CN110190370A - 基于SSPPs的四端口差分结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SSPPs的四端口差分结构，属于微波毫米波混合平面集成电路领域，包括上层SSPPs结构、中间层介质基板和下层SSPPs结构，其中上层SSPPs结构附着在中间层介质基板的上表面，下层SSPPs结构附着在中间层介质基板的下表面。该四端口差分结构将左右对称的两个宽带的功分网络相结合形成了一个四端口的功分结构，同时通过添加一个180度的反相器实现共模信号抑制。本发明四端口差分结构设计简单紧凑、电性能好，提高了差模的功分带宽，且易实现与其他平面微波毫米波电路系统的集成，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波混合平面集成电路领域，特别是一种基于SSPPs的四端口差分结构。
背景技术
传统多端口差分结构的设计，基本都是运用微带线传输能量，还会加以复杂的耦合结构，以此来实现在微波毫米波混合集成电路中的应用。如文献“J.W.May andG.M.Rebeiz,A 40–50-GHz SiGe 1:8differential power divider using shieldedbroadside-coupled striplines,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.56,no.7,Jul.2008,pp.1575–1581”以及文献4“J.P.Lu,J.Shi,K.Xu and Q.H.Cao,A microstripdifferential power divider.IEEE International Workshop on Electromagnetics:Applications&Student Innovation Competition IEEE,2016.”都比较详细地介绍了几种多端口功率分配结构，但这些多端口差分结构的主要缺点有：(1)差模功分带宽小于25％，不能满足宽带通信系统需求(2)共模抑制带宽窄(3)传输线对能量的束缚能力较弱。自从2004年英国的Pendry爵士在《Science》杂志上发表的论文中提出一种可以在微波频段模拟表面等离激元的结构，即具有周期性孔结构的金属表面，推动了对人工表面等离激元(SSPPs)的研究。文献“H.F.Ma,X.P.Shen,Q.Cheng,W.X.Jiang,and T.J.Cui.Broadbandand high-efficiency conversion from guided waves to spoof surface plasmonpolaritons,Laser&Photonics Reviews,vol.8,no.1,2014,pp.146-151”以及文献2“Y.H.Feng,W.J.Feng,W.Q.Che,X.K.Ma,W.C.Yang,Q.Xue.Wideband power divider usingdouble-layer periodic spoof surface plasmon polaritons.IEEE Mtt-sInternational Wireless Symposium,2018.”中都详细地介绍了双面平行SSPPs传输线和单层对称SSPPs传输线的特性及应用，由此可知SSPPs传输线具有低损耗，对能量的束缚性强和易于调节等优点，但是目前还没有基于双层SSPPs的多端口差分结构研究，尚存在研究空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种损耗小、共模抑制更优、带宽更宽、结构简单的四端口差分结构。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于SSPPs的四端口差分结构，包括上层SSPPs结构、中间层介质基板和下层SSPPs结构；所述上层SSPPs结构附着在中间层介质基板的上表面，所述下层SSPPs结构附着在中间层介质基板的下表面；
所述中间层介质基板的四边依次设置第一网络端口、第一端口、第二网络端口、第二端口，其中第一端口和第二端口分别位于中间层介质基板的上层和中间层介质基板的下层，第一网络端口和第二网络端口位于同一直线上；
所述第一网络端口和第二网络端口分别与第一双面平行带线和第二双面平带线相连，第一双面平行带线和第二双面平带线的长度均为四分之一波长；第一双面平行带线与第一双面平行过渡传输线通过具有180度反相特性的反相器连接；第二双面平行带线与第二双面平行过渡传输线相连；第一双面平行过渡传输线和第二双面平行过渡传输线分别与第一双面平行SSPPs传输线和第二双面平行SSPPs传输线连接；第一双面平行SSPPs传输线的上层部分和第二双面平行SSPPs传输线的上层部分分别与第一单层SSPPs传输线的一端和第二单层SSPPs传输线的一端相连，第一单层SSPPs传输线的另一端和第二单层SSPPs传输线的另一端相连并与第一单层对称SSPPs传输线的一端相连；第一单层对称SSPPs传输线的另一端与第一单层过渡传输结构相连；第一单层过渡传输结构中位于中间部分的传输线通过第一共面波导与第一端口连接；第一双面平行SSPPs传输线的下层部分和第二双面平行SSPPs传输线的下层部分分别与第三单层SSPPs传输线的一端和第四单层SSPPs传输线的一端连接，第三单层SSPPs传输线的另一端和第四单层SSPPs传输线的另一端相连并与第二单层对称SSPPs传输线的一端相连；第二单层对称SSPPs传输线的另一端和第二单层过渡传输结构相连；第二单层过渡传输结构中位于中间部分的传输线通过第二共面波导与第二端口相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)双面平行带线与双面平行过渡传输线通过反相器相连，改善了共模抑制并提高了共模抑制带宽；2)采用SSPPs传输线，而未采用传统差分结构中复杂的耦合结构，可以减小损耗，且结构带宽更宽；3)与传统的微带线相比，采用SSPPs传输线传输能量，可以增强能量的束缚性，而且调节中心频率和工作频带更加方便。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于SSPPs的四端口差分结构的3D结构示意图。
图2为本发明基于SSPPs的四端口差分结构的上层结构示意图。
图3为本发明基于SSPPs的四端口差分结构的反相器示意图。
图4为本发明基于SSPPs的四端口差分结构的差模信号功分带宽结果图。
图5为本发明基于SSPPs的四端口差分结构的共模信号抑制带宽结果图。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明基于SSPPs的四端口差分结构，包括上层SSPPs结构、中间层介质基板和下层SSPPs结构；所述上层SSPPs结构附着在中间层介质基板的上表面，所述下层SSPPs结构附着在中间层介质基板的下表面。
中间层介质基板的四边依次设置第一网络端口P1、第一端口P2、第二网络端口P3、第二端口P4，其中第一端口P2和第二端口P4分别位于中间层介质基板的上层和中间层介质基板的下层，第一网络端口P1和第二网络端口P3位于同一直线上。
第一网络端口P1和第二网络端口P3分别与第一双面平行带线1和第二双面平带线2相连，第一双面平行带线1和第二双面平带线2的长度均为四分之一波长；第一双面平行带线1与第一双面平行过渡传输线4通过具有180度反相特性的反相器3连接；第二双面平行带线2与第二双面平行过渡传输线5相连；第一双面平行过渡传输线4和第二双面平行过渡传输线5分别与第一双面平行SSPPs传输线6和第二双面平行SSPPs传输线7连接；第一双面平行SSPPs传输线6的上层部分和第二双面平行SSPPs传输线7的上层部分分别与第一单层SSPPs传输线8-1的一端和第二单层SSPPs传输线8-2的一端相连，第一单层SSPPs传输线8-1的另一端和第二单层SSPPs传输线8-2的另一端相连并与第一单层对称SSPPs传输线9的一端相连；第一单层对称SSPPs传输线9的另一端与第一单层过渡传输结构10相连；第一单层过渡传输结构10中位于中间部分的传输线通过第一共面波导11与第一端口P2连接；第一双面平行SSPPs传输线6的下层部分和第二双面平行SSPPs传输线7的下层部分分别与第三单层SSPPs传输线12-1的一端和第四单层SSPPs传输线12-2的一端连接，第三单层SSPPs传输线12-1的另一端和第四单层SSPPs传输线12-2的另一端相连并与第二单层对称SSPPs传输线13的一端相连；第二单层对称SSPPs传输线13的另一端和第二单层过渡传输结构14相连；第二单层过渡传输结构14中位于中间部分的传输线通过第二共面波导15与第二端口P4相连。
进一步地，结合图3，反相器3为双层结构，包括四个金属通孔和四条短枝节传输线，其中四条短枝节传输线分别为第一短枝节传输线17-1、第二短枝节传输线17-2、第三短枝节传输线17-3、第四短枝节传输线17-4，第一短枝节传输线17-1与第二短枝节传输线17-2位于反相器3上层并关于上层中心对称；第三短枝节传输线17-3和第四短枝节传输线17-4位于反相器3下层并关于下层中心对称；第二短枝节传输线17-2通过第一金属通孔16-1和第二金属通孔16-2与第四短枝节传输线17-4相连，第一短枝节传输线17-1通过第三金属通孔16-3和第四金属通孔16-4与第三短枝节传输线17-3相连。
进一步优选地，第一双面平行带线1和第二双面平行带线2的长度和宽度均相等，第一共面波导11和第二共面波导15的长度和宽度均相等，其阻抗值均等于50欧姆。
进一步优选地，第一双面平行过渡传输线4和第二双面平行过渡传输线5长度相同，第一双面平行SSPPs传输线6和第一双面平行SSPPs传输线7长度相同；第一单层对称SSPPs传输线9和第二单层对称SSPPs传输线13长度相同。
进一步优选地，第一单层SSPPs传输线8-1、第二单层SSPPs传输线8-2、第三单层SSPPs传输线12-1以及第四单层SSPPs传输线12-2的长度均相同。
进一步优选地，第一单层过渡传输结构10和第二单层过渡传输结构14长度相同，均包括中间部分的传输线和两边部分的喇叭状金属地。
示例性优选地，中间层介质基板的介电常数取值范围为2～16，高度取值范围为0.1～4mm。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例
本实施例基于SSPPs的四端口差分结构，将双面平行SSPPs传输线和单层对称SSPPs传输线相结合，通过180度的理想宽带移相器，利用网络本身的宽通带和阻带实现了差模信号宽频段的等功率分配和共模信号宽频段的抑制。基于SSPPs的四端口差分结构包括上层SSPPs结构、中间层介质基板和下层SSPPs结构；上层SSPPs结构附着在中间层介质基板的上表面，下层SSPPs结构附着在中间层介质基板的下表面。
本实施例整个中间层介质基板的尺寸是125.2mm*139.2mm*1.575mm，介质基板的介电常数为2.2。图2所示的第一双面平行带线1和第二双面平行带线2的长度为13mm，宽度为6.2mm；第一双面过渡传输线4和第二双面过渡传输线5长度为18.3mm；第一双面SSPPs传输线6和第二双面SSPPs传输线7长度为18.3mm，第一单层SSPPs传输线8-1长度为23.56mm，第一单层对称SSPPs传输线9长度为18mm，第一单层过渡传输结构10的长度为24mm，第一共面波导11的长度为11.8mm；图3所示的反相器3中金属通孔16的直径为0.4mm，反相器3中的缝宽为0.1mm。
由图4可知，第一网络端口P1和第二网络端口P3在输入差模信号的激励时，在第一端口P2和第二端口P4实现差模信号等功率的输出，差模信号的功分带宽提高至34.5％(4.8GHz-6.8GHz)。
由图5可知，第一网络端口P1和第二网络端口P3在输入共模信号的激励时，由于反相器3的特性，在第一端口P2和第二端口P4实现共模信号宽频带的抑制，在整个频段(4GHz-9GHz)插入损耗均大于20dB。
综上，本发明基于SSPPs的四端口差分结构，将左右对称的两个功分网络相结合形成了一个四端口的功分结构，同时通过添加一个180度的反相器实现共模信号抑制，大大提高了差模的相对功分带宽。该四端口差分结构设计简单且紧凑、电性能好，且易实现与其他平面微波毫米波电路系统的集成，实用性强。
Claims (7)
1.一种基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，包括上层SSPPs结构、中间层介质基板和下层SSPPs结构；所述上层SSPPs结构附着在中间层介质基板的上表面，所述下层SSPPs结构附着在中间层介质基板的下表面；
所述中间层介质基板的四边依次设置第一网络端口(P1)、第一端口(P2)、第二网络端口(P3)、第二端口(P4)，其中第一端口(P2)和第二端口(P4)分别位于中间层介质基板的上层和中间层介质基板的下层，第一网络端口(P1)和第二网络端口(P3)位于同一直线上；
所述第一网络端口(P1)和第二网络端口(P3)分别与第一双面平行带线(1)和第二双面平带线(2)相连，第一双面平行带线(1)和第二双面平带线(2)的长度均为四分之一波长；第一双面平行带线(1)与第一双面平行过渡传输线(4)通过具有180度反相特性的反相器(3)连接；第二双面平行带线(2)与第二双面平行过渡传输线(5)相连；第一双面平行过渡传输线(4)和第二双面平行过渡传输线(5)分别与第一双面平行SSPPs传输线(6)和第二双面平行SSPPs传输线(7)连接；第一双面平行SSPPs传输线(6)的上层部分和第二双面平行SSPPs传输线(7)的上层部分分别与第一单层SSPPs传输线(8-1)的一端和第二单层SSPPs传输线(8-2)的一端相连，第一单层SSPPs传输线(8-1)的另一端和第二单层SSPPs传输线(8-2)的另一端相连并与第一单层对称SSPPs传输线(9)的一端相连；第一单层对称SSPPs传输线(9)的另一端与第一单层过渡传输结构(10)相连；第一单层过渡传输结构(10)中位于中间部分的传输线通过第一共面波导(11)与第一端口(P2)连接；第一双面平行SSPPs传输线(6)的下层部分和第二双面平行SSPPs传输线(7)的下层部分分别与第三单层SSPPs传输线(12-1)的一端和第四单层SSPPs传输线(12-2)的一端连接，第三单层SSPPs传输线(12-1)的另一端和第四单层SSPPs传输线(12-2)的另一端相连并与第二单层对称SSPPs传输线(13)的一端相连；第二单层对称SSPPs传输线(13)的另一端和第二单层过渡传输结构(14)相连；第二单层过渡传输结构(14)中位于中间部分的传输线通过第二共面波导(15)与第二端口(P4)相连。
2.根据权利要求1所述的基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，所述反相器(3)为双层结构，包括四个金属通孔和四条短枝节传输线，其中四条短枝节传输线分别为第一短枝节传输线(17-1)、第二短枝节传输线(17-2)、第三短枝节传输线(17-3)、第四短枝节传输线(17-4)，第一短枝节传输线(17-1)与第二短枝节传输线(17-2)位于反相器(3)上层并关于上层中心对称；第三短枝节传输线(17-3)和第四短枝节传输线(17-4)位于反相器(3)下层并关于下层中心对称；第二短枝节传输线(17-2)通过第一金属通孔(16-1)和第二金属通孔(16-2)与第四短枝节传输线(17-4)相连，第一短枝节传输线(17-1)通过第三金属通孔(16-3)和第四金属通孔(16-4)与第三短枝节传输线(17-3)相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，所述第一双面平行带线(1)和第二双面平行带线(2)的长度和宽度均相等，第一共面波导(11)和第二共面波导(15)的长度和宽度均相等，其阻抗值均等于50欧姆。
4.根据权利要求3所述的基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，所述第一双面平行过渡传输线(4)和第二双面平行过渡传输线(5)长度相同，第一双面平行SSPPs传输线(6)和第一双面平行SSPPs传输线(7)长度相同；第一单层对称SSPPs传输线(9)和第二单层对称SSPPs传输线(13)长度相同。
5.根据权利要求4所述的基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，所述第一单层SSPPs传输线(8-1)、第二单层SSPPs传输线(8-2)、第三单层SSPPs传输线(12-1)以及第四单层SSPPs传输线(12-2)的长度均相同。
6.根据权利要求5所述的基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，所述第一单层过渡传输结构(10)和第二单层过渡传输结构(14)长度相同，均包括中间部分的传输线和两边部分的喇叭状金属地。
7.根据权利要求6所述的基于SSPPs的四端口差分结构，其特征在于，所述中间层介质基板的介电常数取值范围为2～16，高度取值范围为0.1～4mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210302 |