CN115173016B - 一种宽带、3dB分支线定向耦合器 - Google Patents

一种宽带、3dB分支线定向耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带、3dB分支线定向耦合器，涉及电子信息技术领域，电路板设置在屏蔽盒内部；电路板的结构自上而下依次为：顶层电路层、介质层和底层电路层；顶层电路包括：一个输入端口、二个输出端口、大面积接地电路、传输线电路和分支线电路、隔离端口焊接有50欧姆电阻；底层电路为“缺陷地”结构接地电路；传输线电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路，分支线电路应用常规共面波导电路，为实现“缺陷地”结构和常规共面波导电路，屏蔽盒内的金属层下挖有沟槽；混合电路降低了顶层电路的复杂性，电路布局和设计更加灵活；本发明的电路展宽了频带、减小了损耗、提高了端口匹配和隔离度等。

Description

一种宽带、3dB分支线定向耦合器
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种宽带、3dB分支线定向耦合器。
背景技术
传统的两分支线3dB定向耦合器(电桥)，主要是用作微带平衡混频器，由于输出的端口2(通常连接本振)和端口3(通常连接信号)相互隔离，故本振和信号互不影响，同时由微带线的平面特性，混频二极管很容易连接在端口上，电路结构既简单又紧凑。采用增加传输线和分支线节数的方式可以有效展宽工作带宽，分支线节数增加导致定向耦合器的分支线阻抗较高，分支线宽度较窄，微带电路难以实现；“平行”的高阻抗分支线空间耦合强；多节传输线宽度不一致，多路分支电路长度不一致，导致不好画线路板图的问题。
但是宽带电路四分之一波长传分支线阻抗高，高阻抗微带分支线较细，从而造成导体损耗显著增大、承受功率小、带内损耗起伏大等缺点；微带传输线电路辐射和空间耦合强，辐射损耗大、隔离度略差；隔离电阻承受功率越大，要求电阻尺寸较大，对地分布电容大，对较细的分支线影响较大；随频率升高，各端口匹配变差、损耗显著增大。
目前宽带、3dB分支线定向耦合器电路设计，在端口匹配、传输损耗、输出端口隔离度、承受功率、电路板布板设计、可靠性等方面还存在改进的空间。
发明内容
本发明的目的在于利用“缺陷地”结构接地共面波导电路，使传输线宽度较宽减小传输线的导体损耗，宽度相同减小反射损耗。利用常规共面波导电路的特性阻抗由传输线宽度和槽线宽度的比例决定这一特性，增大分支线电路宽度，减小信号线导体传输和辐射损耗。
本发明采用的技术方案：一种宽带、3dB分支线定向耦合器，包括：屏蔽盒和设置于屏蔽盒内部的电路板；所述电路板的侧面分别设有输入端和二个输出端；所述电路板的结构自上而下依次为：顶层电路层、介质层和底层电路层；所述电路板为双面板电路板。
所述顶层电路层包括：输入端口和输入电路、N+1节分支线电路、两路N节传输线电路、二路输出电路和二个输出端口、隔离端口以及焊接的50欧姆电阻、顶层大面积接地电路；
所述底层电路为“缺陷地”结构接地电路和底层大面积接地电路；
所述输入端口和二个输出端口之间设有所述N节传输线电路和N+1节分支线电路，所述N节传输线电路和N+1节分支线电路的每节的长度为中心频率的四分之一波长；所述分支线电路的长度一样，上述N为正整数；
所述N节传输线电路为“缺陷地”结构的接地共面波导电路，所述N+1节分支线电路为常规共面波导电路；
为实现“缺陷地”结构和常规共面波导电路，所述屏蔽盒内设有金属层，所述屏蔽盒内的金属层下挖有沟槽；
所述输入电路、二路输出电路，电路阻抗为50欧姆，电路参数相同，传输线宽度相同，电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路。
进一步地，所述的N+1节分支线电路阻抗大于50欧姆，应用常规共面波导电路，所有分支线电路的长度相同，宽度大于或等于电路板厚度。
进一步地，两路所述的N节传输线电路为平行的两路N节传输线电路，电路阻抗小于50欧姆，传输线电路应用为“缺陷地”结构的接地共面波导电路，所有传输线宽度相同，顶层传输线电路的参数相同。通过改变底层的接地共面波导电路“接地电路”的栅格密度，改变电路的有效介电常数，和改变传输线中心导体到接地电路之间的槽宽度，两项共同作用实现每一节的传输线阻抗值。
进一步地，所述的隔离端口以及焊接的50欧姆电阻，电阻值为50欧姆，电阻的宽度和传输线宽度相同或接近，电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路，连接电路与输入电路的参数相同。
进一步地，所述底层大面积接地电路和顶层大面积接地电路的电路相同，底层大面积接地电路通过沉铜孔穿过中间介质层和顶层大面积接地电路连接；底层大面积接地电路和“缺陷地”结构的接地共面波导电路的栅格地结构接地电路连接。
进一步地，所述屏蔽盒内的金属层下挖有沟槽，“缺陷地”结构的接地共面波导电路正下方和屏蔽盒内金属不连接，电路板的顶层电路层到屏蔽盒盖的距离为5倍电路板厚度；屏蔽盒内金属层下挖沟槽的深度为4倍电路板厚度，宽度为每一节接地共面波导电路宽度。
进一步地，所有所述的分支线电路的长度相同，电路应用常规共面波导电路。通过调节中心导体宽度和中心导体边缘到接地面的距离，调节阻抗值和传输线长度，使所有分支线电路的长度一样。
本发明的有益效果为：
1)两路N节传输线应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路；设计传输线宽度固定为2.6mm，槽线宽度(S)为1.5mm，通过改变“缺陷地”结构的接地“栅格”密度，改变阻抗值；较宽的顶层电路的传输线减小了传输线的损耗；传输线宽度一样，不连续点减小或变化不显著，大幅度减小了反射损耗，降低了传输线电路的复杂性，电路布局和设计更加合理。
2)当板材确定后，常规共面波导的特性阻抗由信号带线宽度和槽线宽度的比例决定，在设计条件允许下，增大分支线的宽度，减小分支线的损耗；尤其是较高频率和较高阻抗分支线电路的损耗大幅降低。
3)顶层和底层大面积接地电路，使电路空间耦合减弱，实际电路输出端口隔离度提高2dB以上。
3)共面波导传输线具有传输和辐射损耗低，高次模抑制好，在宽频带内特性阻抗及驻波波动小、变化连续平滑等特点，传输线较宽，传输线导体损耗低，宽频带范围内良好的带内平坦度，带内起伏下降0.2dB。
4)电路中隔离电阻的分布参数影响减小。
5)分支线长度一样，降低了电路的复杂性，电路板布局和设计更加合理；电路中分支线较宽(最小线宽为0.8mm)，对板材要求降低，可靠性提升。
6)电路采用沉铜通孔来连接顶层大面积接地电路和底层大面积接地电路；当沉铜通孔放置于电路中时通孔的布局对于特性阻抗和损耗及抑制寄生波模式都重要；传输电路板的正、反面大面积覆铜，产品机械强度、温度性能提升。
7)屏蔽盒内金属层下挖有沟槽，可以消除电路的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的宽带、3dB分支线定向耦合器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的宽带、3dB分支线定向耦合器的仿真电路图；
图3为本发明实施例提供的电路仿真结果：插入损耗曲线图；
图4为本发明实施例提供的电路仿真结果：端口反射系数曲线图；
图5为本发明实施例提供的电路仿真结果：输出端口隔离度曲线图；
图6为本发明实施例提供的电路仿真结果：输出端口相位曲线图；
图7为本发明实施例提供的电路线路板顶层电路示意图；
图8为本发明实施例提供的线路板底层电路示意图。
附图1中：P1-输入端口；P2-第一输出端口；P3-第二输出端口；R-隔离端口连接的隔离电阻；I-输入和输出电路；H、L-传输线电路；G、K-分支线电路。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-8所示，一种宽带、3dB分支线定向耦合器，包括：屏蔽盒和设置于屏蔽盒内部的电路板；所述电路板的侧面分别设有输入端和二个输出端；所述电路板的结构自上而下依次为：顶层电路层、介质层和底层电路层；所述电路板为双面板电路板。
所述顶层电路层包括：输入端口和输入电路、4节分支线电路、两路3节传输线电路、二路输出电路、第一输出端口第二输出端口、隔离端口以及焊接的50欧姆电阻、顶层大面积接地电路；所述的隔离端口以及焊接的50欧姆电阻，电阻值为50欧姆，电阻的宽度和传输线宽度相同或接近，电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路，连接电路与输入电路的参数相同。
所述底层电路为“缺陷地”结构接地电路和底层大面积接地电路；所述底层大面积接地电路和顶层大面积接地电路的电路相同，底层大面积接地电路通过沉铜孔穿过中间介质层和顶层大面积接地电路连接；底层大面积接地电路和“缺陷地”结构的接地共面波导电路的栅格地结构接地电路连接。
所述输入端口和第一输出端、第二输出端口之间设有所述3节传输线电路和4节分支线电路，所述3节传输线电路和4节分支线电路的每节的长度为中心频率的四分之一波长；所述4节分支线电路的长度一样。
所述3节传输线电路为“缺陷地”结构的接地共面波导电路，所述4节分支线电路为常规共面波导电路；为实现“缺陷地”结构和常规共面波导电路，所述屏蔽盒内设有金属层，所述屏蔽盒内的金属层下挖有沟槽；实现“缺陷地”结构的接地共面波导电路正下方和屏蔽盒内金属不连接，电路板的顶层电路层到屏蔽盒盖的距离为5倍电路板厚度；屏蔽盒内金属层下挖沟槽的深度为4倍电路板厚度，宽度为每一节接地共面波导电路宽度。
所述输入电路、二路输出电路，电路阻抗为50欧姆，电路参数相同，传输线宽度相同，电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路。
所述的分支线电路阻抗大于50欧姆，应用常规共面波导电路，所有分支线电路的长度相同，宽度大于或等于电路板厚度，其中，所有所述的分支线电路的长度相同，电路应用常规共面波导电路。通过调节中心导体宽度和中心导体边缘到接地面的距离，调节阻抗值和传输线长度，使所有分支线电路的长度一样。
两路所述的3节传输线电路为平行的两路3节传输线电路，电路阻抗小于50欧姆，传输线电路应用为“缺陷地”结构的接地共面波导电路，所有传输线宽度相同，顶层传输线电路的参数相同。通过改变底层的接地共面波导电路“接地电路”的栅格密度，改变电路的有效介电常数，和改变传输线中心导体到接地电路之间的槽宽度，两项共同作用实现每一节的传输线阻抗值。
本实施例提供了一个频率2～3GHz的3dB分支线定向耦合器，参照图1-2所示，包括：P1-输入端口；P2-第一输出端口；P3-第二输出端口；R-隔离端口连接的隔离电阻；I-输入和输出电路；H、L-传输线电路；G、K-分支线电路。
其中，双面板电路板的结构自上而下依次为：顶层电路层、介质层和底层电路层；其余大面积接地。共面波导电路中的大面积接地结构，或者说接地覆铜电路中任意两点随频率变化的接地阻抗＜0.5Ω。
使用的微波基板：玻璃布增强PTFE覆铜板，型号SCGA-265，参数：板材总厚度0.8mm，介电常数为2.65，损耗角正切值为0.002@10GHz、介质厚度为0.765mm，覆铜厚度为0.017mm，导热系数0.27W/mK；热膨胀系数(CTE)41/30/217ppm/℃。
电路中所用到的电阻型号为：RG1210A500J1，其他相关参数：频率：18GHz，尺寸：3mm*2.5mm*0.3mm，功率：10W，基片：99.6％氧化铝，εr：9.7，K：29W/mK。具有承受大功率的低热阻、低寄生参数；用于电路之间的隔离，且产品的频率高；可焊性与键合性良好。
如图2和图3所示，屏蔽盒内金属层下挖有沟槽，可以消除电路的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。
阻抗值、基板参数代入图3仿真电路图。仿真结果如表1和图3、图4、图5、图6所示。
本实施例中，该整体级联的2～3GHz、3dB分支线定向耦合器设计，其中分支线由常规共面波导传输线构成。连接端口的输入电路、输出电路和传输线电路由“缺陷地”结构的接地共面波导构成。由图2的仿真电路图导出结果的线路板图为图7和图8。
表1电路仿真结果
I H L K G
传输线、分支线阻抗Ω 50 52 56 120 170
传输线、分支线宽度mm 2.5 2.5 2.5 0.8 1.4
传输线、分支线长度mm 3 22 22 22 22
“缺陷地”结构“栅格”线宽 0.2 0.2 0.2
“缺陷地”结构“栅格”线间隔 0.3 0.35 0.45
2～3GHz、3dB分支线定向耦合器工作在微波较低频率、宽带、低损耗、高隔离度、良好的带内平坦度和承受较大功率等设计目标。
两路3节传输线应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路。传输线宽度固定为2.6mm，槽线宽度(S)为1.5mm，通过改变“缺陷地”结构的接地“栅格”密度，改变阻抗值。较宽的顶层电路的传输线减小了传输线的损耗，传输线宽度一样，不连续点减小或变化不显著，大幅度减小了反射损耗，降低了传输线电路的复杂性，电路布局和设计更加合理。
当板材确定后，常规共面波导的特性阻抗由信号带线宽度和槽线宽度的比例决定，在设计条件允许下，增大分支线的宽度，减小分支线的损耗。尤其是较高频率和较高阻抗分支线电路的损耗大幅降低。
顶层大面积接地电路和底层大面积接地电路使电路空间耦合减弱，实际电路输出端口隔离度提高2dB以上。
共面波导传输线具有传输和辐射损耗低，高次模抑制好，在宽频带内特性阻抗及驻波波动小、变化连续平滑等特点，传输线较宽，传输线导体损耗低，宽频带范围内良好的带内平坦度，带内起伏下降0.2dB。
电路中隔离电阻的分布参数影响减小。分支线长度一样，降低了电路的复杂性，电路板布局和设计更加合理。电路中分支线较宽(最小线宽为0.8mm)，对板材要求降低，可靠性提升。
电路采用沉铜通孔来连接顶层大面积接地电路和底层大面积接地电路。当沉铜通孔放置于电路中时通孔的布局对于特性阻抗和损耗及抑制寄生波模式都重要。传输电路板的正、反面大面积覆铜，产品机械强度、温度性能提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带、3dB分支线定向耦合器，包括：屏蔽盒和设置于屏蔽盒内部的电路板；其特征在于，所述电路板的侧面分别设有输入端和二个输出端；所述电路板的结构自上而下依次为：顶层电路层、介质层和底层电路层；
所述顶层电路层包括：输入端口和输入电路、N+1节分支线电路、两路N节传输线电路、二路输出电路和二个输出端口、隔离端口以及焊接的50欧姆电阻、顶层大面积接地电路；
所述底层电路层为“缺陷地”结构接地电路和底层大面积接地电路；
所述输入端口和二个输出端口之间设有所述N节传输线电路和N+1节分支线电路，所述N节传输线电路和N+1节分支线电路的每节的长度为中心频率的四分之一波长；所述分支线电路的长度一样，上述N为正整数；
所述N节传输线电路为“缺陷地”结构的接地共面波导电路，所述N+1节分支线电路为常规共面波导电路；
所述屏蔽盒内设有金属层，所述屏蔽盒内的金属层下挖有沟槽；
所述输入电路、二路输出电路，电路阻抗为50欧姆，电路参数相同，传输线宽度相同，电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路。
2.根据权利要求1所述的一种宽带、3dB分支线定向耦合器，其特征在于，所述的N+1节分支线电路阻抗大于50欧姆，应用常规共面波导电路，所有分支线电路的长度相同，宽度大于或等于电路板厚度。
3.根据权利要求1所述的一种宽带、3dB分支线定向耦合器，其特征在于，两路所述的N节传输线电路为平行的两路N节传输线电路，电路阻抗小于50欧姆，传输线电路应用为“缺陷地”结构的接地共面波导电路，所有传输线宽度相同，顶层传输线电路的参数相同。
4.根据权利要求1所述的一种宽带、3dB分支线定向耦合器，其特征在于，所述的隔离端口以及焊接的50欧姆电阻，电阻值为50欧姆，电阻的宽度和传输线宽度相同或接近，电路应用“缺陷地”结构的接地共面波导电路，连接电路与输入电路的参数相同。
5.根据权利要求1所述的一种宽带、3dB分支线定向耦合器，其特征在于，所述底层大面积接地电路和顶层大面积接地电路的电路相同，底层大面积接地电路通过沉铜孔穿过中间介质层和顶层大面积接地电路连接；底层大面积接地电路和“缺陷地”结构的接地共面波导电路的栅格地结构接地电路连接。
6.根据权利要求1所述的一种宽带、3dB分支线定向耦合器，其特征在于，所述屏蔽盒内的金属层下挖有沟槽，“缺陷地”结构的接地共面波导电路正下方和屏蔽盒内金属不连接，电路板的顶层电路层到屏蔽盒盖的距离为5倍电路板厚度；屏蔽盒内金属层下挖沟槽的深度为4倍电路板厚度，宽度为每一节接地共面波导电路宽度。
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