6所示，可以将部分介质基片切除，以方便SMA接头的焊接；还可以在介质基片的边缘打孔，通过螺丝与螺母将两层介质基片固定在一起。

图7和图8为本发明耦合器的仿真和实测结果，图7和图8的横坐标表示频率，纵坐标表示该耦合器的S参数性能。从图7和图8的仿真结果可知，本发明耦合器的3-dB耦合带宽为6.7GHz～10.9GHz，中心频率为8.8GHz，相对带宽为47％。上阻带为12.7GHz-16.1GHz且在14，15.1和15.8GHz三个频点产生了传输零点。输入端口的回波损耗大于15dB。输入端和隔离端的隔离度为15dB以上，隔离效果非常好。图9为本发明直通端口与耦合端口之间相位差的仿真与实测结果，其中横坐标表示频率，纵坐标表示相位差。从图9中的仿真结果可以看出直通端和耦合端在工作频段内的相位差为85.6°±2.4°(90°为标准正交)，实测结果与仿真结果基本吻合，满足3-dB耦合器的正交输出要求。

图10为本发明未引入滤波响应时的仿真情况，通过和图7的对比，发现本发明显著改善了12-17GHz的带外抑制性能，得到了一个宽带的滤波耦合器；同时，除了带外抑制以外，本发明滤波耦合器的相对工作带宽相对于没有滤波性能的传统耦合器也增加了10％，这是由于缺陷地结构在引入低通响应的同时，对中间的耦合小孔和两侧的耦合小孔起到了一个隔离的作用，减少了相邻耦合小孔之间的互耦效应。因此本发明引入的缺陷地结构，在工作带宽和带外抑制两方面都对原有半模基片集成波导耦合器进行了提升。

本发明在上层半模基片集成波导表面蚀刻了两个缺陷地结构来实现带外抑制的目的；本发明在半模基片集成波导的中间公共金属层上开了一排圆形小孔来实现小孔耦合的目的，并最终实现了宽带强耦合的效果；其中，半模基片集成波导是通过在印刷电路板上设计一系列金属过孔实现的。

本发明能顺利实现一个宽带强耦合的小孔耦合器的性能，并实现正交输出；更重要的，本发明有着很好的滤波效应，带外有明显的传输零点和传输阻带。相对于同等技术的基片集成波导耦合器，本发明在不改变耦合器体积的前提下引入滤波响应，使得其应用在系统中时不需要插入额外滤波器，从而减小了整个系统的体积和插入损耗，制作工艺简单，成本低廉。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于：包括堆叠放置的顶层介质基片和底层介质基片，其中，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，顶层介质基片和底层介质基片之间设置有中间层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；

顶层介质基片和底层介质基片上设置有一排金属化通孔，该排金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层构成第一半模基片集成波导，该排金属化通孔与中间层金属层、底层介质基片、底层金属层构成第二半模基片集成波导；

顶层介质基片的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导上表面金属层两端连接的第一微带线和第二微带线；底层介质基片的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导下表面金属层两端连接的第三微带线和第四微带线；

顶层金属层上开有一排两个“工”字形槽，两个槽与金属化通孔平行，

中间层金属层上还开有一排圆孔，该排圆孔与金属化通孔平行，目相邻两个圆孔的圆心之间的间距相等。

2.根据权利要求1所述的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于：所述顶层金属层上的一排“工”字形槽位于半模基片集成波导中心处，且槽结构中心对称。

3.根据权利要求1所述的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于：所述顶层金属层上的一排“工”字形槽个数N≥2。

4.根据权利要求1所述的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于，所述中间层金属层上的一排圆孔位于半模基片集成波导的中心处。

5.根据权利要求1所述的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于：所述中间层金属层上的一排圆孔数N≥5。

6.根据权利要求1所述的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于：所述中间层金属层上的一排圆孔中，任意两个相邻圆孔的圆心之间间距为四分之一工作波长。

7.根据权利要求1所述的双层半模基片集成波导宽带滤波耦合器，其特征在于：所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别通过一个梯形微带贴片的阻抗转换结构与半模基片集成波导的金属层连接。