CN114156623B - 微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，主要包括分支线耦合器、低通滤波器、缝隙耦合馈电结构、基片集成波导(SIW)定向耦合器、SIW90度转角和50欧姆馈电微带线。本发明能够同时覆盖频率跨度很大的微波频段和毫米波频段，实现了高频比的双频段耦合，而面积仅与微波频段的单频带分支线耦合器相当；另一方面，由于微波频段信号和毫米波频段信号具有相互隔离的物理传输路径，两者之间互不影响，隔离度高，因此使得两个频段的耦合器设计完全独立，大大方便了双频带高频比耦合器的设计。

Description

微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器
技术领域
本发明属于微波毫米波技术领域，涉及一种双频带定向耦合器，尤其涉及一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，能够同时覆盖多个频段、兼容多种通信标准并提供高质量服务的多功能系统已成为未来无线通信系统发展的必然趋势。比如，5G低频段包括900MHz、2.4GHz，3.5GHz和5GHz等微波频段；同时，5G高频段还包括26GHz,28GHz和39GHz等毫米波频段。可以预见，未来无线通信系统的发展趋势必然是微波和毫米波技术共存，因此设计和实现同时支持微波频段和毫米波频段的双频带/多频带电路和系统至关重要。但是微波频段和毫米波频段间隔较大，例如2.4GHz和28GHz的频比高达11.67，要实现如此高频比的双频带器件是一项很大的挑战。
定向耦合器是无线通信系统中的重要器件。对于双频带定向耦合器而言，实现高频比主要包含以下几种方法：1)使用对称阶梯阻抗耦合线替换四分之一波长耦合线，其缺点是耦合度不高；2)在传统的分支线耦合器两端和中间增加开路抽头构成E型网络，最高频比能达到8；3)两对微带耦合线一端通过两段微带传输线相连，且连接处接有开路负载，两对微带耦合线另一端接耦合器端口，虽然最高频比达到了11.7，但是其高频段的频率只有12GHz左右。上述双频带高频比定向耦合器在高、低两个频带均采用微带方案，若高频带达到毫米波频段，将会造成很大的损耗，而且两个频带的设计相互关联，设计复杂度高。
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于微带和基片集成波导(SIW)的微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，可以同时适用于微波频段和毫米波频段，且两个频带的设计相互独立，降低了设计复杂度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于微带和SIW的微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器。
本发明采用如下技术方案：
一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，为双轴对称结构，包括：
第一介质基板；
第二介质基板，位于所述第一介质基板的下方；
中间层金属地，位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间；
底层金属地，位于所述第二介质基板的底层；
工作在微波频带的分支线耦合器，位于所述第一介质基板的顶层；
双频耦合器端口，位于所述第一介质基板的顶层；
馈电微带线，位于所述第一介质基板的顶层；
低通滤波器，位于所述第一介质基板的顶层；
工作在毫米波频带的SIW定向耦合器，位于分支线耦合器的下方；
其中，所述中间层金属地开有四个耦合缝隙；四个耦合缝隙分别处于四条馈电微带线的正下方相对位置，即耦合缝隙位于双频耦合器端口与低通滤波器之间位置的下方；且四个耦合缝隙分别相对应位于SIW定向耦合器的四个端口内部。
每个耦合缝隙与最近距离低通滤波器的距离L1为双频带耦合器高频带中心频率对应的四分之一波长。
耦合缝隙长度Lap为毫米波信号中心频率对应的二分之一波长。
所述分支线耦合器的输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口各自与一个低通滤波器的一端连接；低通滤波器的另一端与馈电微带线的一端连接，馈电微带线的另一端作为双频耦合器端口。
所述微波频段信号和毫米波频段信号分别通过分支线耦合器和SIW定向耦合器通过耦合缝隙耦合，因此分支线耦合器和SIW耦合器的中心频率和带宽可以独立设计。
作为优选，所述分支线耦合器包括一对平行设置的水平向微带线、一对平行设置的纵向微带线、输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口；由上述四条微带线围合成一个封闭式的矩形结构；其中一个水平向微带线和相邻纵向微带线的交接处构成输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口中的一个端口。
作为优选，水平向微带线、纵向微带线的电长度均为低频带中心频率对应的四分之一波长。
作为优选，馈电微带线采用50欧姆微带线，水平向微带线的宽度WC1对应33.36欧姆微带阻抗，纵向微带线的宽度WC2对应50欧姆微带阻抗。
作为优选，分支线耦合器的中心频率为2.4GHz。
作为优选，所述低通滤波器为三阶阶梯阻抗滤波器，包括第一阻抗微带线、第二阻抗微带线、中间阻抗微带线、第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一阻抗微带线、第二阻抗微带线平行设置，中间阻抗微带线与第一阻抗微带线、第二阻抗微带线垂直设置，中间阻抗微带线的两端分别与第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的中点连接，第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的中点分别再接第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一输入输出馈线接分支线耦合器的输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口中的一个端口，第二输入输出馈线接馈电微带线；低通滤波器的作用是阻止毫米波频段信号在顶层分支线耦合器中传输，使毫米波段信号通过缝隙耦合进入SIW中传输，同时不影响微波频段信号在分支线耦合器中传输。
更为优选，第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的结构尺寸相同，即宽度WF1和长度LF1相同，宽度WF1对应20欧姆微带阻抗；中间阻抗微带线的长度LF2比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的长度LF1长，宽度WF2比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的宽度WF1窄，宽度WF2对应100欧姆微带阻抗。
作为优选，所述SIW定向耦合器包括周期性分布的多个金属化通孔、中间层金属地、底层金属地；所述金属化通孔贯穿第二介质基板，用于连接中间层金属地、底层金属地；所述SIW定向耦合器包括耦合部分，位于耦合部分两端的两个SIW馈电部分以及四个端口；所述耦合部分的中心开有耦合窗口，耦合窗口处无金属化通孔设置，用于实现能量的耦合，其长度与耦合量正相关；所述耦合部分两侧壁设有金属化通孔支节，用于在耦合量一定的情况下缩短耦合窗口的长度；所述SIW馈电部分设有耦合匹配金属化通孔、转角匹配金属化通孔；SIW馈电部分与耦合缝隙、耦合匹配金属化通孔、转角匹配金属化通孔共同实现SIW定向耦合器的馈电，调节耦合匹配金属化通孔的位置和直径以及耦合缝隙的长度和宽度，可以实现耦合馈电的阻抗匹配，调节转角匹配金属化通孔的位置和直径，可以实现SIW 90度转角的阻抗匹配。
作为优选，SIW定向耦合器的中心频率为28GHz。
工作原理：
微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器由一个工作在微波频带的分支线耦合器和一个工作在毫米波频带的SIW耦合器合成。通过调节馈电微带线，使其超过耦合缝隙与最近距离低通滤波器的距离L1，以及耦合缝隙的长度Lap和宽度Wap，可以将毫米波信号由微带耦合到SIW中。调节耦合匹配金属化通孔的直径Dvia2、以及与SIW侧壁的距离Wvia2、Lvia2，可以实现缝隙耦合馈电的阻抗匹配。
微波频段通带(低频带)：微波频段信号经过馈电微带线和低通滤波器进入分支线耦合器实现耦合，由于耦合缝隙的长度和宽度尺寸均很小，因此不影响微波频段信号在顶层微带结构中的传输。同时，由于SIW的截止特性，微波频段信号在SIW中无法传输。因此，微波频段信号仅在顶层微带结构中传输，构成双频段耦合器的低频带。改变分支线耦合器的两个分支线长度LC，可以调节耦合器低频带的中心频率。
毫米波频段通带(高频带)：调节耦合缝隙距离低通滤波的长度L1，可以使毫米波信号在耦合缝隙正上方处实现“短路”。这个“短路”一方面能阻止毫米波信号进入分支线耦合器，另一方面还能使毫米波频段信号通过缝隙耦合进入SIW中传输。耦合缝隙长度Lap为毫米波信号中心频率对应的二分之一波长。因此，毫米波频段的信号仅在SIW耦合器中传输，构成双频带耦合器的高频带。改变SIW的宽度Wvia，可以调节耦合器高频带的中心频率；调节SIW耦合器中耦合窗口的宽度Wsiwap、以及金属化通孔支节的长度Hstub和宽度Wstub,可以调节SIW耦合器的耦合量，优化低通滤波器的尺寸LF1、LF2、WF1和WF2，可以滤除进入分支线耦合器的毫米波频段信号。
本发明具有以下优点：
(1)同时覆盖频率跨度很大的微波频段和毫米波频段，实现了高频比的双频段耦合，而面积仅与微波频段的单频带分支线耦合器相当；
(2)微波频段信号和毫米波频段信号具有相互隔离的物理传输路径，两者之间互不影响，隔离度高；
(3)两个频带的耦合器设计完全独立，可以方便地设计每个频带的耦合量和中心频率。
附图说明
图1是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器的整体结构图；
图2(a)、(b)、(c)、(d)分别是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器的顶层微带结构图、第二介质基板与金属化通孔结构图、中间层金属地结构图和缝隙耦合馈电结构图；
图3(a)、(b)分别是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器的2.4GHz和28GHz频率处的电场分布图；
图4(a)、(b)分别是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器低频带和高频带的S参数仿真结果；
图5(a)、(b)是分别是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器低频带和高频带的幅度和相位平衡特性的仿真结果。
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，一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，为双轴对称结构，包括顶层微带结构1、第一介质基板2、中间层金属地3、第二介质基板4、底层金属地5、以及贯穿第二介质基板的金属化通孔6、第一双频耦合器端口1a、第二双频耦合器端口1b、第三双频耦合器端口1c、第四双频耦合器端口1d；
如图2(a)顶层微带结构1包括第一馈电微带线1e、第二馈电微带线1f、第三馈电微带线1g、第四馈电微带线1h、第一低通滤波器1i、第二低通滤波器1j、第三低通滤波器1k、第四低通滤波器1l、分支线耦合器1m；第一馈电微带线1e、第二馈电微带线1f、第三馈电微带线1g、第四馈电微带线1h采用50欧姆馈电微带线；
分支线耦合器1m包括一对平行设置的水平向微带线1n、一对平行设置的纵向微带线1o、输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口；由上述四条水平向微带线1n、纵向微带线1o围合成一个封闭式的矩形结构；其中一个水平向微带线1n和相邻纵向微带线1o的交接处构成输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口中的一个端口。水平向微带线1n的宽度WC1对应33.36欧姆微带阻抗，纵向微带线1o的宽度WC2对应50欧姆微带阻抗。分支线耦合器1m的中心频率为2.4GHz。
分支线耦合器1m的输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口分别各自与第一低通滤波器1i、第二低通滤波器1j、第三低通滤波器1k、第四低通滤波器1l的一端连接，第一低通滤波器1i、第二低通滤波器1j、第三低通滤波器1k、第四低通滤波器1l的一端的另一端分别接第一双频耦合器端口1a、第二双频耦合器端口1b、第三双频耦合器端口1c、第四双频耦合器端口1d。
第一低通滤波器1i、第二低通滤波器1j、第三低通滤波器1k、第四低通滤波器1l为三阶阶梯阻抗滤波器，每个低通滤波器包括第一阻抗微带线、第二阻抗微带线、中间阻抗微带线、第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一阻抗微带线、第二阻抗微带线平行设置，中间阻抗微带线与第一阻抗微带线、第二阻抗微带线垂直设置，中间阻抗微带线的两端分别与第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的中点连接，第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的中点分别再接第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一输入输出馈线接分支线耦合器的输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口中的一个端口，第二输入输出馈线接馈电微带线；低通滤波器的作用是阻止毫米波频段信号在顶层分支线耦合器中传输，使毫米波段信号通过缝隙耦合进入SIW中传输，同时不影响微波频段信号在分支线耦合器中传输。第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的结构尺寸相同，即宽度WF1和长度LF1相同，宽度WF1对应20欧姆微带阻抗；中间阻抗微带线的长度LF2比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的长度LF1长，宽度WF2比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的宽度WF1窄，宽度WF2对应100欧姆微带阻抗。
如图2(c)中间层金属地3上开槽有四个耦合缝隙7；第一耦合缝隙7a、第二耦合缝隙7b、第三耦合缝隙7c和第四耦合缝隙7d分别处于第一馈电微带线1e、第二馈电微带线1f、第三馈电微带线1g和第四馈电微带线1h的正下方，耦合缝隙7与低通滤波器的距离为双频带耦合器高频带中心频率对应的四分之一波长。图2(d)四个耦合缝隙位于SIW定向耦合器的4个端口内部相对位置。
如图2(b)金属化通孔6贯穿第二介质基板4，与中间层金属地3和底层金属地5相连，构成了SIW定向耦合器。SIW定向耦合器的中心频率为28GHz，由两部分构成：第一部分为耦合部分6a，包含耦合窗口6a1和金属化通孔支节6a2，耦合窗口6a1处无金属化通孔设置，用于实现能量的耦合，其长度与耦合量正相关，金属化通孔支节6a2用于在耦合量一定的情况下缩短耦合窗口6a1的长度；第二部分为SIW馈电部分6b，该部分和耦合缝隙7以及耦合匹配金属化通孔6c、转角匹配金属化通孔6d一同实现SIW定向耦合器的馈电，调节耦合匹配金属化通孔6c的位置和直径以及耦合缝隙7的长度和宽度，可以实现耦合馈电的阻抗匹配，调节转角匹配金属化通孔6d的位置和直径，可以实现SIW 90度转角的阻抗匹配。
在本实例中，介质基板采用的是介电常数为2.2，厚度为0.508mm的微波板材。
其最终尺寸如下表所示(单位：mm)：
Figure BDA0003335885210000061
Figure BDA0003335885210000071
图2是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器的电场图。由图3(a)中可见，在2.4GHz时，微波频段信号只从顶层微带结构中通过，而没有能量泄露到SIW耦合器中；由图3(b)可见，在28GHz时，毫米波频段信号由耦合缝隙进入SIW，并只在SIW耦合器中进行实现耦合，而没有能量泄露到分支线耦合器中。
图4是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器在频率比为11.67、功率比为1时的S参数仿真结果。该耦合器的两个工作频带的中心频率分别为2.4GHz和28GHz。低频带宽为0.43GHz，相对带宽为17.92％。高频带宽为7.57GHz，相对带宽为27.04％。在两个工作频段内,|S21|和|S31|的幅度差小于1dB，回波损耗(|S11|)均优于-15dB。隔离度(|S41|)均优于-15dB。
图5是微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器的幅度和相位平衡特性仿真结果。由图可见，无论是在低频带还是在高频带，本发明在直通端和耦合端的输出信号幅度差的绝对值为小于1dB,相位差在两个频带均为90±5°，具有良好的幅度和相位平衡特性。
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 (10)

1.一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，为双轴对称结构，其特征在于包括：
第一介质基板；
第二介质基板，位于所述第一介质基板的下方；
中间层金属地，位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间；
底层金属地，位于所述第二介质基板的底层；
工作在微波频带的分支线耦合器，位于所述第一介质基板的顶层；
双频耦合器端口，位于所述第一介质基板的顶层；
馈电微带线，位于所述第一介质基板的顶层；
低通滤波器，位于所述第一介质基板的顶层；
工作在毫米波频带的SIW定向耦合器，位于分支线耦合器的下方；
其中，所述中间层金属地开有四个耦合缝隙；四个耦合缝隙分别处于四条馈电微带线的正下方相对位置，即耦合缝隙位于双频耦合器端口与低通滤波器之间位置的下方；且四个耦合缝隙位于SIW定向耦合器的4个端口内相对位置；
每个耦合缝隙与最近距离低通滤波器的距离L 1 为双频带耦合器高频带中心频率对应的四分之一波长；
耦合缝隙长度L ap 为毫米波信号中心频率对应的二分之一波长；
所述分支线耦合器的输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口各自与一个低通滤波器的一端连接；低通滤波器的另一端与馈电微带线的一端连接，馈电微带线的另一端作为双频耦合器端口；
所述微波频段信号通过分支线耦合器，所述毫米波频段信号通过SIW定向耦合器，然后微波频段信号和毫米波频段信号通过耦合缝隙耦合。
2.如权利要求1所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于所述分支线耦合器包括一对平行设置的水平向微带线、一对平行设置的纵向微带线、输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口；由所述一对平行设置的水平向微带线和所述一对平行设置的纵向微带线围合成一个封闭式的矩形结构；其中一个水平向微带线和相邻纵向微带线的交接处构成输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口中的一个端口。
3.如权利要求2所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于水平向微带线、纵向微带线的电长度均为低频带中心频率对应的四分之一波长。
4.如权利要求2所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于馈电微带线采用50欧姆微带线，水平向微带线的宽度WC 1 对应33.36欧姆微带阻抗，纵向微带线的宽度WC 2 对应50欧姆微带阻抗。
5.如权利要求1所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于分支线耦合器的中心频率为2.4GHz，SIW定向耦合器的中心频率为28GHz。
6.如权利要求1所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于所述低通滤波器为三阶阶梯阻抗滤波器，包括第一阻抗微带线、第二阻抗微带线、中间阻抗微带线、第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一阻抗微带线、第二阻抗微带线平行设置，中间阻抗微带线与第一阻抗微带线、第二阻抗微带线垂直设置，中间阻抗微带线的两端分别与第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的中点连接，第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的中点分别再接第一输入输出馈线、第二输入输出馈线；第一输入输出馈线接分支线耦合器的输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口中的一个端口，第二输入输出馈线接馈电微带线。
7.如权利要求6所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的结构尺寸相同，即宽度WF 1和长度LF 1相同，宽度WF 1对应20欧姆微带阻抗；中间阻抗微带线的长度LF 2比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的长度LF 1长，宽度WF 2比第一阻抗微带线、第二阻抗微带线的宽度WF 1窄，宽度WF 2对应100欧姆微带阻抗。
8.如权利要求1所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于所述SIW定向耦合器包括周期性分布的多个金属化通孔、中间层金属地、底层金属地；所述金属化通孔贯穿第二介质基板，用于连接中间层金属地、底层金属地；所述SIW定向耦合器包括耦合部分，位于耦合部分两端的两个SIW馈电部分以及四个端口；所述耦合部分的中心开有耦合窗口，耦合窗口处无金属化通孔设置，用于实现能量的耦合，其长度与耦合量正相关；所述耦合部分两侧壁设有金属化通孔支节，用于在耦合量一定的情况下缩短耦合窗口的长度；所述SIW馈电部分设有耦合匹配金属化通孔、转角匹配金属化通孔；SIW馈电部分与耦合缝隙、耦合匹配金属化通孔、转角匹配金属化通孔共同实现SIW定向耦合器的馈电，调节耦合匹配金属化通孔的位置和直径以及耦合缝隙的长度和宽度，用以实现耦合馈电的阻抗匹配，调节转角匹配金属化通孔的位置和直径，用以实现SIW 90度转角的阻抗匹配。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于微波频段信号经过馈电微带线和低通滤波器进入分支线耦合器实现耦合，微波频段信号仅在分支线耦合器中传输，构成双频段耦合器的低频带。
10.如权利要求1-8任一项所述的一种微波毫米波双频带独立设计的高频比定向耦合器，其特征在于调节耦合缝隙距离低通滤波的长度L 1 ，使毫米波信号在耦合缝隙正上方处实现“短路”，用以实现阻止毫米波信号进入分支线耦合器，以及使毫米波频段信号通过缝隙耦合进入SIW定向耦合器中传输；毫米波频段的信号仅在SIW定向耦合器中传输，构成双频带耦合器的高频带。
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