CN113410601B - 一种带状线前向波定向耦合器单元电路 - Google Patents

一种带状线前向波定向耦合器单元电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无源微波器件领域的一种带状线前向波定向耦合器单元电路。其包括：接地板组，包括等尺寸平行设置的上、下两个接地板，且二者之间设置有平行板；平行板，包括等尺寸平行设置的上、下两个金属板，且二者之间设置有耦合带状线组；所述耦合带状线组和金属板之间、相邻的金属板和接地板之间均设有介质层；第一金属过孔组，连接于相邻的金属板与接地板之间；第二金属过孔，连接于两个接地板之间，且第二金属过孔处连接有第一金属圆环衬垫和第二金属圆环衬垫，其中，第一金属圆环衬垫通过第一分支线与耦合带状线组相连接。所述带状线前向波定向耦合器单元电路具有自封装特性，更利于系统前端集成，结构简单，实用性较强。

Description

一种带状线前向波定向耦合器单元电路
技术领域
本发明涉及一种带状线前向波定向耦合器单元电路，属于无源微波器件技术领域。
背景技术
作为一种微波无源器件，定向耦合器的作用是将微波信号按一定比例进行功率分配和功率合成且保持一定的方向性。信号从输入端输入，在直通端和耦合端输出并保持相互隔离。在各种通信系统中，定向耦合器应用较为广泛。例如，在射频通信系统中，它可以用于信号检测与处理，信号合成、功率监测等；在无线通信系统中，它可以实现信号间的相互隔离等；在连续波调频雷达系统中，将部分能量耦合出来作为本振信号，它可以用来合成相控雷达系统馈电网络的天线方向图等。从耦合机制来看，定向耦合器可以划分为前向波定向耦合器(Forward-Wave Directional Coupler,简称FWDC)和后向波定向耦合器(Backward-Wave Directional Coupler,简称BWDC)。FWDC是在保持奇偶模特性阻抗相等的前提下，使奇偶模产生一定程度的相位差，从而实现能量耦合；而后向波定向耦合器是在保持奇偶模相速相等的前提下，利用奇偶模特性阻抗的不相等来实现能量耦合。
近年来，研究人员基于微带传输线的周期单元电路，提出了多种FWDC。一是采用复合左/右微带传输线结构设计和实现了FWDC，同时四分之一波长阻抗变换器用于端口的阻抗匹配。二是基于蘑菇单元的耦合微带线结构设计和实现了小型化FWDC。三是基于Y型周期结构的耦合微带线设计和实现了宽带FWDC。四是基于周期性平行板和垂直金属折线的耦合微带线设计和实现了FWDC的宽带化和小型化性能。五是综合应用微带传输线和衬底集成波导，设计和实现了毫米波FWDC。上述FWDC都是基于微带传输线周期单元结构设计的，同时微带传输线本身不具备自封装特性，因此在实际应用中受到一定的限制。对于多波束扫描天线及其波束形成网络来说，由于带状线具备自封装特性，因此带状线FWDC通常作为系统前端集成的最佳方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带状线前向波定向耦合器单元电路，所述单元电路具有自封装特性，更利于系统前端集成，且结构简单，实用性较强。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种带状线前向波定向耦合器单元电路，包括：
接地板组，包括等尺寸平行设置的上、下两个接地板，且二者之间设置有平行板；
平行板，包括等尺寸平行设置的上、下两个金属板，且二者之间设置有耦合带状线组；
所述耦合带状线组和金属板之间、相邻的金属板和接地板之间均设有介质层；
第一金属过孔组，连接于相邻的金属板与接地板之间；
第二金属过孔，连接于两个接地板之间，且第二金属过孔处连接有第一金属圆环衬垫和第二金属圆环衬垫，其中，第一金属圆环衬垫通过第一分支线与耦合带状线组相连接，第二金属圆环衬垫通过第二分支线与下金属板相连接。
优选的，所述第一金属过孔组包括：
连接于上金属板和上接地板之间的上部第一金属过孔组；
连接于下金属板和下接地板之间的下部第一金属过孔组；
所述上部第一金属过孔组和下部第一金属过孔组均包括多个等间距设置的第一金属过孔。
优选的，所述上金属板与上部第一金属过孔组构成上多孔蘑菇结构，所述下金属板与下部第一金属过孔组构成下多孔蘑菇结构。
优选的，所述第二金属过孔的数量为两个，且两个第二金属过孔位于平行板的左右两侧设置。
优选的，所述介质层包括设置在相邻的接地板与金属板之间的材料Rogers4350B，以及设置在耦合带状线组和金属板之间的材料Rogers4450F。
优选的，所述耦合带状线组包括两条耦合带状线，且耦合带状线的线宽和耦合间距分别为w＝0.7mm和s＝0.6mm。
优选的，所述上、下金属板的长度均为l＝5mm且宽度均为d4＝3mm。
优选的，所述第一分支线和第二分支线的长度均为d3＝1.4mm且宽度均为w0＝0.5mm。
优选的，所述相邻的接地板与金属板之间的介质层高度为h1＝0.508mm，所述耦合带状线组和金属板之间的介质层高度为h2＝0.16mm。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明通过设计一种带状线前向波定向耦合器单元电路，该单元电路具有自封装特性，更利于系统前端集成，且结构简单，实用性较强。同时，本发明通过引入短路分支线结构增强了耦合器的工作带宽，通过引入多孔蘑菇结构增大了耦合器的奇偶模相位差。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路三维结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的俯视图。
图3为本发明实施例所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的截面图。
图4为本发明实施例所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的奇偶模电长度。
图5为本发明实施例所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的奇偶模相位差。
图6为本发明实施例所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的奇偶模布洛赫阻抗。
图7为本发明实施例所提供的六个单元电路级联后的带状线前向波定向耦合器散射参数仿真结果图。
图中：1、上接地板；2、平行板；3、第一金属过孔组；4、耦合带状线组；5、第一分支线；6、第一金属圆环衬垫；7、第二金属过孔；8、第二分支线；9、第二金属圆环衬垫；10、下接地板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：
一种带状线前向波定向耦合器单元电路，该单元电路包括五层电路结构以及设置在相邻电路结构之间的四层介质层，如图1所示。五层电路结构包括：上接地板1、平行板2、第一金属过孔组3、耦合带状线组4、两条第一分支线5、两个第一金属圆环衬垫6、两个第二金属过孔7、两条第二分支线8、两个第二金属圆环衬垫9、下接地板10；其中，上接地板1位于整体电路第一层；平行板2包括等尺寸平行设置的上、下金属板，其中上金属板位于整体电路的第二层，下金属板位于整体电路的第四层；耦合带状线组4位于整体电路的第三层；下接地板10位于整体电路的第五层；四层介质层包括设置在上接地板1与上金属板、下金属板与下接地板10之间的材料Rogers4350B，以及设置在耦合带状线组4和上、下金属板之间的材料Rogers4450F，上接地板1和下接地板10也为等尺寸平行设置。
具体的，第一金属过孔组3包括：连接于上金属板和上接地板1之间的上部第一金属过孔组，连接于下金属板和下接地板10之间的下部第一金属过孔组，其中，上部第一金属过孔组和下部第一金属过孔组均包括多个等间距设置的第一金属过孔，需要说明的是，上金属板与上部第一金属过孔组构成上多孔蘑菇结构，下金属板与下部第一金属过孔组构成下多孔蘑菇结构，通过引入多孔蘑菇结构增大了耦合器的奇偶模相位差；第二金属过孔7的数量为两个，且两个第二金属过孔7位于平行板2左右两侧设置，第二金属过孔7的两端分别与上接地板1和下接地板10连接，使得两个第二金属过孔7处于短路接地；耦合带状线组4包括两条耦合带状线，且两条耦合带状线分别通过同一层的两条第一分支线5和两个第一金属圆环衬垫6连接，且两个第一金属圆环衬垫6分别与两个第二金属过孔7连接，使得两条第一分支线5处于短路状态；下金属板通过同一层的两条第二分支线8连接有两个第二金属圆环衬垫9，且两个第二金属圆环衬垫9分别与两个第二金属过孔7连接，使得两条第二分支线8处于短路状态。
请参阅图2，该单元电路结构的周期p＝10mm，宽度d＝20mm。耦合带状线组4的线宽和耦合间距分别为w＝0.7mm和s＝0.6mm，平行板2的上、下金属板尺寸相同，其长度和宽度分别为l＝5mm和d4＝3mm，第一金属过孔的半径为r1＝0.18mm，第二金属过孔7的半径为r2＝0.2mm，第二金属圆环衬垫9的内径与第二金属过孔7的半径r2相等，其外径为r3＝0.4mm，第一金属过孔的相邻金属过孔之间的间距为d2＝1mm，第一金属过孔组3的最外侧金属过孔与单元结构边缘之间的距离为d1＝3mm，第一分支线5和第二分支线8尺寸相同，其长度为d3＝1.4mm，宽度为w0＝0.5mm。请参阅图3，相邻两层电路结构之间的介质层的高度为h1＝0.508mm，h2＝0.16mm，材料Rogers4350B、Rogers4450F的相对介电常数分别为3.48和3.5。
图4为本发明所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的奇偶模电长度。由图4可以看出，单元电路的奇偶模电长度曲线被分开，同时其工作带宽也随之增大。
图5为本发明所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的奇偶模相位差。由图5可知，在5.3-6.7GHz频率范围内，单元结构的奇偶模相位差为20°-30°。
图6为本发明所提供的带状线前向波定向耦合器单元电路的奇偶模布洛赫阻抗。由图6可以看出，在6.1-7GHz频率范围内，单元结构的奇偶模布洛赫阻抗为50Ω±30Ω。
图7为本发明六个单元电路级联后的散射参数仿真结果，其中S11代表驻波，S21为直通端的输出，S31为耦合端口的输出，S41为隔离端口的输出。对于奇偶模激励而言，通过该前向波定向耦合器单元电路，在6.1-6.7GHz频段范围内实现相位差20°-30°，最高耦合强度S31达2.5dB，耦合带宽达9.38％，在6.1-6.7GHz频段范围内驻波S11、直通端S21与隔离端口S41均在-10dB以下，结构简单，实用性较强，同时，所提出的前向波定向耦合器单元电路具有自封装特性，更适合实际应用。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，包括：
接地板组，包括等尺寸平行设置的上、下两个接地板，且二者之间设置有平行板；
平行板，包括等尺寸平行设置的上、下两个金属板，且二者之间设置有耦合带状线组；
所述耦合带状线组和金属板之间、相邻的金属板和接地板之间均设有介质层；
第一金属过孔组，连接于相邻的金属板与接地板之间；
第二金属过孔，连接于两个接地板之间，所述第二金属过孔的数量为两个，且两个第二金属过孔位于平行板的左右两侧设置，每个第二金属过孔处连接有第一金属圆环衬垫和第二金属圆环衬垫，其中，第一金属圆环衬垫通过第一分支线与耦合带状线组相连接，第二金属圆环衬垫通过第二分支线与下金属板相连接。
2.根据权利要求1所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述第一金属过孔组包括：
连接于上金属板和上接地板之间的上部第一金属过孔组；
连接于下金属板和下接地板之间的下部第一金属过孔组；
所述上部第一金属过孔组和下部第一金属过孔组均包括多个等间距设置的第一金属过孔。
3.根据权利要求2所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述上金属板与上部第一金属过孔组构成上多孔蘑菇结构，所述下金属板与下部第一金属过孔组构成下多孔蘑菇结构。
4.根据权利要求1所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述介质层包括设置在相邻的接地板与金属板之间的材料Rogers4350B，以及设置在耦合带状线组和金属板之间的材料Rogers4450F。
5.根据权利要求1所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述耦合带状线组包括两条耦合带状线，且耦合带状线的线宽和耦合间距分别为w＝0.7mm和s＝0.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述上、下金属板的长度均为l＝5mm且宽度均为d4＝3mm。
7.根据权利要求1所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述第一分支线和第二分支线的长度均为d3＝1.4mm且宽度均为w0＝0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种带状线前向波定向耦合器单元电路，其特征是，所述相邻的接地板与金属板之间的介质层高度为h1＝0.508mm，所述耦合带状线组和金属板之间的介质层高度为h2＝0.16mm。
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Assignee: Small Tea Table (Jiangsu) Culture and Technology Co.,Ltd.

Assignor: Jiangsu electronic information Vocational College

Contract record no.: X2022980026525

Denomination of invention: A stripline forward wave directional coupler unit circuit

Granted publication date: 20220218

License type: Common License

Record date: 20230105

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