CN114709585A - 一种基于交错蘑菇型双层间隙波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波毫米波无源器件技术领域，公开了一种定向耦合器、控制方法、天线馈电网络及平衡功率放大器，所述定向耦合器以基片集成间隙波导作为基础传输线，实现交错蘑菇型双层间隙波导传输线结构，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线结构由两条基片集成间隙波导镜像交错合成；采用金属通孔实现交错蘑菇型双层间隙波导传输线的耦合。本发明使用的传输线是在基片集成间隙波导传输线上进行演变设计的，该传输线为PCB结构，便于加工；本发明采用交错蘑菇型双层间隙波导结构，降低剖面且上下两层传输线隔离度较好；本发明仅使用一阶传输线设计了层间耦合的定向耦合器，达到了一定的带宽。

Description

一种基于交错蘑菇型双层间隙波导定向耦合器

技术领域

本发明属于微波毫米波无源器件技术领域，尤其涉及一种基于交错蘑菇型双层间隙波导定向耦合器。

背景技术

目前，现代通信技术不断发展，第五代通信技术的时代已经到来，需要更高质量、更高效率地传输数据。射频前端的电路是无线通信系统的基础，不但需要其能够在更高的频段传输，还需要实现多频段、宽频带、尺寸小等特点。定向耦合器作为无源器件，在射频电路中用于功率分配、组合，起着关键的作用。

2018年，D.Shen及K.Wang等学者提出了应用于第五代移动通信(5G)技术的基于基片集成间隙波导的宽带定向耦合器，使用基片集成间隙波导传输线设计耦合器，能够降低器件损耗，也为之后的网络拓扑设计提供了更多的可能。2020年，M.Y.Soliman及M.M.M.Ali等学者提出了一种工作在Ka波段的脊间隙波导宽带定向耦合器，使用脊间隙波导设计耦合器不仅符合5G频带需求，同时展宽了微波器件的带宽，降低了一部分损耗。这两种设计均实现了良好的性能，但属于单层结构，对于需要在两个及多个频段工作的天线来说则不适用。

2019年，D.Zarifi及A.Farahbakhsh等学者提出了工作在毫米波波段基于间隙波导的不同耦合系数定向耦合器，该定向耦合器可在不改变顶部和底部槽间隙波导和过渡的情况下使用不同的耦合层来改变耦合系数。该结构虽在不同金属之间无需良好电接触，但全金属的间隙波导结构体积大、重量重、剖面高，不便于加工。现有技术存在的缺陷解决的难度在于：使用何种传输线的问题。在毫米波波段，传统金属波导加工复杂、微带线损耗过大；如何实现双层结构且具有低剖面的特性；单一的将两条传输线叠层放置虽实现了双层结构，但降低剖面存在一定困难；如何在降低剖面的同时不影响耦合器隔离端性能。双层结构剖面降低会使上下两传输线距离较近，解决隔离度的问题也是一大难点。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有定向耦合器多使用单层传输线结构，无法实现功能多样化。

(2)现有通过层间耦合的定向耦合器使用的传输线多为全金属结构，加工组装较为困难。

(3)现有通过层间耦合的定向耦合器剖面高，应用范围小。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于交错蘑菇型双层间隙波导定向耦合器。

本发明是这样实现的，一种定向耦合器，所述定向耦合器以基片集成间隙波导作为基础传输线，实现交错蘑菇型双层间隙波导传输线结构，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线结构由两条基片集成间隙波导镜像交错合成；采用金属通孔实现交错蘑菇型双层间隙波导传输线的耦合。

进一步，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线的电磁带隙结构中蘑菇状销钉呈交错状排列。

进一步，所述电磁带隙结构中蘑菇状销钉为四个金属通孔下方共同连结一个金属贴片，上方分别连结四分之一的金属贴片。

进一步，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线上下层间引入两对金属通孔实现上下传输线的耦合。

进一步，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线包括三层介质板，通过半固化片粘合；其中，上层介质板和下层介质板厚度相同，上层介质板和下层介质板外表面为金属地板，内侧印制微带脊；中间层介质板金属通孔正常排列，上下表面圆形贴片交错排列，组成一个电磁带隙结构单元。

进一步，所述定向耦合器与同轴连接器过渡结构由基片集成间隙波导过渡到微带线再由微带线过渡到同轴。

进一步，所述定向耦合器的上层左右端口分别为输入端口和直通端口，下层左右端口分别为隔离端口和耦合端口。

本发明的另一目的在于提供一种天线馈电网络，所述天线馈电网络应用有所述的定向耦合器。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：本发明选择合适的传输线，可降低器件的损耗、解决加工中的实际困难；具有低剖面特性的双层结构，其应用会更加广泛。可实现两个及多个频段的工作，也可应用于小型化的通信系统中。目前对于低剖面、实现层间耦合的定向耦合器相关设计尚未出现，对于弥补该设计方向的空缺具有重要意义。

本发明采用新型双层传输线，在毫米波频段。该新型双层传输线将微带基片集成间隙波导传输线镜像交错排列，兼具了微带线和间隙波导传输线的优势：传输准TEM模，具有阻带特性、体积小、质量轻、损耗低。本发明在新型传输线的基础上引入两对金属通孔，使得进入输入端口的能量一部分进入下层传输线，一部分正常传输，实现层间耦合，具有良好的隔离度且剖面低、结构简单。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明基于交错蘑菇型双层间隙波导的定向耦合器，在射频前端电路可用于功率分配和组合，在多波束网络中，可做圆极化天线馈电网络、平衡功率放大器等，具有广泛应用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明使用的传输线是在基片集成间隙波导传输线上进行演变设计的，该传输线为PCB结构，便于加工；

(2)本发明采用交错蘑菇型双层间隙波导结构，降低剖面且上下两层传输线隔离度较好；

(3)本发明使用仅使用一阶传输线设计了层间耦合的定向耦合器，达到了一定的带宽。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：预期可以用在5G毫米波系统中，为解决多层多波束天线的实现提供一种解决方案。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明的技术方案填补了双层传输线的空白，将两条基片集成间隙波导镜像交错排列，形成交错蘑菇型双层间隙波导传输线，且上下两条传输线具有良好的隔离性能，不影响上下传输线的传输；此外，引用两对金属通孔实现上下传输线耦合的形式也是本发明的一大亮点，填补了业内外在相关器件上技术方案的空白。

(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明解决了双层传输线的剖面问题、上下传输线隔离度问题以及实现上下传输线耦合的问题。

(4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：对于双层传输线来说，剖面高度增加，那么上下两条传输线就会获得很好的隔离特性，本发明的技术方案克服了在低剖面下，上下两条传输线仍具有很好隔离特性的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的定向耦合器使用的传输线结构示意图；

图2是本发明实施例提供的定向耦合器的结构俯视示意图；

图3是本发明实施例提供的定向耦合器的结构侧视示意图；

图4是本发明实施例提供的各端口反射系数仿真结果示意图；

图5是本发明实施例提供的耦合度不平衡度及相位不平衡度仿真结果示意图；

图中：1、交错蘑菇型销钉；2、上层微带脊；3、下层微带脊；4、金属通孔；5、微带线；6、同轴连接器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

本发明通过将叠层放置的传输线合并为一层设计了新型双层传输线，如在本发明中将两条基片集成间隙波导传输线镜像交错放置。这样设计降低了传输线的剖面，同时上下两条传输线仍具有良好的隔离特性；对于定向耦合器的设计，不用于以往层间耦合的结构引入缝隙实现不同的耦合度，本发明引入了两对金属通孔，这类似于传统分支线定向耦合器的传输通道线，方便今后其他设计。

如图1所示为本发明中使用的交错蘑菇型双层间隙波导传输线及其电磁带隙结构。其由三层介质板组成，通过半固化片粘合起来。交错蘑菇型销钉结构1为两基片集成间隙波导镜像交错排列合成，其能量可在上层传输线2和下层传输线3中传输。

如图2和图3所示，本发明器件关于AA’对称。本发明包括基于新型双层间隙波导的定向耦合器、基片集成间隙波导到微带线5过渡结构、微带线5到同轴连接器6过渡结构。对于定向耦合器，上层传输线为输入端口和直通端口，下层传输线为隔离端口和耦合端口，引入两对金属通孔4实现上下传输线的耦合，此时两金属通孔4间距可看作传统分支线定向耦合器的主通道线，金属通孔长度为垂直分支线长度，两对金属通孔间距可看作水平分支线长度，为满足在一定频率内使定向耦合器工作，中间层高度可能不足λg/4，可先设定一个初值，之后对其进行扫参分析。

为实现耦合器的相位要求，定向耦合器的耦合部分为对称结构，但本发明结构的上下层间的金属销钉呈交错排列，可适当对上下传输线的长度进行补偿。

为满足加工需求，本发明中定向耦合器不能直接连结同轴，需设计基片集成间隙波导到微带线5过渡段，再由微带线5过渡到同轴连结器6。将各个部分连结起来，构成了本发明整体结构，达到了较好性能。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明基于交错蘑菇型双层间隙波导的定向耦合器，在射频前端电路可用于功率分配和组合，在多波束网络中，可做圆极化天线馈电网络、平衡功率放大器等，具有广泛应用。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

图4给出了本发明整体结构各端口反射系数的仿真结果图，可以看出本发明器件在22.8GHz-28.8GHz频带内反射系数小于-10dB，相对阻抗带宽达到了23.2％，直通端口与耦合端口的幅度在-3.8dB左右。

图5给出了本发明整体结构的耦合度不平衡度及相位不平衡度仿真结果图，可以看出本发明器件在工作频带内耦合度不平衡度在0.5dB范围内，相位不平衡度在2.3°范围内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器以基片集成间隙波导作为基础传输线，实现交错蘑菇型双层间隙波导传输线结构，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线结构由两条基片集成间隙波导镜像交错合成；采用金属通孔实现交错蘑菇型双层间隙波导传输线的耦合。

2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线的电磁带隙结构中蘑菇状销钉呈交错状排列。

3.如权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，所述电磁带隙结构中蘑菇状销钉为四个金属通孔下方共同连结一个金属贴片，上方分别连结四分之一的金属贴片。

4.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线上下层间引入两对金属通孔实现上下传输线的耦合。

5.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述交错蘑菇型双层间隙波导传输线包括三层介质板，通过半固化片粘合；其中，上层介质板和下层介质板厚度相同，上层介质板和下层介质板外表面为金属地板，内侧印制微带脊；中间层介质板金属通孔正常排列，上下表面圆形贴片交错排列，组成一个电磁带隙结构单元。

6.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器与同轴连接器过渡结构由基片集成间隙波导过渡到微带线再由微带线过渡到同轴。

7.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器的上层左右端口分别为输入端口和直通端口，下层左右端口分别为隔离端口和耦合端口。

8.一种天线馈电网络，其特征在于，所述天线馈电网络应用有权利要求1～7任意一项所述的定向耦合器。

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