CN114865265B - 宽频带低损耗定向耦合器及调频发射机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽频带低损耗定向耦合器，包括测量端点；至少两条主路由测量端点连接构成，每条主路上设置有第一电感；电感支路由第二电感构成，电感支路连接于至少两条主路之间；电容支路由第一电容构成，电容支路连接于至少两条主路之间，电容支路与电感支路并联；接地旁路连接主路，接地旁路上设置有第二电容。本发明基于IPD制造工艺并采用LC单元电路拓扑结构来设计定向耦合器，在兼顾器件小尺寸、易集成的同时，实现了低插入损耗、宽频带、弱耦合、强隔离等优异的射频性能。

Description

宽频带低损耗定向耦合器及调频发射机系统

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，尤其是指一种宽频带低损耗定向耦合器及调频发射机系统。

背景技术

随着现代通信科技水平的高速发展，微波通信凭借其在远距离通信中频带宽、信道容量大、通信质量高等优点使其目前主要应用于微波中继通信、天线、雷达等方面。然而随着微波理论的完善以及5G技术、射频识别技术等的逐步发展，微波器件也开始逐渐受到重视。定向耦合器是其中一种应用广泛的微波元件，它可以应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，它能够将部分能量耦合出来作为本振信号，也可以用来合成相控雷达系统馈电网络的天线方向图等；不仅如此，定向耦合器还可以在通信系统中实现稳定、准确的输出功率控制。

定向耦合器是一种无源的端口互易的四端口器件，其中的一个端口与输入端口隔离。在理想状态下，四个端口都是完全匹配，且电路无损耗。定向耦合器用于采样输入信号和输出信号，其性能参数主要包括插入损耗、隔离度、耦合度、输入驻波比及工作带宽等。现代通信设备正在朝着小型化、集成化、便捷化方向发展，传统的定向耦合器大多都是采用印刷电路板(PCB)或是低温共烧陶瓷(LTCC)加工方式，由于工艺对器件中微带线、电容、电感等产生的限制，现有的定向耦合器物理尺寸偏大，集成难度大，不利于定向耦合器的进一步发展。因此，需要一种尺寸小、射频性能优良的定向耦合器来满足现代无线通信系统的发展。而集成无源器件(IPD)工艺则凭借其小尺寸、高射频性能、低成本以及易加工等优势逐渐受到重视。

现有的定向耦合器主要是基于微带线、带状线和波导等方式实现，在性能及尺寸方面都有所局限。在使用微带线结构设计耦合器时，其耦合度取决于介质板的介电常数以及两条传输线之间的间距大小，在传统的PCB电路板以及LTCC加工工艺中，还无法实现小尺寸的可以同时兼顾耦合器的各项性能指标，故而难以满足该器件设计的要求。如刁振宇在2019年设计的微带型定向耦合器，是通过设计了在耦合微带线两侧的三角形过渡接地贴片结构，并将传统的第四个端口(隔离端口)用贴片电阻进行负载匹配，其耦合器在通带(5.6～8.5GHz)内的传输系数大于-1dB,耦合度在-12dB和-10dB之间,输出端口的隔离度达到-20dB，反射系数小于-18dB,并且输出驻波比小于1.2；公开号为CN216015674U中提出的75欧姆阻抗双定向耦合器在500kHz-4GHz工作频段范围内，插入损耗为3dB，耦合度为30dB，隔离度D≥57dB(仅高频段)，输入驻波比VSWR≤1.2，但此双定向耦合器的整体结构尺寸却为：70.4mm×17.5mm×6mm；又如公开号为CN113410601B提出的一种带状线波定向耦合器单元电路，其可以实现在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；公开号为CN110677137A的专利中提出了一种宽带小型化波定向耦合器电路单元拓扑结构，在其工作频段内，耦合度S31接近0dB，直通端S21和驻波S11均小于-10dB，隔离端S41在-10dB左右。由上述现有技术可以得出基于PCB和LTCC工艺的定向耦合器在实现低损耗、强隔离下无法同时兼顾小尺寸及宽频带的特性，因此，设计得到一种基于IPD的在兼顾器件小尺寸、易集成的同时实现低插入损耗、宽频带、弱耦合、强隔离的定向耦合器显得尤为重要。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种宽频带低损耗定向耦合器及调频发射机系统，其基于IPD制造工艺并采用LC单元电路拓扑结构来设计定向耦合器，在兼顾器件小尺寸、易集成的同时，实现了低插入损耗、宽频带、弱耦合、强隔离等优异的射频性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种宽频带低损耗定向耦合器，包括：

测量端点；

至少两条主路，其由测量端点连接构成，每条主路上设置有第一电感；

电感支路，其由第二电感构成，所述电感支路连接于至少两条主路之间；

电容支路，其由第一电容构成，所述电容支路连接于至少两条主路之间，所述电容支路与所述电感支路并联；

接地旁路，其连接所述主路，所述接地旁路上设置有第二电容。

在本发明的一个实施例中，所述测量端点连接构成两条主路，所述测量端点包括输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述输入端和直通端连接构成其中一条主路，耦合端和隔离端连接构成另一条主路。

在本发明的一个实施例中，每条主路的中点连接电感支路，所述电感支路互联两条主路。

在本发明的一个实施例中，电容支路的数量为两条，两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条主路。

在本发明的一个实施例中，设置于每条主路上的第一电感的数量为两个，两个第一电感串联在所述主路上，且两个第一电感关于电感支路的中心点中心对称。

在本发明的一个实施例中，第一电容的数量为一个，一个第一电容设置于所述电容支路上。

在本发明的一个实施例中，设置于每条主路上的第一电感的数量为四个，四个第一电感等分为两组，两组第一电感串联在所述主路上，且每组中的两个第一电感关于电感支路的中心点中心对称。

在本发明的一个实施例中，电容支路的数量为四条，四条电容支路等分为两组，每组中的两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条主路。

在本发明的一个实施例中，每组中的其中一条电容支路上的第一电容的数量为一个，另外一条电容支路上的第一电容的数量为两个。

此外，本发明还提供一种调频发射机系统，包括如上述所述的宽频带低损耗定向耦合器。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明基于IPD制造工艺并采用LC单元电路拓扑结构来设计定向耦合器，在兼顾器件小尺寸、易集成的同时，实现了低插入损耗、宽频带、弱耦合、强隔离等优异的射频性能；

2.本发明通过以LC单元为基础组件设计的对称结构，实现了能量的传输与耦合，并在一定频段范围内保持稳定。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提出的定向耦合器所用基板结构示意图；

图2为本发明提出的一阶宽频、低损耗、弱耦合定向耦合器电路结构拓扑图；

图3为本发明提出的一阶定向耦合器2D平面结构示意图；

图4为本发明提出的一阶定向耦合器3D结构示意图；

图5是本发明提出的一阶宽带定向耦合器的S参数结果图。

图6为本发明提出的二阶宽频、低损耗、弱耦合定向耦合器电路结构拓扑图；

图7为本发明提出的二阶定向耦合器2D平面结构示意图；

图8为本发明提出的二阶定向耦合器3D结构示意图；

图9是本发明提出的二阶定向耦合器的S参数结果图。

其中，附图标记说明如下：1、金属地；2、GaAs基板；3、SiNx介质层；4、第一金属层；5、第二金属层；6、空气桥结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1至图9所示，本发明实施例提供一种宽频带低损耗定向耦合器，包括：

测量端点；

至少两条主路，其由测量端点连接构成，每条主路上设置有第一电感；

电感支路，其由第二电感构成，所述电感支路连接于至少两条主路之间；

电容支路，其由第一电容构成，所述电容支路连接于至少两条主路之间，所述电容支路与所述电感支路并联；

接地旁路，其连接所述主路，所述接地旁路上设置有第二电容。

本发明基于IPD制造工艺并采用LC单元电路拓扑结构来设计定向耦合器，在兼顾器件小尺寸、易集成的同时，实现了低插入损耗、宽频带、弱耦合、强隔离等优异的射频性能。

本发明提出了一种基于IPD工艺制造的性能优良的定向耦合器，并使用AdvancedDesign System 2020对其进行仿真，其中包括：GaAs基板，作为承载基准；SiNx，用作电容上下极板间的介质物；测量端点，其位于耦合器最上层表面，设有四个端点分别对应输入端、直通端、耦合端和隔离端，四个端点分别分布在耦合器中心线的两侧；环形电感线圈位于四个端口之间，并采用空气桥结构来实现环形电感相连接；矩形电容设置于耦合器中部分电感间连接的部分以及离端口旁路的接地部分；电容上级板、电容下极板与环形电感线圈对应连接，分别设置于电感连接部分及端口旁路接地电容部分。基于上述部分，依据所设计电路图中的各L、C元件值及电路拓扑结构，在电路版图中依次测试实现并按电路图连接，随之进行电路版图仿真测试。

在按照附图2中一阶定向耦合器电路拓扑结构进行连接测试时，该耦合器便表现出了如图5中的性能指标，相比于现有的耦合器较宽的频带以及弱耦合、强隔离的效果。不仅如此，本发明还提出了如图6中二阶定向耦合器电路拓扑结构，且将该电路结构在版图进行绘制仿真，仿真结果表现出了5GHz的频带宽度、极低的损耗及良好的弱耦合、强隔离特性，且尺寸仅为1.5mm*1.3mm，有利于定向耦合器的集成化、小型化发展。

定向耦合器的耦合度，即器件匹配良好时耦合端口的输出功率P3与输入端口输入的总功率P1的对数比，其决定了该定向耦合器的应用领域。我们通常把耦合度的绝对值小于6dB的定向耦合器称为是强耦合的，强耦合型耦合器可以把很大一部分功率传输到耦合端口，而耦合度大于20dB的弱耦合型耦合器则是将大部分功率传输到输出直通端，从耦合输出端口检测到的信号非常小。因此弱耦合定向耦合器在对大功率信号的监测、处理等方面得到了广泛应用。当信号在介质或者导体等设备中传输时，由于自身的材料属性会对传输的电磁波产生吸收或者反射从而造成的损耗就是定向耦合器的插入损耗，也即器件匹配良好时输出直通端口输出的总功率P2与输入端口输入总功率P1的对数比。定向耦合器正常工作时，信号若能很好的从输入端传输到输出直通端口，输入端功率与直通端的比值则接近1，取对数后插入损耗数值便会很小，即插入损耗的值越小表示耦合器传输到直通端时损失的能量越小。

本发明通过以LC单元为基础组件设计的对称结构，实现了能量的传输与耦合，并在一定频段范围内保持稳定。

本发明实现了在较宽的频带范围内较高的隔离度、耦合度以及较小的输入驻波比、插入损耗，有利于定向耦合器的推广应用。一阶定向耦合器尺寸为1.4mm*1.3mm，工作频率范围为0.4-1.4GHz，插入损耗>-0.5dB，回波损耗>-15dB，耦合度<-20dB，隔离度<-50dB；二阶定向耦合器尺寸为1.5mm*1.3mm，工作频率范围为3-8GHz，插入损耗>-0.5dB，回波损耗>-20dB，耦合度<-20dB，隔离度<-60dB，各项指标得到了大幅提升。

相应于上述宽频带低损耗定向耦合器的实施例，本发明还提供一种调频发射机系统，包括如上述所述的宽频带低损耗定向耦合器，关于宽频带低损耗定向耦合器的内容已经在上述内容中进行了详细的阐述，本发明在这里不做赘述。

下面通过三个实施例对本发明提出的一种宽频带低损耗定向耦合器进行详细的阐述。

实施例1

一种基于IPD的宽频带低损耗定向耦合器在设计时，在计算机上利用ADS软件设计并仿真得到尺寸小的基于IPD工艺的由LC单元拓扑结果组成的定向耦合器；其基板结构如图1所示，包括金属地1、作为载重体的GaAs基板2，在GaAs基板2上依次叠加的SiNx介质层3、第一金属层4、第二金属层5和空气桥结构6；具体包括使用溅射生长的第一金属层4(20nmTi/80nm Au)；电镀工艺生成的下层金属层(4.5μm Cu/0.5μm Au)；充当电容器上下两极板间介质物的SiNx介质层3，其中部分SiNx经过干法刻蚀后形成设计结构中所需要的通孔；使用电镀工艺电镀金属来形成空气桥结构6中的“桥墩”结构；第二金属层5溅射生长(20nmTi/80nm Au)；电镀工艺生成的上层金属层(4.5μm Cu/0.5μmAu)，上层金属电镀用来形成空气桥结构6中的“桥梁”结构，从而实现环形电感线圈的连接。

在本实施例中，定向耦合器结构中的四个端口设置在最上层金属部分，主路电容需要接地的部分通过挖孔连接基板的底层来实现。

实施例2

本发明提出的宽频带低损耗定向耦合器的一阶电路拓扑结构由两条主路、主路互联的三条支路以及四条接地旁路构成，如图2的电路拓扑结构图，电路结构关于主路互联的电感支路的中心点中心对称。在所述的定向耦合器(1阶)电路拓扑结构图中，包括两条主路上的4个电感L(L1、L2、L3、L4),接地旁路上的四个电容C(C1、C2、C3、C4),两条主路互联形成的电感支路上的L(L5、L6),两条主路互联形成的两条电容支路上的C(C5、C6)。将该一阶定向耦合器电路拓扑图连接电路结果中的各部分元件相连，随之使用版图的元件代替各部分L、C并连接到相对于的端口，其2D版图平面结构如图3，其3D结构如图4，仿真结果如图5。由图5的中的版图仿真结果，本发明提出的一阶定向耦合器可以实现在0.6-1.4GHz的频率范围内耦合度在-20dB到-35dB之间波动，隔离度也可以达到-50dB以下，插入损耗亦在-0.8dB以内，输入驻波比在1-1.2以内。在证明了电路拓扑结构可行性的同时，相比于现有的大部分弱定向耦合器来说，可以在800MHz的频带宽度范围内实现如上述的性能指标。

为了满足部分需要超宽频的应用要求，本发明将对二阶定向耦合器进行介绍，如图6为本发明提出的宽频低损耗定向耦合器二阶拓扑结构，同样是由两条主路、主路互联的三条支路以及四条接地旁路构成，需要注意的是其与一阶定向耦合器不同之处在于主路相连构成的电容支路为两个电容串联，即C6与C7或是C13与C14电容串联分别共同构成两条电容支路。在确定好电容电感值后在版图中绘制电路图，其2D平面结构与3D结构分别如图7、图8。由图9的中的版图仿真结果，该二阶定向耦合器可以实现在3-8GHz的频率范围内耦合度在-15dB到-35dB之间的范围内，隔离度最低可以达到-60dB以下，插入损耗亦在-0.5dB以内，输入驻波比在1-1.2之间。由上述，本发明提出的二阶定向耦合器的工作频带宽度高达5GHz，且实现了低损耗、弱耦合、强隔离以及低输入驻波比的效果，不仅如此，本发明采用的IPD制造工艺使得本发明提出的定向耦合器实现了小尺寸的效果，一阶定向耦合器尺寸仅为1.4mm*1.3mm二阶定向耦合器尺寸仅为1.5mm*1.3mm，相比于现有的定向耦合器在尺寸方面取得了极大优势。

实施例3

发射机是一种可以将信号按一定频率发射出去的装置，其广泛应用于电视，广播，通信，报警，雷达，遥控，遥测，电子对抗等各种民用、军用设备。定向耦合器是调频发射机系统中一个重要的组成部分，直接与广播信号的播出质量和广播发射机设备运行安全性有关。因此，尺寸小、性能优良的定向耦合器对于一些实现特定功能电路的实现和提高调频发射机中的性能是非常必要的。在本发明中提出的新型微波宽频带低损耗定向耦合器是一种弱耦合定向耦合器(耦合度<-20dB),该种定向耦合器往往被设置在调频发射机各级的输入、输出端的同轴线路中，用来提供测量﹑监视用的信号。它有正反之分，分别实现正输出功率和反射功率的取样、读取数值及其它相应的控制功能。如在发射机中，若发射机的输出功率为43dBm(20W)，定向耦合器的耦合度为30dB，插入损耗(线路损耗加耦合损耗)为0.15dB，则耦合端有13dBm(20mW)的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为42.85dBm(19.3W)，而泄漏到隔离端的功率则被一个负载吸收掉了，从而实现了特定的功率耦合及分配功能，因此诸如微波通信中的宽带数字通信系统，天线、雷达等应用中需要信号的取样监测或是需要将信号按照功率进行一定比例的合成、分配的地方均可以采纳该发明提出的定向耦合器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种宽频带低损耗定向耦合器，其特征在于，包括：

测量端点，其包括输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述输入端和直通端连接构成其中一条主路，耦合端和隔离端连接构成另一条主路；

至少两条主路，其由测量端点连接构成，每条主路上设置有第一电感；

电感支路，其由第二电感构成，所述电感支路连接于至少两条主路之间；

电容支路，其由第一电容构成，所述电容支路连接于至少两条主路之间，所述电容支路与所述电感支路并联；

接地旁路，其连接所述主路，所述接地旁路上设置有第二电容；

每条主路的中点连接电感支路，所述电感支路互联两条主路；

设置于每条主路上的第一电感的数量为四个，四个第一电感等分为两组，两组第一电感串联在所述主路上，且每组中的两个第一电感关于电感支路的中心点中心对称；

设置于每条主路上的第一电感的数量为两个，两个第一电感串联在所述主路上，且两个第一电感关于电感支路的中心点中心对称；

电感支路上的第二电感的数量为两个，两个第二电感串联；

所述宽频带低损耗定向耦合器基于IPD制造工艺设计，其基板结构包括金属地、作为载重体的GaAs基板，在GaAs基板上依次叠加的SiNx介质层、第一金属层、第二金属层和空气桥结构；具体包括使用溅射生长的第一金属层；电镀工艺生成的下层金属层；充当电容器上下两极板间介质物的SiNx介质层，其中部分SiNx经过干法刻蚀后形成设计结构中所需要的通孔；使用电镀工艺电镀金属形成空气桥结构中的桥墩结构；使用溅射生长的第二金属层；电镀工艺生成的上层金属层，上层金属电镀用来形成空气桥结构中的桥梁结构，从而实现电感线圈的连接；四个端口设置在最上层金属部分，主路上的电容需要接地的部分通过挖孔连接基板的底层实现。

2.根据权利要求1所述的宽频带低损耗定向耦合器，其特征在于：电容支路的数量为两条，两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条主路。

3.根据权利要求1所述的宽频带低损耗定向耦合器，其特征在于：第一电容的数量为一个，一个第一电容设置于所述电容支路上。

4.根据权利要求1所述的宽频带低损耗定向耦合器，其特征在于：电容支路的数量为四条，四条电容支路等分为两组，每组中的两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条主路。

5.根据权利要求4所述的宽频带低损耗定向耦合器，其特征在于：每组中的其中一条电容支路上的第一电容的数量为一个，另外一条电容支路上的第一电容的数量为两个。

6.一种调频发射机系统，其特征在于：包括如权利要求1至5任一项所述的宽频带低损耗定向耦合器。

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