CN111129684A - 一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，采用垂直方向紧密贴合的三层结构，底层为微带电磁耦合结构，中间层为空气腔层，顶层为人工电磁导体周期结构，微带电磁耦合结构设置于介质基板的上表面，空气腔层由设有镂空槽的介质板构成，人工电磁导体周期结构设置于电磁带隙介质基板上，微带电磁耦合结构上表面与空气腔紧密贴合，人工电磁导体周期结构的下表面与空气腔紧密贴合。利用人工磁体导体周期结构在高频段的电磁波阻带特性，抑制来自微带线的杂散辐射，实现对谐振点性能的改善，与现有技术相比，具有更加易于调节的参数化特性，得到的电磁带隙更加精准，拥有更好的频率选择性。

Description

一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器
技术领域
本发明属于微波处理技术领域，具体涉及一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器。
背景技术
近年来，随着新型电磁材料的发展，人工磁导体结构的研究及应用已经成为当前微波领域的热点之一。人工磁导体结构通常由介质基板上周期性排列的金属贴片构成，当电磁波入射到金属表面，由金属片与金属通孔形成的LC等效回路产生谐振，从而产生了高阻抗表面， 因而在特定的频段形成了电磁带隙特性，可以明显提高微波集成电路，微波印刷天线，微波高能加速器，射频无源器件等的整体性能。因此，开展人工磁导体的研究，可发掘其潜在的应用价值，并对完善电磁波理论体系具有极高的学术意义。
传统的耦合器结构具有很高的插入损耗，这来自于微带线的杂散辐射，包括辐射波、泄漏波以及表面波，尤其到了毫米波频段，能量的损耗更加严重。
为了解决毫米波段传统微带电路高损耗的问题，出现了许多基于新型人工磁导体的毫米波射频无源器件的研究，人工磁导体的高阻抗表面会在特定频段形成电磁阻带，抑制该波段内的杂散波辐射，尤其人工磁导体的尺寸会随着频率的提高而减小，这为在毫米波段内实现提高传统电磁耦合结构的整体性能提供了一条可行的思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，利用人工磁体导体周期结构在高频段的电磁波阻带特性，抑制来自微带线的杂散辐射，实现对谐振点性能的改善，具有更加易于调节的参数化特性，得到的电磁带隙更加精准，拥有更好的频率选择性。
本发明提供一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，采用垂直方向紧密贴合的三层结构，底层为微带电磁耦合结构，中间层为空气腔层，顶层为人工电磁导体周期结构，微带电磁耦合结构设置于介质基板的上表面，空气腔层由设有镂空槽的介质板构成，人工电磁导体周期结构设置于电磁带隙介质基板上，微带电磁耦合结构上表面与空气腔紧密贴合，人工电磁导体周期结构的下表面与空气腔紧密贴合。
作为本发明的进一步技术方案，镂空槽的长度和宽度分别大于微带电磁耦合结构的长度和宽度，镂空槽与顶层电磁带隙介质基板构成空气腔，空气腔位于微带电磁耦合结构的正上方。
进一步的，人工电磁导体周期结构为耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构，其上表面为导电顶层，中间为介质层，下表面为耶路撒冷十字金属片，耶路撒冷十字金属片的中心处设有由上至下的金属通孔，金属通孔的顶端与导电顶层相连。
进一步的，耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构为6*9宫格式结构。
进一步的，微带电磁耦合结构的传输线阻抗均为50欧姆，微带电磁耦合结构输入/输出端口的传输线长度为1/4波长，微带电磁耦合结构输入/输出端口处阻抗渐变弧长为1/4半径1毫米的圆周长。
本发明将耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构与定向耦合器相结合，提出了一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，与现有方案相比，具有更加易于调节的参数化特性，得到的电磁带隙更加精准，拥有更好的频率选择性，并且本发明设计结构简单，易于加工，成本低，节约了额外的封装。
附图说明
图1为本发明的毫米波3 dB定向耦合器中电磁耦合结构的俯视示意图。
图2为本发明的毫米波3 dB定向耦合器中空气腔的三维结构示意图。
图3为本发明的新型人工磁导体的耶路撒冷十字型单元结构的三维结构示意图。
图4为本发明的新型人工磁导体的耶路撒冷十字型单元结构的二维平面尺寸示意图。
图5为本发明的周期性新型人工磁导体结构的三维结构示意图。
图6为本发明的基于周期性新型人工磁导体结构的毫米波3 dB定向耦合器三维结构示意图。
图7为本发明的基于周期性新型人工磁导体结构的毫米波3 dB定向耦合器三维结构剖分示意图。
图8为本发明的周期性新型人工磁导体的电磁波阻带色散图。
图9为本发明的基于周期性新型人工磁导体结构的毫米波3 dB定向耦合器的S参数仿真波形图。
图10为本发明的基于周期性新型人工磁导体结构的毫米波3 dB定向耦合器直通端口与耦合端口的相位差示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图7，本实施例提供一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，采用垂直方向紧密贴合的三层结构，底层为微带电磁耦合结构3，中间层为空气腔层，顶层为人工电磁导体周期结构，微带电磁耦合结构3设置于介质基板的上表面，空气腔层由设有镂空槽的介质板构成，人工电磁导体周期结构设置于电磁带隙介质基板上，微带电磁耦合结构上表面与空气腔紧密贴合，人工电磁导体周期结构的下表面与空气腔紧密贴合。
毫米波3 dB定向耦合器包括微带电磁耦合结构3和介质基板1，微带电磁耦合结构和介质基板1中间是介质2，微带电磁耦合结构3上表面与空气腔层紧密贴合
镂空槽的长度和宽度分别大于微带电磁耦合结构的长度和宽度0.1mm，镂空槽与顶层电磁带隙介质基板构成空气腔4，空气腔4位于微带电磁耦合结构的3正上方。电磁波在镂空槽与顶层人工磁导体结构介质基板形成的空气腔中传播
人工电磁导体周期结构为耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构，如图3所示，其上表面为导电顶层7，即为金属层，中间为介质层8，下表面为耶路撒冷十字金属片6，耶路撒冷十字金属片6的圆心处设有由上至下的金属通孔5，金属通孔5的顶端与导电顶层7相连。
耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构为6*9宫格式结构。耶路撒冷十字型人工磁导体由所述顶部金属层与介质基板、金属通孔以及底部耶路撒冷十字金属片共同构成具有电磁带隙性能的人工磁导体结构。
微带电磁耦合结构的传输线阻抗均为50欧姆，微带电磁耦合结构输入/输出端口的传输线长度为1/4波长，微带电磁耦合结构输入/输出端口处阻抗渐变弧长为1/4半径1毫米的圆周长。
人工磁导体的耶路撒冷十字金属片长宽如图4所示，其中，L1=1.12mm，L2=0.8mm，W1=0.28mm，W2=0.22mm，金属通孔半径为0.15mm、介质基片厚度为0.4mm。所述人工磁导体结构中金属通孔之间的距离为1.7mm。
该耦合器首先引入新型耶路撒冷十字型人工磁导体周期结构，拥有比传统蘑菇型人工磁导体单元结构更加易于调节的参数化特性，得到的电磁带隙更加精准，拥有更好的频率选择性。利用其高频段的电磁波阻带特性，抑制来自微带线的杂散辐射，包括来自微带线的漏波、表面波以及辐射波，实现对毫米波3 dB定向耦合器谐振点性能的改善，化了毫米波3 dB定向耦合器直通端、耦合端、隔离端的耦合度、隔离度以及方向性系数，在27 ~ 33GHz频率范围内，插入损耗在-3.5 dB左右，且直通端口与耦合端口之间的幅值差异小于0.25 dB，相位差为90±2.5o，实现了低损耗、宽频带的特性。本发明结构简单，易于加工，性能良好，为毫米波3 dB定向耦合器节约了额外封装，在毫米波电路中具有巨大的应用潜力。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明实施例中，此紧密贴合的三层结构的底层是采用Rogers 3003的介质板，其介电常数为3、厚度为0.254毫米的毫米波3 dB定向耦合器，底层介质板上表面电磁耦合结构输入/输出端口传输线长度为1/4波长，电磁耦合结构输入/输出端口处阻抗渐变弧长为1/4半径为1毫米的圆周长，传输线的阻抗均为50欧姆；中间层采用Rogers 5880的介质板，其厚度为0.254毫米的空气腔；上层人工磁导体结构采用Rogers 5880的介质板，其厚度为0.4毫米，介质内包括6*9耶路撒冷十字型人工磁导体单元阵列。
实施例1
如图7所示，毫米波3 dB定向耦合器上方为空气腔层基片，介质板镂空部分形成空气腔，一是用于电磁波的传播，二是避免引入更多的介质损耗；空气腔上方为周期性新型人工磁导体结构，人工磁导体上表面为导电金属层，用于防止电磁波泄露。
在实际模型中，如图6所示，该加载周期性人工磁导体的毫米波3 dB定向耦合器为紧密贴合的三层结构。如图9、图10所示的基于周期性人工磁导体的毫米波3 dB定向耦合器的S参数仿真波形图和直通端口与耦合端口的相位差示意图。在谐振频率30GHz处，回波损耗为-43dB，在27 ~ 33 GHz频率范围内，插入损耗在-3.5 dB左右，且直通端口与耦合端口之间的幅值差异小于0.25 dB，相对带宽为20%，实现了低损耗、宽频带的特性。图9中的横坐标代表工作频率，纵坐标代S参数。
如图10所示是直通端口与耦合端口的相位差，相位差为90±2.5 o，图10的横坐标代表工作频率 纵坐标代表S参数。
实施例2
如图3所示，人工磁导体结构是由耶路撒冷十字型单元阵列构成，每个耶路撒冷十字型单元结构是包括介质层下表面的耶路撒冷十字金属片和与耶路撒冷十字金属片中心相连的金属通孔，中间的介质层，介质层上表面的金属层，54个单元构成了人工磁导体结构。
图8是新型人工磁导体结构产生的电磁波阻带，该结构可以抑制位于阻带频段内的电磁波的传播。毫米波3 dB定向耦合器的工作频率位于其中，加载在其上方，可以有效抑制微带传输线的杂散辐射，抑制效果良好。图8为本发明的周期性人工磁导体的电磁波阻带色散，图8中横坐标代表工作频率，纵坐标代表传播常数。
基于周期性新型人工磁导体结构的毫米波3 dB定向耦合器的S参数仿真波形图如图9所示，基于周期性新型人工磁导体结构的毫米波3 dB定向耦合器直通端口与耦合端口的相位差示意图如图10所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，其特征在于，采用垂直方向紧密贴合的三层结构，底层为微带电磁耦合结构，中间层为空气腔层，顶层为人工电磁导体周期结构，所述微带电磁耦合结构设置于介质基板的上表面，所述空气腔层由设有镂空槽的介质板构成，所述人工电磁导体周期结构设置于电磁带隙介质基板上，所述微带电磁耦合结构上表面与空气腔紧密贴合，所述人工电磁导体周期结构的下表面与空气腔紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，其特征在于，所述镂空槽的长度和宽度分别大于所述微带电磁耦合结构的长度和宽度，所述镂空槽与顶层电磁带隙介质基板构成空气腔，所述空气腔位于所述微带电磁耦合结构的正上方。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，其特征在于，所述人工电磁导体周期结构为耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构，其上表面为导电顶层，中间为介质层，下表面为耶路撒冷十字金属片，所述耶路撒冷十字金属片的中心处设有由上至下的金属通孔，所述金属通孔的顶端与导电顶层相连。
4.根据权利要求3所述的一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，其特征在于，所述耶路撒冷十字型人工磁导体阵列结构为6*9宫格式结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于新型人工磁导体的毫米波3dB定向耦合器，其特征在于，所述微带电磁耦合结构的传输线阻抗均为50欧姆，所述微带电磁耦合结构输入/输出端口的传输线长度为1/4波长，所述微带电磁耦合结构输入/输出端口处阻抗渐变弧长为1/4半径1毫米的圆周长。
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