CN115939716A

CN115939716A - 一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器

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Publication number: CN115939716A
Application number: CN202310188269.6A
Authority: CN
Inventors: 王妍; 张小川; 吴泽; 吴庆富; 胡力能; 胡锦铨
Original assignee: Huizhou Dafanshi Education Technology Co ltd; Huizhou Zhongkai High Tech Zone Electronic Information Technology Research Institute; University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Huizhou Dafanshi Education Technology Co ltd; Huizhou Zhongkai High Tech Zone Electronic Information Technology Research Institute; University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2023-03-02
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，属于射频技术领域。本发明所述鳍线定向耦合结构具有制造成本低，制作方式简单，能形成自封装整体；通过多层介质基板叠层压合实现，具有较低损耗、色散弱、结构简易，体积小，成本低，可实现自封装、以及容易与其他射频电路集成等优点。相比于现有的多层介质基板构成的鳍线结构，本发明解决了各种器件与功能模块在鳍线上装载的问题，扩展基片集成鳍线实现的功能，增加应用场景；将三维的功能结构变为二维功能结构，有利于直接在集成电路中设计鳍线功能区，可以使电路与基片集成鳍线有效结合。

Description

一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体涉及一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器在微波电路中有着广泛的应用，传统的波导定向耦合器存在加工复杂、成本高、体积大等缺点。相较于波导结构定向耦合器，鳍线定向耦合器体积更小、频带更宽、工艺更加简单。这是因为在传输线结构中，鳍线是一种嵌入在矩形波导E面的准平面结构，其传播模式为混合模，具有低损耗、色散弱，单模带宽大等特点。另一方面，由于鳍线结构传输截止频率小于封装波导的截止频率，该结构在继承了传统波导结构优点的同时，所需尺寸比传统波导所需尺寸小。

但是，鳍线需要加工机械腔体进行封闭，同时需要留下凹槽来安装鳍线，来满足机械支撑以及电磁屏蔽。因此需要额外的装配步骤，将其与波导机械组装后才能工作。如今，微波组件对集成度有很高的要求，而在波导中的鳍线结构很难与其他有源元器件集成，同时，对其传输的电磁波很难控制。传统的鳍线结构金属腔体体积较大，并且与电路板进行集成后体积比较大，这样使得射频组件小型化很难实现。

综上所述，鳍线结构是一种优良的传输结构，具有低损耗，色散弱，高Q值等传输优点，然而传统的鳍线结构需要安装架设在矩形波导中，不易加工，制作成本高，且不易于其它电路以及其它电子元器件集成。为了综合处理上述问题，现有技术公开了一种通过连续过孔的方式在多层介质基板叠加的结构中构建鳍线结构的方案，说明使用多层介质基板构成鳍线定向耦合器具有可实现性。

发明内容

本发明是针对背景技术存在的缺陷，提供了一种多层电路板构成的鳍线定向耦合结构，解决现有鳍线结构需要加工机械腔体和额外的人工装配，以及鳍线结构与其它平面电路集成等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，包括多层电路板，多层电路板之间紧密贴合；电路板包括介质基板及印刷在介质基板上下表面的金属层；金属过孔将多层电路板贯穿，金属过孔包围起来的区域作为功能区；多个介质基板上分别开有信号端口。

可选地，所述多层电路板从上到下依次是第一到第三电路板，长条的金属过孔将三层电路板贯穿，第一电路板和第三电路板的介质基板上，位于金属长条形过孔首尾四个开口的介质基板短边处分别开有信号端口。

可选地，第一电路板的介质基板的上表面全部覆铜，下表面与第二电路板介质基板上表面保持一致；第二电路板的介质基板的上表面印刷鳍线功能电路，包括中间的耦合电路，以及四个端口的微带到鳍线的过渡电路，第二电路板的下表面，在四个端口处印刷地面过渡段与地面段；第三电路板的介质基板的上表面印刷方式与第二电路板下表面一致，第三电路板的下表面全部覆铜。

可选地，第二电路板的介质基板上表面包含过渡区和耦合功能区，在过渡区内设有微带-鳍线过渡结构，在耦合功能区设有鳍线的定向耦合结构；整个过渡区和耦合功能区结构呈轴对称，过渡区部分的结构从端口向内部分别为：微带段、阻抗变换段、鳍线部分；在第二电路板的介质基板下表面，刻蚀有缺陷地结构；缺陷地结构跨越微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、鳍线-微带过渡段，为类梯形结构，类梯形的斜边为曲线或直线。

可选地，在四个信号端口均设有微带线到鳍线的过渡段，微带线的一端位于传输功能区的边缘，另一端向传输功能区内部延伸；过渡段结构内部的功能结构为耦合结构，表现为鳍线两段槽缝之间的能量耦合。

可选地，在电路板的信号端口和传输区外设有若干圆形金属通孔，用于固定多层电路板；第二电路板的信号端口分别开有两个金属通孔用于固定信号转接头，信号转接头分别作为耦合器的输入端口、输出端口供电端口。

可选地，第三电路板的介质基板选用的介质材料为Rogers RT或duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质基板厚度为0.254mm；其他电路板介质基板选用的介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，介质基板厚度为1.5mm。

可选地，在第一电路板的介质基板的上表面全部覆着金属层，下表面位于鳍线耦合结构和过渡结构上方部分不覆铜，其余部分覆铜；第二电路板的上表面为鳍线耦合结构和微带-鳍线过渡结构；第二电路板下表面地面和地面变化段覆铜，其余部分镂空；第三电路板上表面位于地面和地面变化段以及耦合结构部分下方部分不覆铜，其余部分覆铜；第三电路板的下表面全部覆金属层。

可选地，在每层介质基板上，鳍线定向耦合结构周边都加工有连续的金属化通孔，金属通孔垂直贯穿三层电路板，所有通孔树脂塞孔并电镀填平。每层电路板先进行单独加工，然后用多层板技术叠压在一起，形成多层电路板构成的鳍线定向耦合结构。每层板之间是无间隙接触，形成了类波导结构的鳍线定向耦合器。

本发明提供的一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：这种多层电路板构成的鳍线定向耦合结构拥有制造成本低、制作方式简单、损耗较低、色散弱、结构简单、体积小、能形成自封装，便于与其他射频电路集成，有效克服了传统波导鳍线定向耦合电路需要的加工复杂、结构笨重、调试难度高等缺点。

附图说明

图1为本发明所描述的鳍线定向耦合电路正视图；

图2为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第一电路板上表面示意图；

图3为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第一电路板基板示意图；

图4为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第一电路板下表面示意图；

图5为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第二电路板上表面示意图；

图6为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第二电路板基板示意图；

图7为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第二电路板下表面示意图；

图8为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第三电路板上表面示意图；

图9为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第三电路板基板示意图；

图10为本发明所描述的鳍线定向耦合电路第三电路板下表面示意图；

图11为本发明所描述的鳍线定向耦合电路仿真的回波损耗结果示意图；

图12为本发明所描述的鳍线定向耦合电路仿真的插入损耗结果示意图

图13为本发明所描述的鳍线定向耦合电路仿真的耦合度结果示意图

图14为本发明所描述的鳍线定向耦合电路仿真的隔离度结果示意图。

具体实施方式

一种基于基片鳍线结构的定向耦合器，呈中心对称分布，包括由上至下依次紧密贴合的第一电路板、第二电路板和第三电路板，电路板包括矩形的介质基板及印刷在介质基板上下表面的金属层。

以下结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1，鳍线耦合电路的实现，如图1所示，三个电路板由上至下为第一电路板、第二电路板、第三电路板，电路板包括介质基板以及印刷在基板两面的金属层。微带-鳍线过渡电路结构具有连续的完全包围的金属通孔，与多层电路板顶部金属层、底部金属层形成封闭的金属腔，进而形成鳍线耦合结构。

金属长条形过孔平行于功能区排布，贯穿三层电路板；第一电路板的介质基板上，在金属长条过孔的末端开有四个信号端口。如图2-4，第一电路板的介质基板的上表面全部覆铜；第一电路板的介质基板的下表面，除耦合功能区和微带-鳍线过渡区外，全部覆铜；第二电路板的介质基板的上表面，除耦合功能区和微带-鳍线过渡区外，全部覆铜；第二电路板的介质基板的下表面，除耦合功能区和微带-鳍线过渡区外，全部覆铜；如图8-10，第三电路板的介质基板的上表面，除耦合功能区和微带-鳍线过渡区外，全部覆铜；第三电路板的介质基板的下表面全部覆铜。

如图5-7，第二电路板的介质基板上表面，在功能区内设有微带-鳍线-微带结构和鳍线耦合结构；微带-鳍线结构包括微带段、阻抗变换段、微带-鳍线过渡段以及鳍线功能段；鳍线耦合结构包括四个端口从微带过渡的鳍线结构，在结构中心位置会聚，在中心部分通过鳍线的两条水平轴对称槽缝进行耦合。位于上方的槽缝分别向左上方和右上方延伸四分之一圆弧，位于下方的槽缝分别向左下方和右下方延伸四分之一圆弧。四个圆弧的另一端分别连接四个鳍线-微带过渡段，延伸至各个端口。

第二电路板的介质基板下表面，在金属长条形过孔的内部空间对应上表面耦合功能区的位置，不附有金属，在微带-鳍线过渡功能区刻蚀有地面和地面过渡结构；地面和地面过渡结构呈中心对称，由四端口向中心延伸。

多层电路板加工步骤：

步骤1：首先进行单层板加工，使用单层的介质基板，用常规印制板加工工艺，对电路板表面的金属按照设计进行加工预制。然后在电路板设计的相应位置加工连续的金属过孔；

步骤2：组装电路板，将加工完成后的电路板按照对应的顺序层叠在一起，再使用多层板加工工艺将其压合到一起，使之成为一个整体。

实施例2，本发明以一种多层电路板构成的微带鳍线定向耦合器为例。首先电路板加工，使用单层的介质基板，用常规印制板加工工艺，对电路板表面的金属按照设计进行加工预制。

第一电路板的正面需要全部覆盖金属。在电路板设计的相应位置开孔形成连续的金属过孔。在第二电路板的正面印刷鳍线耦合电路，以实现该电路的定向耦合功能；印刷微带到鳍线的过渡结构，将信号顺利传输到结构内部；与此同时，第一电路板的背面需要与第三电路板的正面保持一致，在鳍线耦合区域和过渡区域镂空。同时，也要加工连续的金属过孔。第二电路板的背面印刷地面和地面变换段，在电路板设计的相应位置加工连续的金属过孔。

电路板加工预制后组装电路板，将加工完成后的电路板按照图1对应的顺序层叠在一起，再使用多层板加工工艺将其压合到一起，使之成为一个整体，形成多层电路板构成的鳍线定向耦合结构。

本例中多层电路板构成的鳍线定向耦合结构仿真结果如图11-14所示，dB(S(1，1))为其反射损耗，dB(S(1，2))为其插入损耗，dB(S(1，3))为其耦合度，其频带可覆盖8GHz-12GHz，可通过调节相应的尺寸提高其工作频率。

Claims

1.一种基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，包括多层电路板，所述多层电路板之间紧密贴合；所述电路板包括介质基板及印刷在介质基板上下表面的金属层；金属过孔将多层电路板贯穿，所述金属过孔包围起来的区域作为功能区；多个介质基板上分别开有信号端口。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，所述多层电路板从上到下依次是第一到第三电路板，长条的金属过孔将三层电路板贯穿，第一电路板和第三电路板的介质基板上，位于金属长条形过孔首尾四个开口的介质基板短边处分别开有信号端口。

3.根据权利要求2所述的基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，第一电路板的介质基板的上表面全部覆铜，下表面与第二电路板介质基板上表面保持一致；第二电路板的介质基板的上表面印刷鳍线功能电路，包括中间的耦合电路，以及四个端口的微带到鳍线的过渡电路，第二电路板的下表面，在四个端口处印刷地面过渡段与地面段；第三电路板的介质基板的上表面印刷方式与第二电路板下表面一致，第三电路板的下表面全部覆铜。

4.根据权利要求3所述的基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，第二电路板的介质基板上表面包含过渡区和耦合功能区，在过渡区内设有微带-鳍线过渡结构，在耦合功能区设有鳍线的定向耦合结构；整个过渡区和耦合功能区结构呈轴对称，过渡区部分的结构从端口向内部分别为：微带段、阻抗变换段、鳍线部分；在第二电路板的介质基板下表面，刻蚀有缺陷地结构；缺陷地结构跨越微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、鳍线-微带过渡段，为类梯形结构，类梯形的斜边为曲线或直线。

5.根据权利要求2所述的基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，在四个信号端口均设有微带线到鳍线的过渡段，微带线的一端位于传输功能区的边缘，另一端向传输功能区内部延伸；过渡段结构内部的功能结构为耦合结构，表现为鳍线两段槽缝之间的能量耦合。

6.根据权利要求2所述的基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，在电路板的信号端口和传输区外设有若干圆形金属通孔，用于固定多层电路板；第二电路板的信号端口分别开有两个金属通孔用于固定信号转接头，所述信号转接头分别作为耦合器的输入端口、输出端口供电端口。

7.根据权利要求2所述的基于基片集成鳍线结构的定向耦合器，其特征在于，第三电路板的介质基板选用的介质材料为Rogers RT或duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质基板厚度为0.254mm；其他电路板介质基板选用的介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，介质基板厚度为1.5mm。