CN110752430A - 小型化慢波半模基片集成波导e面耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，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各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。该耦合器在更小的体积内实现了45%的3‑dB工作带宽，工作频带内性能稳定，相对于更常见的H面慢波耦合器极大地拓宽了耦合器在小型化、双极化等方面的应用前景。

Description

小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器

技术领域

本发明涉及一种小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，可用于微波技术领域。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，人们对通信系统小型化、宽频带、多极化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，其中H面耦合器最为常见，因为其利用单层电路即可实现，设计和实现较为简单。然而在实际应用中，E面耦合器相对于H面耦合器有着更小的体积和更多的应用场合，因而对整个微波、毫米波系统的提升有着很大的帮助。

传统的基片集成波导作为一种快波结构，主要通过公共波导壁上开孔来实现耦合效应。基片集成波导小孔耦合器尽管相对以往的立体金属波导结构有了一定的改进，但面对新的需求仍存在一定意义上体积大、不易于集成的缺点。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。

最近新提出的结合慢波技术的基片集成技术进一步减小了波导器件的体积，给了耦合器设计更多的选择。H面的慢波耦合器由于结构易于实现，目前已经有了多种实现方式，相对于传统快波模式耦合器实现了一定程度上的小型化。E面慢波耦合器则由于结构上的复杂和性能上的影响并没有成熟的设计，但其体积更小，应用前景更广阔，有着很重要的研究价值。

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，提出一种小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，包括顶层介质基片和底层介质基片，所述顶层介质基片和底层介质基片堆叠放置，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各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。

优选地，所述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的顶层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的底层金属层两端连接的第三微带线和第四微带线。

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第一阻抗转换结构、第二阻抗转换结构、第三阻抗转换结构、第四阻抗转换结构与半模基片集成波导的金属层连接，作为耦合器的输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。

优选地，该耦合器为对称结构，所述第一微带线和第二微带线为同层设置，第一微带线为耦合器的输入端，第二微带线为直通端口，第三微带线与第一微带线为同侧不同层设置，第三微带线为隔离端，第四微带线与第二微带线为同侧不同层设置。

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的阻抗均为50欧姆。

优选地，所述中间层金属层上开设有一排互补开口谐振环，互补开口谐振环包括至少两个开口相反的矩形开口环形槽。

优选地，所述一排互补开口谐振环与一排金属化通孔平行间隙设置，且每相邻两个互补开口谐振环之间的间距相等。

优选地，所述中间层金属层上的一排互补开口谐振环数为N，N的取值≥3。

优选地，所述顶层介质基片和底层介质基片均为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2。

优选地，所述顶层介质基片和底层介质基片每一层厚度为0.5毫米。

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：该技术方案基于传统快波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，在微波电路平面化中具有重要的应用价值。同时，本发明通过在HMSIW蚀刻互补开口谐振环结构在HMSIW上实现了慢波效应并将其应用到了E面耦合器的设计之中，利用慢波效应进一步减小耦合器的体积；同时巧妙地将互补开口谐振环作为双层电路之间的耦合孔，避免引入额外的慢波结构，精简电路，达到提升耦合器性能的目的。慢波模式下，耦合器性能更加稳定，体积更小。

本发明通过研究平面化E面慢波耦合器，扩大该小型化的慢波半模基片集成波导E面耦合器在未来小型化、宽频带、多极化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。

本发明将慢波效应集成到耦合器之中，相对于传统的快波耦合器技术，本发明体积小、插损低，填补了慢波E面耦合器研究的空白。相对于目前国际上研究较成熟的慢波H面耦合器技术，本发明首次实现了慢波传输线之间E面的能量耦合，同时相较于H面耦合的单层电路体积更小，应用也更广。

附图说明

图1是本发明的双层半模基片集成波导示意图。

图2是本发明的中间层金属层上蚀刻的互补开口谐振环结构示意图。

图3是本发明小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器的三维结构示意图。

图4是本发明小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器的三维剖分图。

图5是本发明小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器的俯视图。

图6是本发明耦合器的S参数仿真结果。

图7是本发明耦合器的S参数实测结果。

图8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。

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。

本发明揭示了一种小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，如图1、图2、图3、图4和图5所示，包括顶层介质基片2和底层介质基片3，所述顶层介质基片2和底层介质基片3堆叠放置。

所述顶层介质基片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5，底层介质基片3的下表面设置有底层金属层7。

所述顶层介质基片2和底层介质基片3上各设置有一排金属化通孔1，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5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5、底层介质基片3、底层金属层7构成第二半模基片集成波导。

所述顶层介质基片2的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导的顶层金属层两端连接的第一微带线12和第二微带线15；底层介质基片3的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导的底层金属层两端连接的第三微带线13和第四微带线14。

所述第一微带线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和第二微带线15为同层设置，第一微带线12为耦合器的输入端，第二微带线15为直通端口，第三微带线13与第一微带线12为同侧不同层设置，第三微带线13为隔离端，第四微带线14与第二微带线15为同侧不同层设置。该耦合器为对称结构，若输入端口改变，剩余端口参照上述分布以此类推。

所述第一微带线12、第二微带线15、第三微带线13和第四微带线14的阻抗均为50欧姆。所述中间层金属层5上开设有一排互补开口谐振环4，互补开口谐振环4包括至少两个开口相反的矩形开口环形槽。

所述一排互补开口谐振环4与一排金属化通孔1平行间隙设置，且每相邻两个互补开口谐振环4之间的间距相等。所述中间层金属层7上的互补开口谐振环4的中心位置对于耦合器的性能和尺寸有一定的影响，其最佳位置位于半模基片集成波导中心偏上。

所述中间层金属层7上的一排互补开口谐振环4数为N，N的取值≥3。第一半模基片集成波导和第二半模基片集成波导上下对齐放置，如图3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，在第一半模基片集成波导和第二半模基片集成波导的长边均匀分布着一排金属化通孔。顶层金属层、中间层金属层和底层金属层均采用铜材质，第一半模基片集成波导和第二半模基片集成波导紧密贴合堆叠，共用中间层金属层，形成双层板电路。

每一层半模基片集成波导分别建立在一片介质基板之上，介质基板上下表面覆有金属层，介质基板内部有一排金属化通孔，介质基板上所有结构共同组成一层半模基片集成波导。所述顶层介质基片2和底层介质基片3均为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，所述顶层介质基片2和底层介质基片3每一层厚度为0.5毫米。

如图4和图5所示，在中间层金属层上蚀刻有三个互补开口谐振环，形成慢波结构，给上下两个半模基片集成波导同时引入慢波效应；同时，互补开口谐振环也可以被认为是在双层半模基片集成波导的公共面上开的孔，上下两层半模基片集成波导中的能量通过互补开口谐振环进行耦合。

在本发明的耦合器中，互补开口谐振环在保持固定间距的基础之上被近似放置于整个半模基片集成波导的中心处，以达到最优的慢波效应和耦合效果。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。

图6和图7为本发明耦合器的仿真和实测结果，图6和图7的横坐标均表示频率，纵坐标均表示该耦合器的S参数性能。从图6和图7的结果可知，本发明耦合器的实测3-dB耦合带宽为6.2GHz～10GHz，中心频率为8.1GHz，相对带宽为45％。输入端口的回波损耗大于20dB，输入端和隔离端的隔离度为20dB以上，隔离效果非常好。

图8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8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88°±3°(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。

本发明首次实现了慢波模式下的双层E面耦合器，实现了慢波效应与E面耦合技术的结合，仅用单排三个互补开口谐振环就达到了3-dB宽带慢波耦合的效果；中间层金属层上的互补开口谐振环在上下半模基片集成波导中引入慢波效应的同时，作为耦合器的耦合孔参与了上下层之间的能量耦合。

本发明利用互补开口谐振环结构，引入了慢波效应，有助于进一步减小耦合孔数目，从而达到耦合器小型化的目的，同时，互补开口谐振环本身同时也可以作为耦合器的耦合孔，减小了慢波效应对于耦合器结构的额外插入损耗。本发明的耦合器在更小的体积内实现了45％的3-dB工作带宽，工作频带内性能稳定。相对于更常见的H面慢波耦合器极大的拓宽了耦合器的在小型化、双极化等方面的应用前景。

互补开口谐振环的尺寸同时影响HMSIW的慢波效应和耦合器耦合能量的大小，互补开口谐振环尺寸越大，慢波效应越大，耦合能量越高，耦合器的体积相对也就会越小。

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。本发明能顺利实现两层工作在慢波模式下的半模基片集成波导之间的3-dB能量耦合，同时实现了直通端与耦合端之间的90°相移，相比较于目前常见的基于慢波技术的H面耦合器，该耦合器体积更小，应用更广。

本发明结构紧凑，性能优越，易于加工和集成，实现电路的平面化和多层混合电路的集成，在对小型化、宽带化、多极化等方面要求严格的微波、毫米波电路和系统中，有着更为广阔的应用前景。

本发明在半模基片集成波导的中间公共金属层蚀刻一排互补开口谐振环来引入慢波效应，同时达到E面耦合的目的，并最终实现了小体积的宽带强耦合效果；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E面耦合器的性能，并实现正交输出；更重要的，本发明有着很好的慢波效应。相对于同等技术的基片集成波导耦合器，本发明结构更为紧凑。相对于现有的慢波耦合器，扩展了耦合器在多极化系统之中的应用，体积更小，插入损耗更低，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 (10)

1.小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：包括顶层介质基片（2）和底层介质基片（3），所述顶层介质基片（2）和底层介质基片（3）堆叠放置，

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（5），底层介质基片（3）的下表面设置有底层金属层（7）；

顶层介质基片（2）和底层介质基片（3）上各设置有一排金属化通孔（1），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（5）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（5）、底层介质基片（3）、底层金属层（7）构成第二半模基片集成波导。

2.根据权利要求1所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述顶层介质基片（2）的上表面设置有两条分别与第一半模基片集成波导的顶层金属层两端连接的第一微带线（12）和第二微带线（15）；底层介质基片（3）的下表面设置有两条分别与第二半模基片集成波导的底层金属层两端连接的第三微带线（13）和第四微带线（14）。

3.根据权利要求2所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述第一微带线（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，作为耦合器的输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。

4.根据权利要求3所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：该耦合器为对称结构，所述第一微带线（12）和第二微带线（15）为同层设置，第一微带线（12）为耦合器的输入端，第二微带线（15）为直通端口，第三微带线（13）与第一微带线（12）为同侧不同层设置，第三微带线（13）为隔离端，第四微带线（14）与第二微带线（15）为同侧不同层设置。

5.根据权利要求3所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述第一微带线（12）、第二微带线（15）、第三微带线（13）和第四微带线（14）的阻抗均为50欧姆。

6.根据权利要求1所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述中间层金属层（5）上开设有一排互补开口谐振环（4），互补开口谐振环（4）包括至少两个开口相反的矩形开口环形槽。

7.根据权利要求6所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述一排互补开口谐振环（4）与一排金属化通孔（1）平行间隙设置，且每相邻两个互补开口谐振环（4）之间的间距相等。

8.根据权利要求6所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述中间层金属层（7）上的一排互补开口谐振环（4）数为N，N的取值≥3。

9.根据权利要求1所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述顶层介质基片（2）和底层介质基片（3）均为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2。

10.根据权利要求9所述的小型化慢波半模基片集成波导E面耦合器，其特征在于：所述顶层介质基片（2）和底层介质基片（3）每一层厚度为0.5毫米。

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