CN110061337B - 基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其包括上层介质板、下层介质板以及设置在上层介质板和下层介质板之间的间隔介质板；上层介质板的上表面印刷有第一接地金属层；间隔介质板的上表面印刷有H型耦合微带线，H型耦合微带线的四个支节的外侧均向外延伸并连接有星型贴片，H型耦合微带线的中心位置设有矩形缝隙；下层介质板的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片，下层介质板的下表面印刷有第二接地金属层，每一圆形金属贴片上设有贯穿下层介质板的金属过孔，金属过孔连接第二接地金属层。本发明能够实现宽带宽，较低损耗和较高隔离度。
Description
技术领域
本发明涉及耦合器技术领域，特别是涉及基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是一种重要的微波/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5G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，即间隙波导(Gap Waveguide,GW)。间隙波导包括两层结构：PEC(理想电导体)层和PEC/PMC(理想磁导体)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(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)结构阵列围绕着金属脊，只有准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。
2016年以来，集成基片间隙波导结构(原名基片集成间隙波导)实现了平面脊间隙波导，在微波毫米波器件平面化实现方面取得了新进展，性能更加稳定可靠。与此同时，还提出封装型集成基片间隙波导结构，该波导结构，采是由三层介质板组成的封装微带线形式，其优点在微带线的设计更为灵活，不受周围EBG结构的限制。但是，在定向耦合器的应用中，还没有采用封装型集成基片间隙波导结构，目前的定向耦合器存在带宽窄，损耗高和隔离度低的缺点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，能够实现宽带宽，较低损耗和较高隔离度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一接地金属层(11)；所述间隔介质板(2)的上表面印刷有H型耦合微带线(21)，所述H型耦合微带线(21)的四个支节的外侧均向外延伸并连接有星型贴片(22)，所述H型耦合微带线(21)的中心位置设有矩形缝隙(23)；所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二接地金属层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)上设有贯穿下层介质板(3)的金属过孔(33)，所述金属过孔(33)连接第二接地金属层(32)。
优选的，所述星型贴片(22)包括半径为预设长度的圆形金属主体(221)，所述圆形金属主体(221)的圆心处设有第一六角星缝隙(222)，所述圆形金属主体(221)在距离圆心二分之一预设长度处设有6个围绕圆心呈圆周分布的第二六角星缝隙(223)，所述圆形金属主体(221)的边缘设有24个呈圆周分布的六角星贴片(224)。
优选的，所述第一六角星缝隙(222)相邻两个尖角顶点的距离为预设长度的八分之一。
优选的，所述上层介质板(1)和间隔介质板(2)均采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料；所述下层介质板(3)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料。
优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的长度和宽度相同。
优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过采用三层介质板，其中上层介质板的上表面印刷有接地金属层，间隔介质板的上表面印刷有带星型贴片的H型耦合微带线，下层介质板的上表面印刷有周期性排列的金属圆形贴片，金属圆形贴片上打有金属过孔，通过这种方式，从而能够实现宽带宽，较低损耗和较高隔离度。
附图说明
图1是本发明实施例的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器的结构示意图。
图2是图1所示的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器的间隔介质板的俯视示意图。
图3是图2所示的间隔介质板上的星型贴片的放大示意图。
图4是图1所示的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器的下层介质板的俯视示意图。
图5是图1所示的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器的下层介质板的仰视示意图。
图6是图1所示的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器的S参数仿真结果图。
图7是图1所示的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器的直通端口与耦合端口的相位差仿真结果图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1至图5，本发明实施例的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器包括上层介质板1、下层介质板3以及设置在上层介质板1和下层介质板3之间的间隔介质板2。
上层介质板1的上表面印刷有第一接地金属层11。
间隔介质板2的上表面印刷有H型耦合微带线21，H型耦合微带线21的四个支节的外侧均向外延伸并连接有星型贴片22，H型耦合微带线21的中心位置设有矩形缝隙23。其中，间隔介质板2用于分隔上层介质板1和下层介质板3，使上层介质板1和下层介质板3之间形成间隙。上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起或通过螺钉固定在一起。
下层介质板3的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片31，下层介质板3的下表面印刷有第二接地金属层32，每一圆形金属贴片31上设有贯穿下层介质板3的金属过孔33，金属过孔33连接第二接地金属层32。
每一圆形金属贴片31与其上金属过孔33构成蘑菇型EBG结构，这样，下层介质板3上就都形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。
H型耦合微带线21的四个支节上连接的星型贴片22用于调节阻抗匹配和隔离度，通过调整星型贴片22的位置可以改变定向耦合器的性能。在本实施例中，如图3所示，星型贴片22包括半径为预设长度R的圆形金属主体221，圆形金属主体221的圆心处设有第一六角星缝隙222，圆形金属主体221在距离圆心二分之一R处设有6个围绕圆心呈圆周分布的第二六角星缝隙223，圆形金属主体221的边缘设有24个呈圆周分布的六角星贴片224。在实际应用中，第一六角星缝隙222相邻两个尖角顶点的距离为R的八分之一。
本实施例的定向耦合器中，下层介质板3上的蘑菇型EBG结构阵列会对H型耦合微带线21进行封装。
如图1所示，本实施例的定向耦合器在工作时，H型耦合微带线21的四个支节的端部分别作为四个端口，当第一端口D1输入信号时，第二端口D2为直通端口，第三端口D3为耦合端口，第四端口D4为隔离端口，没有信号输出；第二端口D2的输出信号与第三端口D3的输出信号相差90度。
为了详细说明本实施例的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板1和间隔介质板2均采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料；下层介质板3采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料。上层介质板1、间隔介质板2和下层介质板3的长度和宽度相同。通过仿真及测试得到测试结果，图6所示的S参数仿真结果表明，在20GHz-26.5GHz频带内，基本都可以达到23dB的隔离度；图7所示的直通端口D2和耦合端口D3的相位差结果表明，该耦合器是正交的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；
所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一接地金属层(11)；
所述间隔介质板(2)的上表面印刷有H型耦合微带线(21)，所述H型耦合微带线(21)的四个支节的外侧均向外延伸并连接有星型贴片(22)，所述H型耦合微带线(21)的中心位置设有矩形缝隙(23)；
所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二接地金属层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)上设有贯穿下层介质板(3)的金属过孔(33)，所述金属过孔(33)连接第二接地金属层(32)；
所述星型贴片(22)包括半径为预设长度的圆形金属主体(221)，所述圆形金属主体(221)的圆心处设有第一六角星缝隙(222)。
2.根据权利要求1所述的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述圆形金属主体(221)在距离圆心二分之一预设长度处设有6个围绕圆心呈圆周分布的第二六角星缝隙(223)，所述圆形金属主体(221)的边缘设有24个呈圆周分布的六角星贴片(224)。
3.根据权利要求2所述的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第一六角星缝隙(222)相邻两个尖角顶点的距离为预设长度的八分之一。
4.根据权利要求1所述的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述上层介质板(1)和间隔介质板(2)均采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料；所述下层介质板(3)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料。
5.根据权利要求4所述的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的长度和宽度相同。
6.根据权利要求5所述的基于封装型集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起。
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