CN112563711B - 矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器 - Google Patents

矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矩形贴片‑半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，为轴对称结构；包括矩形贴片、两个背靠背的半模基片集成波导、金属化通孔阵列、梯形渐变线、50欧姆微带线、激励端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；其中，直通端口和耦合端口为半模基片集成波导端口，可直接与半模基片集成波导器件(比如半模基片集成波导天线)连接；激励端口和隔离端口为微带端口，可直接与有源电路或匹配负载连接，有利于提高系统集成度；而且该定向耦合器还具有结构紧凑和插入损耗低等优点。

Description

矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种90度定向耦合器，尤其涉及一种矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是现代微波毫米波无线系统中的重要部件，其在天线阵列馈电网络、平衡式功率放大器、正交混频器、本振倍频器和功率监测器等电路和系统中具有十分广泛的应用。
传统的金属波导窄边耦合定向耦合器是一种成熟的电桥结构，具有十分优异的性能，但也存在体积大、不易集成、加工和调试复杂等缺点。基片集成波导(SIW)具有和普通金属波导类似的传输特性，且能够采用传统的PCB工艺进行加工，SIW定向耦合器具有低损耗、低成本、低剖面、易于和其他平面电路集成等优点。然而，在一些对尺寸要求较为苛刻的电路和系统中，SIW定向耦合器的尺寸仍然偏大。为了缓解这一问题，有学者提出了半模基片集成波导(HMSIW)窄边耦合定向耦合器，相较于SIW窄边耦合定向耦合器，其尺寸获得了约50％的缩减，同时在性能上保持了相似的水准。在此基础上，又有学者提出了HMSIW宽边耦合定向耦合器和折叠半模基片集成波导(FHMSIW)窄边耦合定向耦合器，这两种定向耦合器的尺寸约为HMSIW窄边耦合定向耦合器的50％，但多层介质基板和盲孔的使用极大地增加了加工成本和复杂度。此外，还有研究人员提出使用SIW和共面波导(CPW)的杂交结构或HMSIW和金属背面支撑槽线(CBS)的杂交结构来设计尺寸更小的定向耦合器，但这些定向耦合器的非对称结构引起了输出端相位的不平衡，导致它们在实际应用中受到了很大的限制。
目前，HMSIW窄边耦合定向耦合器仍然是在单层介质基板上所能实现的SIW系列定向耦合器中尺寸最小的。但是，由于HMSIW无法与有源电路直接兼容，需要额外的转接结构向微带或共面波导等平面传输线过渡，因而增加了额外的损耗和面积。在有源天线和六端口接收机的设计中，常常需要HMSIW定向耦合器的其中两个端口与HMSIW兼容，而另外两个端口与有源电路兼容。比如，在有源天线及阵列的设计中，HMSIW定向耦合器的其中两个HMSIW端口可直接与HMSIW天线辐射单元及阵列相连，但另外两个端口则需要通过转接结构过渡到微带或共面波导等平面传输线再与放大器或匹配负载相连，这样不仅降低了天线的辐射效率，而且还增加了系统的整体尺寸。
因此，需要发明一种能够和有源电路及HMSIW器件直接兼容的紧凑型90度定向耦合器。
发明内容
本发明针对HMSIW定向耦合器无法与有源电路直接兼容的问题，提供了一种矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，其HMSIW端口可与HMSIW器件(比如HMSIW天线)直接连接，微带端口可与有源电路直接连接，有利于提高系统集成度，而且该定向耦合器还具有结构紧凑和插入损耗低等优点。
本发明采用如下技术方案：
一种矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，为轴对称结构；包括矩形贴片、两个背靠背的半模基片集成波导、金属化通孔阵列、梯形渐变线、50欧姆微带线、激励端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；金属化通孔阵列设置在定向耦合器的轴线一端，用于构成两个背靠背的半模基片集成波导的共同侧壁；
矩形贴片用于实现能量耦合，其宽度与两个背靠背的半模基片集成波导的宽度之和相同，调节其宽度可有效控制定向耦合器的工作频段，调节其长度可有效控制定向耦合器的耦合度；
矩形贴片的一端与两个背靠背的半模基片集成波导相连，构成了HMSIW形式的直通端口和耦合端口，可直接与HMSIW器件(比如HMSIW天线)连接；矩形贴片的另一端通过两段梯形渐变线分别与两段50欧姆微带线相连，构成了微带形式的激励端口和耦合端口，可直接与有源电路或匹配负载连接；
梯形渐变线的作用是实现50欧姆微带线与矩形贴片之间的宽带阻抗匹配，当所需的相对带宽小于10％时,无需使用梯形渐变线，可将矩形贴片与50欧姆微带线直接相连；
矩形贴片的中轴线与定向耦合器的轴线重合。
当信号以准TEM模(微带模式)的形式从激励端口输入后，在矩形贴片下方进行能量耦合和模式转换，并以准TE0.5，0模(HMSIW模式)的形式从直通端口和耦合端口输出，两路输出信号之间的相位差为90度，幅度差可通过矩形贴片的长度进行调节，与此同时，隔离端口则几乎没有能量输出。
本发明具有以下优点：
(1)同时具备微带端口和HMSIW端口，可与有源电路和HMSIW器件(比如HMSIW天线)直接兼容，有利于系统集成；
(2)利用矩形贴片-半模基片集成波导杂交结构，缩减了定向耦合器的尺寸，有利于系统的小型化；
(3)利用矩形贴片-半模基片集成波导杂交结构，降低了定向耦合器的插入损耗，同时保持了带宽、隔离度、幅度和相位平衡度等性能。
附图说明
图1是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的结构示意图；
图2是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的一个典型应用场景；
图3是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器与传统HMSIW窄边耦合定向耦合器(左侧两个端口通过转接结构过渡到微带)的尺寸对比；
图4是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的S参数仿真结果；
图5是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的幅度和相位平衡特性的仿真结果。
图中标记：矩形贴片1、两个背靠背的半模基片集成波导2、金属化通孔阵列3、梯形渐变线4、50欧姆微带线5、激励端口6、直通端口7、耦合端口8、隔离端口9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，包括矩形贴片1、两个背靠背的半模基片集成波导2、金属化通孔阵列3、梯形渐变线4、50欧姆微带线5、激励端口6、直通端口7、耦合端口8和隔离端口9；该定向耦合器为轴对称结构；金属化通孔阵列3设置在定向耦合器的轴线一端，用于构成两个背靠背的半模基片集成波导2的共同侧壁；矩形贴片1用于实现能量耦合，其宽度与两个背靠背的半模基片集成波导2的宽度之和相同，调节其宽度可有效控制定向耦合器的工作频段，调节其长度可有效控制定向耦合器的耦合度；矩形贴片1的一端与两个背靠背的半模基片集成波导2的一端相连，背靠背的半模基片集成波导2的另一端构成了HMSIW形式的直通端口7和耦合端口8，可直接与HMSIW器件(比如HMSIW天线)连接；矩形贴片1的另一端通过两段梯形渐变线4分别与两段50欧姆微带线5的一端相连，两段50欧姆微带线5的另一端构成了微带形式的激励端口6和耦合端口8，可直接与有源电路或匹配负载连接；梯形渐变线4的作用是实现50欧姆微带线5与矩形贴片1之间的宽带阻抗匹配，当所需相对带宽小于10％时,无需使用梯形渐变线4，可将矩形贴片1与50欧姆微带线5直接相连。
图2是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的一个典型应用场景，其中杂交型90度定向耦合器10的激励端口6和隔离端口9直接与有源电路11连接，直通端口7和耦合端口8直接与HMSIW天线辐射单元及阵列12连接，从而减小了系统的整体尺寸、提高了系统的集成度。
图3是本发明提出的矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器13与传统HMSIW窄边耦合定向耦合器14的尺寸对比。传统HMSIW窄边耦合定向耦合器14中矩形贴片14a的两端分别与两个背靠背的半模基片集成波导14b和两个背靠背的半模基片集成波导14c相连，因此无法与有源电路直接兼容。为了使其左右两侧能够分别与有源电路和HMSIW器件(比如HMSIW天线)相连，其左侧的两个背靠背的半模基片集成波导14b需要通过转接结构14d过渡到50欧姆微带线14e，而其右侧的两个背靠背的半模基片集成波导14b构成了两个HMSIW端口。由图可见，由于本发明不存在传统HMSIW窄边耦合定向耦合器左侧的两个背靠背的半模基片集成波导14b，因此本发明的尺寸约为传统HMSIW窄边耦合定向耦合器的80％，而且插入损耗更低。需要说明的是，本发明中梯形渐变线4的尺寸与传统HMSIW窄边耦合定向耦合器14的转接结构14d的尺寸并不完全相同，而且本发明中矩形贴片1的长度比传统HMSIW窄边耦合定向耦合器14中矩形贴片14a的长度短了13.5％。
图4是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的S参数仿真结果。在仿真过程中，激励、直通、耦合、隔离端口分别被设置为第一、二、三、四端口，而且直通端口和耦合端口均通过转接结构从半模基片集成波导端口过渡到了微带端口。由仿真结果可见，该定向耦合器的中心频率为12.5GHz,|S21|和|S31|在11～14GHz频率范围内为-3.8±0.5dB，相对工作带宽为24％。在工作频段内，该定向耦合器的回波损耗(|S21|)优于-18dB,隔离度(|S41|)优于20dB。与传统HMSIW窄边耦合定向耦合器相比，本发明获得了相似的相对带宽、回波损耗和隔离度等性能，但插入损耗降低了0.2dB。在本实例中，介质基板采用的是0.5mm厚度的Tanconic TLY-5,相对介电常数为2.2。
图5是矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器的幅度和相位平衡特性仿真结果。由图可见，在11～14GHz的工作频段内，本发明直通端和耦合端的幅度差绝对值小于1dB,相位差在90°±1°以内，具有良好的幅度和相位平衡特性。
综上，与传统HMSIW窄边耦合定向耦合器相比，本发明的结构更为紧凑，能与有源电路直接兼容，便于系统集成，同时具有更小的插入损耗，而相对带宽、回波损耗、隔离度、幅度和相位平衡性等其他性能均保持了相似的水准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，为轴对称结构；其特征在于包括矩形贴片、两个背靠背的半模基片集成波导、金属化通孔阵列、梯形渐变线、50欧姆微带线、激励端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；
金属化通孔阵列设置在定向耦合器的轴线一端，用于构成两个背靠背的半模基片集成波导的共同侧壁；
矩形贴片用于实现能量耦合，其宽度与两个背靠背的半模基片集成波导的宽度之和相同；
矩形贴片的一端与两个背靠背的半模基片集成波导相连，构成了HMSIW形式的直通端口和耦合端口，可直接与HMSIW器件连接；矩形贴片的另一端通过两段梯形渐变线分别与两段50欧姆微带线相连，构成了微带形式的激励端口和耦合端口，可直接与有源电路或匹配负载连接；
梯形渐变线用于实现50欧姆微带线与矩形贴片之间的宽带阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，其特征在于调节矩形贴片宽度可有效控制定向耦合器的工作频段，调节矩形贴片长度可有效控制定向耦合器的耦合度。
3.如权利要求1所述的矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，其特征在于当所需的相对带宽小于10％时,无需使用梯形渐变线，可将矩形贴片与50欧姆微带线直接相连。
4.如权利要求1-3任一所述的矩形贴片-半模基片集成波导杂交型90度定向耦合器，其特征在于当信号以准TEM模的形式从激励端口输入后，在矩形贴片下方进行能量耦合和模式转换，并以准TE0.5，0模的形式从直通端口和耦合端口输出，两路输出信号之间的相位差为90度，幅度差可通过矩形贴片的长度进行调节，隔离端口则几乎没有能量输出。
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