CN112164853A - 一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器 - Google Patents

一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器,包括双面衬底，双面衬底的表面设置有两条微带线，两条微带线相互平行，两条微带线之间设置有若干基片集成波导，微带基片集成波导的端部与相邻微带线之间设置有三角形微带过渡段，基片集成波导两侧边缘均设置有若干基片集成波导短路过孔；两条微带线的端部分别形成输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。该种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，能够实现覆盖指定频段内的毫米波能量耦合，通过双面PCB板制造实现，有利于降低大规模商业应用的成本。

Description

一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，具体的说是一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器。
背景技术
在通信和雷达前端系统设计中，定向耦合器是一类重要的关键无源器件。针对于毫米波频段，有很多种方法用于设计和制造所需的定向耦合器，如在22纳米FDSOI-CMOS工艺中设计V波段分支线耦合器，利用MEMS工艺设计微波导毫米波耦合器，甚至基于硅基微同轴工艺设计rat-race混合耦合器。然而对于大批量的民用毫米波前端设计而言，需要研究基于双面PCB工艺的低成本耦合器。
近年来，基于周期结构加载的前向波定向耦合器在微波频段得到了显著发展，特别是研究人员基于周期性蘑菇形结构、周期性H型结构和周期性Y型接地通孔结构分别实现了小型化和宽带化的前向波定向耦合器，这些前向波定向耦合器的工作原理主要基于奇偶模情况下等效电路的不同，从而实现较大的奇偶模相位差或者大带宽恒定奇偶模相位差。然而，上述报道的前向波定向耦合器的研究都聚焦在微波频段，主要研究的事0 dB和3 dB的强耦合设计，毫米波频段的前向波定向耦合器还未见报道。且针对77/79 GHz车载调频连续波雷达应用而言，具有弱耦合能力的定向耦合器更受欢迎，其主要用于耦合一部分发射支路的信号作为接收支路混频器的本振源。
此外，目前报道的前向波定向耦合器很多需要借助多层电路实现，为了降低批量应用的电路制造成本，还需进一步研究基于双面PCB板的毫米波前向波弱定向耦合器。针对PCB板的毫米波前向波弱定向耦合器的测试，一般需将其结合微带鳍线封装在波导腔中，通过标准波导法兰进行性能测试，或作为独立器件使用；然而波导封装后的性能易发生变化，为此近年来报道的周期结构封装技术可以在上述毫米波前向波定向耦合器中进行应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，能够实现覆盖指定频段内的毫米波弱耦合，通过双面PCB板制造实现，有利于降低大规模商业应用的成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：包括双面衬底，所述的双面衬底的表面设置有两条微带线，所述的两条微带线相互平行，所述的两条微带线之间设置有若干基片集成波导，所述的基片集成波导的端部与相邻微带线之间设置有三角形微带过渡段，所述的基片集成波导两侧边缘均设置有若干基片集成波导短路过孔；
所述的两条微带线的端部分别形成输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。
所述的双面衬底采用双面PCB板制造。
所述的两条微带线之间的基片集成波导的数量不少于两组。
所述的基片集成波导的表面的基片集成波导短路过孔沿基片集成波导侧边缘等间距设置。
所述的基片集成波导与微带线相互垂直，所述的基片集成波导与微带线之间的三角形微带过渡段的宽度由靠近基片集成波导一端至靠近微带线一端逐渐减小。
所述的输入端口和直通端口分别位于一条微带线的两端，所述的耦合端口和隔离端口分别位于另一条微带线的两端，所述的直通端口和耦合端口同侧设置。
所述的输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口两侧均可通过设置微带鳍线过渡形成波导法兰端口。
该种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器能够产生的有益效果为：该种前向波定向耦合器不需要小孔耦合的金属波导实现毫米波能量耦合，可以和其他有源芯片进行直接微带互连，实现前端系统集成，且其通过普通双面PCB板制造，成本低，适合于大规模批量应用；相比于微波频段基于其他周期结构的前向波定向耦合器而言，本发明具有设计简单、应用频率高等优点。
附图说明
图1为本发明一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器的结构示意图。
图2为本发明一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器中基片集成波导的结构示意图。
图3为本发明一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器中结合微带鳍线过渡的波导端口结构示意图。
图4为本发明一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器性能仿真结果示意图。
图5为本发明一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器性能仿真结果示意图。
说明书附图标记：1、双面衬底；2、微带线；3、基片集成波导；4、基片集成波导短路过孔；5、三角形微带过渡段； 6.1、输入端口；6.2、直通端口；6.3、耦合端口；6.4、隔离端口；7、波导法兰端口；8、微带鳍线过渡。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：包括双面衬底1，所述的双面衬底1的表面设置有两条微带线2，所述的两条微带线2相互平行，所述的两条微带线2之间设置有若干基片集成波导3，所述的基片集成波导3的端部与相邻微带线2之间设置有三角形微带过渡段5，所述的基片集成波导3两侧边缘均设置有若干集成波导短路过孔4；
所述的两条微带线2的端部分别形成输入端口6.1、直通端口6.2、耦合端口6.3和隔离端口6.4。
进一步的，双面衬底1采用双面PCB板制造。
进一步的，两条微带线2之间的基片集成波导3的数量不少于两组，相邻基片集成波导3之间周期性设置，基片集成波导3的数量可以根据毫米波能量耦合度的需求进行适应性设置。
进一步的，基片集成波导3的表面的基片集成波导短路过孔4沿微带基片集成波导3侧边缘等间距设置，所述的基片集成波导短路过孔4用于基片集成波导内部毫米波传输的屏蔽。
进一步的，基片集成波导3与微带线2相互垂直，所述的基片集成波导3与微带线2之间的三角形微带过渡段5的宽度由靠近基片集成波导3一端至靠近微带线2一端逐渐减小。所述的三角形微带过渡段5用于实现基片集成波导3至50欧姆微带线的过渡转换。
进一步的，输入端口6.1和直通端口6.2分别位于一条微带线2的两端，所述的耦合端口6.3和隔离端口6.4分别位于另一条微带线2的两端，所述的直通端口6.2和耦合端口6.3同侧设置。
进一步的，输入端口6.1、直通端口6.2、耦合端口6.3、隔离端口6.4两侧均可通过设置微带鳍线8过渡实现波导法兰端口7的输入输出。
进一步的，波导法兰端口7的金属波导封装腔内可设置有周期排排列的金属柱，用于实现金属波导封装腔内的谐振模式抑制。
如图1所示，以一种77/79 GHz微带基片集成波导前向波定向耦合器为例，毫米波双面衬底上设置有两条相互平行的50欧姆微带线，两条相互平行的50欧姆微带线之间周期加载有三组基片集成波导，每组基片集成波导两侧均等间距的设置有基片集成波导短路过孔，基片集成波导的端部与相邻50欧姆微带线之间设置有三角形微带过渡段，两条微带线的端部分别形成输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，由于结构对称性，只需满足输入端口和直通端口分别位于一条微带线的两端、耦合端口和隔离端口分别位于另一条微带线的两端、直通端口和耦合端口同侧设置，输入输出端口相对位置可以相应顺序变化。
本实施例中，毫米波双面衬底采用印刷电路板技术加工制作而成，其双面衬底介 质为Rogers5880，相对介电常数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和损耗正切
Figure 694653DEST_PATH_IMAGE002
分别为2.2和0.0045。
本实施例中，如图2所示，每组微带基片集成波导具体结构结构尺寸为：h=0.127mm，p=3.6 mm，wm=0.38 mm，W siw=1.6 mm，L siw =4 mm，S vp =0.68 mm，D=0.3 mm ，W 1=0.38 mm，W 2=1.6 mm，L taper =0.95 mm，L MSL =0.5 mm。
本实施例中，如图3所示，输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口两侧均通过设置微带鳍线过渡形成波导法兰端口，通过波导法兰端口的金属波导封装腔内设置有周期排排列的金属柱，实现封装谐振抑制。
如图4和图5所示，该种低成本77/79 GHz微带基片集成波导前向波定向耦合器在76 GHz至81GHz频带范围内插入损耗在2 dB左右，输入回波损耗优于18 dB，耦合度在10-12dB之间，方向性系数大多优于20 dB。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：包括双面衬底（1），所述的双面衬底（1）的表面设置有两条微带线（2），所述的两条微带线（2）相互平行，所述的两条微带线（2）之间设置有若干基片集成波导（3），所述的基片集成波导（3）的端部与相邻微带线（2）之间设置有三角形微带过渡段（5），所述的微带基片集成波导（3）两侧边缘均设置有若干基片集成波导短路过孔（4）；
所述的两条微带线（2）的端部分别形成输入端口（6.1）、直通端口（6.2）、耦合端口（6.3）和隔离端口（6.4）。
2.如权利要求1所述的一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：所述的双面衬底（1）采用双面PCB板制造。
3.如权利要求1所述的一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：所述的两条微带线（2）之间的基片集成波导（3）的数量不少于两组。
4.如权利要求3所述的一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：所述的基片集成波导（3）的表面的基片集成波导短路过孔（4）沿基片集成波导（3）侧边缘等间距设置。
5.如权利要求3所述的一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：所述的基片集成波导（3）与微带线（2）相互垂直，所述的基片集成波导（3）与微带线（2）之间的三角形微带过渡段（5）的宽度由靠近基片集成波导（3）一端至靠近微带线（2）一端逐渐减小。
6.如权利要求1所述的一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：所述的输入端口（6.1）和直通端口（6.2）分别位于一条微带线（2）的两端，所述的耦合端口（6.3）和隔离端口（6.4）分别位于另一条微带线（2）的两端，所述的直通端口（6.2）和耦合端口（6.3）同侧设置。
7.如权利要求6所述的一种基于微带线和基片集成波导结构的前向波定向耦合器，其特征在于：所述的输入端口（6.1）、直通端口（6.2）、耦合端口（6.3）、隔离端口（6.4）两侧均可通过设置微带鳍线过渡（8）形成波导法兰端口（7）。
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