CN110350282A - 基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其包括上层介质板、下层介质板以及间隔介质板；上层介质板的上表面印刷有第一接地金属层，下表面印刷有第一H型耦合微带线，其外侧的上层介质板上印刷有周期性排列的第一矩形金属贴片，其内侧的上层介质板上印刷有周期性排列的第二矩形金属贴片，第一H型耦合微带线的中心位置设有第一缝隙，每一第一矩形金属贴片上设有第一圆形金属过孔，每一第二矩形金属贴片上设有第二圆形金属过孔，第一H型耦合微带线上设有周期性排列的第三圆形金属过孔；下层介质板的下表面印刷有第二接地金属层，上表面的构造与上层介质板的下表面一致。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
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及基于双脊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。
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，设计出了集成基片间隙波导结构，实现了更稳定的间隙高度和更高的性能。但是，在定向耦合器的应用中，还没有采用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双脊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：提供基于双脊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)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有第一H型耦合微带线(12)，在所述第一H型耦合微带线(12)外侧的上层介质板(1)上印刷有周期性排列的第一矩形金属贴片(13)，在所述第一H型耦合微带线(12)内侧的上层介质板(1)上印刷有周期性排列的第二矩形金属贴片(14)，所述第一H型耦合微带线(12)的中心位置设有第一缝隙(15)，每一所述第一矩形金属贴片(13)上设有第一圆形金属过孔(131)，每一所述第二矩形金属贴片(14)上设有第二圆形金属过孔(141)，所述第一H型耦合微带线(12)上设有周期性排列的第三圆形金属过孔(121)；所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二接地金属层(31)，所述下层介质板(3)的上表面印刷有第二H型耦合微带线(32)，在所述第二H型耦合微带线(32)外侧的下层介质板(3)上印刷有周期性排列的第三矩形金属贴片(33)，在所述第二H型耦合微带线(32)内侧的下层介质板(3)上印刷有周期性排列的第四矩形金属贴片(34)，所述第二H型耦合微带线(32)的中心位置设有第二缝隙(35)，每一所述第三矩形金属贴片(33)上设有第四圆形金属过孔(331)，每一所述第四矩形金属贴片(34)上设有第五圆形金属过孔(341)，所述第二H型耦合微带线(32)上设有周期性排列的第六圆形金属过孔(321)。
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。
优选的，所述第一缝隙(15)和第二缝隙(35)为矩形。
优选的，所述第一H型耦合微带线(12)和第二H型耦合微带线(32)的大小相同且上下对齐。
优选的，所述第一矩形金属贴片(13)、第二矩形金属贴片(14)、第三矩形金属贴片(33)与第四矩形金属贴片(34)的大小相同、排列周期相同。
优选的，所述第一圆形金属过孔(131)和第二圆形金属过孔(141)的大小相同、排列周期相同；所述第四圆形金属过孔(331)和第五圆形金属过孔(341)的大小相同、排列周期相同。
优选的，所述第一圆形金属过孔(131)的直径大于所述第四圆形金属过孔(331)的直径。
优选的，所述所述第三圆形金属过孔(121)和第六圆形金属过孔(321)的大小相同、排列周期相同。
优选的，所述上层介质板(1)和下层介质板(3)均采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料，间隔介质板(2)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。
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，下表面印刷有H型耦合微带线，H型耦合微带线的外侧和内侧均印刷有周期性排列的矩形金属贴片，且矩形金属贴片和耦合微带线设有圆形金属过孔，下层介质板的下表面印刷有接地金属层，上表面的结构与上层介质板的下表面的结构一致，间隔介质板分隔上层介质板和下层介质板，通过上述方式，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双脊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所示的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器的上层介质板的俯视示意图。
图3是图1所示的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器的上层介质板的仰视示意图。
图4是图1所示的基于双脊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所示的基于双脊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所示的基于双脊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所示的基于双脊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双脊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，上层介质板1的下表面印刷有第一H型耦合微带线12，在第一H型耦合微带线12外侧的上层介质板1上印刷有周期性排列的第一矩形金属贴片13，在第一H型耦合微带线12内侧的上层介质板1上印刷有周期性排列的第二矩形金属贴片14，第一H型耦合微带线12的中心位置设有第一缝隙15，每一第一矩形金属贴片13上设有第一圆形金属过孔131，每一第二矩形金属贴片14上设有第二圆形金属过孔141，第一H型耦合微带线12上设有周期性排列的第三圆形金属过孔121。
下层介质板3的下表面印刷有第二接地金属层31，下层介质板3的上表面印刷有第二H型耦合微带线32，在第二H型耦合微带线32外侧的下层介质板3上印刷有周期性排列的第三矩形金属贴片33，在第二H型耦合微带线32内侧的下层介质板3上印刷有周期性排列的第四矩形金属贴片34，第二H型耦合微带线32的中心位置设有第二缝隙35，每一第三矩形金属贴片33上设有第四圆形金属过孔331，每一第四矩形金属贴片34上设有第五圆形金属过孔341，第二H型耦合微带线32上设有周期性排列的第六圆形金属过孔321。
在本实施例中，第一缝隙15和第二缝隙35为矩形.当然，在其他一些实施例中，第一缝隙15和第二缝隙35可以为其它形状，例如为圆形。
第一圆形金属过孔131、第二圆形金属过孔141和第三圆形金属过孔121均贯穿上层介质板1与第一接地金属层11连接，第四圆形金属过孔331、第五圆形金属过孔341和第六圆形金属过孔321均贯穿下层介质板3与第二接地金属层31连接。
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。
每一第一矩形金属贴片13与其上的第一圆形金属过孔131构成第一种蘑菇型EBG结构，周期性排列的第一种蘑菇型EBG结构分布在第一H型耦合微带线12两侧；每一第二矩形金属贴片14与其上的第二圆形金属过孔141构成第二种蘑菇型EBG结构，周期性排列的第二种蘑菇型EBG结构分布在第一H型耦合微带线12内侧；每一第三矩形金属贴片33与其上的第四圆形金属过孔331构成第三种蘑菇型EBG结构，周期性排列的第三种蘑菇型EBG结构分布在第二H型耦合微带线32两侧；每一第四矩形金属贴片34与其上的第五圆形金属过孔341构成第四种蘑菇型EBG结构，周期性排列的第四种蘑菇型EBG结构分布在第二H型耦合微带线32内侧。这样，上层介质板1和下层介质板3上就都形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。
本实施例的定向耦合器中，上层介质板1为双脊集成基片间隙波导的过孔层，第一H型耦合微带线12和第三圆形金属过孔121构成第一传导脊；下层介质板3同样为双脊集成基片间隙波导的过孔层，第二H型耦合微带线32和第六圆形金属过孔321构成第二传导脊；间隔介质板2为双脊集成基片间隙波导介质的间隙层；第一传导脊和第二传导脊通过间隙层实现双脊集成基片间隙波导的定向耦合器的传输功能。
在本实施例中，第一H型耦合微带线12和第二H型耦合微带线32的大小相同且上下对齐，第一矩形金属贴片13、第二矩形金属贴片14、第三矩形金属贴片33与第四矩形金属贴片34的大小相同、排列周期相同，第一圆形金属过孔131和第二圆形金属过孔141的大小相同、排列周期相同，第四圆形金属过孔331和第五圆形金属过孔341的大小相同、排列周期相同，第三圆形金属过孔121和第六圆形金属过孔321的大小相同、排列周期相同。进一步的，第一圆形金属过孔131的直径大于第四圆形金属过孔331的直径。
如图1所示，本实施例的定向耦合器在工作时，第二H型耦合微带线32的四个肢脚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。
本实施例的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器在实际应用中具有以下特性：
当上层介质板1上的第一种蘑菇型EBG结构与第二种蘑菇型EBG结构的尺寸相同时，调整第二种蘑菇型EBG结构的排列周期可以调整回波损耗和隔离度；下层介质板3上的第三种蘑菇型EBG结构与第四种蘑菇型EBG结构的尺寸相同时，调整第四种蘑菇型EBG结构的排列周期可以调整回波损耗和隔离度。
为了详细说明本实施例的基于双脊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和下层介质板3均采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料，间隔介质板2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，如图6和图7所示，由S参数仿真结果可以看出，本实施例的定向耦合器在30GHz-37.5GHz频段内可以实现20dB以上的隔离度性能，30.5GHz-35.5GHz频段内可以实现28dB以上的隔离度性能；直通端口D2和耦合端口D3的相位差结果表明，本实施例的定向耦合器是正交的。
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 (10)
1.一种基于双脊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)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有第一H型耦合微带线(12)，在所述第一H型耦合微带线(12)外侧的上层介质板(1)上印刷有周期性排列的第一矩形金属贴片(13)，在所述第一H型耦合微带线(12)内侧的上层介质板(1)上印刷有周期性排列的第二矩形金属贴片(14)，所述第一H型耦合微带线(12)的中心位置设有第一缝隙(15)，每一所述第一矩形金属贴片(13)上设有第一圆形金属过孔(131)，每一所述第二矩形金属贴片(14)上设有第二圆形金属过孔(141)，所述第一H型耦合微带线(12)上设有周期性排列的第三圆形金属过孔(121)；
所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二接地金属层(31)，所述下层介质板(3)的上表面印刷有第二H型耦合微带线(32)，在所述第二H型耦合微带线(32)外侧的下层介质板(3)上印刷有周期性排列的第三矩形金属贴片(33)，在所述第二H型耦合微带线(32)内侧的下层介质板(3)上印刷有周期性排列的第四矩形金属贴片(34)，所述第二H型耦合微带线(32)的中心位置设有第二缝隙(35)，每一所述第三矩形金属贴片(33)上设有第四圆形金属过孔(331)，每一所述第四矩形金属贴片(34)上设有第五圆形金属过孔(341)，所述第二H型耦合微带线(32)上设有周期性排列的第六圆形金属过孔(321)。
2.根据权利要求1所述的基于双脊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。
3.根据权利要求1所述的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第一缝隙(15)和第二缝隙(35)为矩形。
4.根据权利要求1所述的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第一H型耦合微带线(12)和第二H型耦合微带线(32)的大小相同且上下对齐。
5.根据权利要求4所述的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第一矩形金属贴片(13)、第二矩形金属贴片(14)、第三矩形金属贴片(33)与第四矩形金属贴片(34)的大小相同、排列周期相同。
6.根据权利要求5所述的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第一圆形金属过孔(131)和第二圆形金属过孔(141)的大小相同、排列周期相同；所述第四圆形金属过孔(331)和第五圆形金属过孔(341)的大小相同、排列周期相同。
7.根据权利要求6所述的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第一圆形金属过孔(131)的直径大于所述第四圆形金属过孔(331)的直径。
8.根据权利要求6所述的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器，其特征在于，所述第三圆形金属过孔(121)和第六圆形金属过孔(321)的大小相同、排列周期相同。
9.根据权利要求1所述的基于双脊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)和下层介质板(3)均采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料，间隔介质板(2)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料。
10.根据权利要求8所述的基于双脊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。
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