CN1233062C - 线路耦合结构、混频器以及收发装置 - Google Patents

线路耦合结构、混频器以及收发装置 Download PDF

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Abstract

一种线路耦合结构、具有该结构的混频器、以及具有该混频器的收发装置。在与构成第1NRD波导的第1介质棒(31a、31b)垂直交叉方向上配置第1导体图形(51)，在与构成第2NRD波导的第2介质棒(32a、32b)垂直交叉方向上配置第2导体图形(52)，在这些导体图形和介质棒的交叉位置上，设置在介质棒的延伸方向上突出的凸状导体图形(10、11)。从而可以降低介质线路和悬浮线之间的传输损耗。

Description

线路耦合结构、混频器以及收发装置
技术领域
本发明涉及一种传送毫米波等信号的介质线路和悬浮线之间的线路耦合结构、具有该结构的混频器、以及具有该混频器的收发装置。
背景技术
作为在非辐射性介质线路(以下称为“NRD((Non-Radiating Dielectric)非辐射电介质)波导”)中的二极管贴装结构和应用它的混频器，已经公开在黑木、米山所著的《采用梁式引线二极管的非辐射性介质线路的电路元件》一文(电子情报通信学会论文杂志C-I、Vol J73-C-I No.2 pp71-76 1989年2月)中。
该混频器是由NRD波导构成耦合器、同时将安装了二极管的电路板垂直插入介质棒中，使二极管和NRD波导耦合的结构。
然而，在上述文献所述的结构中，由于安装了二极管的电路板是垂直配置在介质棒的长轴方向上，所以不容易在装置内固定电路板，并且容易倾斜，在实际安装上效果较差。对于为了取得匹配而在NRD波导中插入高介电常数薄板或设置空隙等，在设计和制作上都不方便。NRD波导的耦合器越偏离使功率分配比相等的频率，该电能分配比越容易失去平衡。因而存在着上述各种问题。
因此，本申请人在特开平10-75109号公告中提出了具有介质线路和悬浮线之间的线路耦合结构的混频器。其一例如图6所示。该图6表示除去上部导电板后的状态下的介质线路装置的平面图。在该图6未画出的、构成平行的2个导电平面的导电板之间配置电路板4和介质棒。图中的3b是在电路板4上部的介质棒。在电路板4的下部配置了与介质棒3b对向的另一介质棒。在电路板4中，形成有用6a、6b、7a、7b表示的、分别具有约为λ/4的开路短截线导体图形5。另外，在导体图形5上，串联安装梁式引线形状的二极管8。介质棒3b，配置在与导体图形5垂直的方向上，并且在从其端部到给定距离的位置上形成交叉。这样，就形成了由导体图形5和上下导体板形成的悬浮线、与由介质棒(3b)和上下导体板形成NRD波导之间的线路耦合结构。
上述介质线路装置，由于从结构上使介质线路上传播的LSM(longitudinal section magnetic mode)纵截面磁模式和在悬浮线上传播的TEM(transverse electromagnetic mode)横向电磁波模式的磁场方向相同，所以两线容易形成强耦合。因此，在构成混频器时，与之前的相比较，可降低其变换损耗。通过简化了整体的结构，因而方便了制造。
然而，本发明申请书的发明人等通过实验与观察，发现在介质线路和悬浮线之间的线路耦合部可以进一步降低传输损耗。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可以降低介质线路和悬浮线之间的传输损耗的线路耦合结构、具有该结构的混频器、具有该混频器的收发装置。
根据本发明的一种介质线路和悬浮线之间的线路耦合结构，将介质棒和电路板配置在平行的2个导体平面之间，由所述导体平面和所述介质棒构成介质线路、并由所述导体平面和所述电路板上的导体图形构成悬浮线的同时，在与所述介质棒交叉的方向上配置所述导体图形，其特征在于，
所述导体图形与所述介质棒在所述介质棒的一侧的端部交叉，
在所述导体图形的、与所述介质棒交叉的位置上、设置了沿该介质棒的从一侧的端部到另一侧的端部延伸方向凸出的凸状导体图形。
本发明的线路耦合结构，在将介质棒和电路板配置在略平行的2个导体平面之间、由导体平面和介质棒构成介质线路、由导体平面和电路板上的导体图形构成悬浮线、同时在与介质棒交叉的方向上配置导体图形，具有设置了导体图形的、在与介质棒交叉的位置上、沿介质棒的延伸方向凸出的凸状导体图形的结构。
依据该结构，可以增大介质线路和悬浮线之间的耦合量，减少线路变换损耗，降低介质线路和悬浮线之间的传输损耗。
另外，该发明，将上述凸状导体图形的前端配置在使在上述介质线路上传播的信号的电场成分成为最大的位置附近。例如，在NRD波导中利用LSM模式时，在从介质棒的前端略向介质棒一侧返回的部位上电场成分成为最大。通过在该电场最大点附近配置凸状导体图形的前端，使两线路的耦合最大。依据该结构，可以高效地增大介质线路和悬浮线之间的耦合量。
该发明的混频器、是在上述线路耦合结构中，通过配置介质棒和导体图形，在导体图形上安装二极管、从导体图形中取出IF信号，从而在悬浮线上传播RF信号、Lo信号、和RF信号与Lo信号的混合信号。依据该结构，可以获得变换效率高的混频器。
该发明的收发装置，是在将接收信号变换成中频信号的变化部中采用上述混频器。这样，可以提高中频信号的SN比(信噪比)，即使是微弱接收信号也可以获得能检测的中频信号，延长单位输出功率的可收发利用的距离。
附图说明
图1是有关实施方案的平衡型混频器的结构的分解立体图以及剖面图。
图2是除去上部导体板后的状态下的该平衡型混频器的俯视图。
图3是该平衡型混频器中所构成的线路变换部的具体尺寸例子。
图4是该线路变换部中传输衰减量的频率特性。
图5是有关实施方案的毫米波雷达模块的构成方框图。
图6是现有技术的包括介质线路和悬浮线之间的线路变换结构的介质线路装置的构成图。
其中：1、2-导体板；4-电路板；5-导体图形；6-第1滤波电路；7-第2滤波电路；9-第3滤波电路；6a、6b、7a、7b、9a、9b-开路短截线；10、11-凸状导体图形；31a、31b-第1介质棒；32a、32b-第2介质棒；51-第1导体图形；52-第2导体图形；8、81、82-梁式引线二极管(肖特基势垒二极管)。
具体实施方案
以下参照图1～图5说明有关本发明第1实施方案的平衡型混频器的构成。
图1表示平衡型混频器的结构图，(A)表示将上部导体板抬起状态的立体图，(B)表示其剖面图。在图1中，1、2表示构成平行的2个导体平面的导体板，在该2个导体板1、2之间，形成夹持电路板4的状态地配置该电路板以及介质棒31a、31b、32a、32b。在导体板1、2的内面上分别形成了槽，在这些槽中嵌入了第1介质棒31a、31b和第2介质棒32a、32b。另外，电路板4在由图中未画出的周围部的支撑部支撑的状态下，在上下导体板1、2的中央位置上与导体板1、2平行配置。并且，导体板1、2由图中未画出的周围部将两者组合，在介质线路部分，如图所示构成平行的2个导体平面。
在图1中的介质棒31a、31b、32a、32b，由树脂或者陶瓷等电介质材料构成，其长轴方向上的垂直横截面大致为矩形状。介质棒31a、31b、32a、32b部分，构成了解除截止状态使电磁波信号沿这些介质棒传播的传播区域。而没有介质棒31a、31b、32a、32b的部分，当设所传输的高频信号在自由空间的波长为λ0时，设导体板1、2之间的间隔小于λ0/2，就构成了截止传播区域的信号的截止区域。并且，通过分别设置图1(B)所示的截止区域和传播区域的导体板1、2之间的间隔h1、h2、电路板4的厚度t、介质棒31a、31b以及电路板4的介电常数，使在传播区域中LSM01模式的截止频率比LSE((longitudinal section electric mode)纵截面电模式)01模式的截止频率低，并且在截止区域将LSM01模式和LSE01模式的电磁波截止。这样，由第1介质棒31a、31b和导体板1、2构成可传输单一LSM01模式的第1NRD波导。同样，由第2介质棒32a、32b和导体板1、2构成可传输单一LSM01模式的第2NRD波导。
在图1中在电路板4的上面与介质棒31a、31b垂直交叉的方向上设置有第1导体图形51，由该第1导体图形51和上下导体板1、2构成第1悬浮线。在第1导体图形51上的第1介质棒的两边位置上构成第1、第2滤波电路6、7，将该第1、第2滤波电路之间的悬浮线作为第1谐振电路。并在该第1谐振电路内安装串联连接的作为肖特基势垒二极管的2个梁式引线型二极管81、82。另外，从第1、第2滤波电路6、7间的中央开始沿第1介质棒31a、31b的长轴方向上引出第2导体图形52，由该第2导体图形52和上下导体板1、2构成第2悬浮线。在第2导体图形的中间设置第3滤波电路9，使在第2导体图形52上传播的信号不会传到滤波电路9的外侧，在该第2导体图形52中，与由第2介质棒32a、32b和上下导体板1、2构成的第2NRD波导磁场耦合。
图2表示平衡型混频器的除去上部导体板后的状态的平面图。6a、6b、7a、7b、9a、9b分别表示约为λ/4的开路短截线，6a-6b的间隔、7a-7b的间隔、9a-9b的间隔也分别约为λ/4。这样，通过以λ/4的间隔设置λ/4的开路短截线，成为阻止波长为λ的频率信号的带阻滤波器(BEF)。此外，这些λ/4的长度均是在考虑了线路的有效介电常数之后的长度。
从第1、第2滤波电路6、7的中央到第1、第2滤波电路的间隔L11、L12的电长度分别设定为在第1NRD波导中传播的毫米波的频率f1的大致1/2波长的整数倍。这样，该部分(滤波电路6-7之间的悬浮线)成为两端短路的谐振电路。另外，从第1、第2滤波电路6、7到开路短截线9a之间的间隔L2的电长度设定为在由第2介质棒32a、32b构成的第2 NRD波导中传播的毫米波的频率f2的大致1/2波长的整数倍。通常，由于f1和f2相近，上述L11、L12的电长度是大致1/2波长，所以在第1、第2滤波电路的中央为等效短路。因此，该部分(滤波电路6-7的中央位置和滤波器9之间的悬浮线)也构成两端短路的谐振电路。
在由第1、第2滤波电路6、7构成的第1谐振电路内，安装了相对于导体图形51串联的2个梁式引线型二极管81、82。在由第1介质棒31a、31b和导体板1、2构成的第1NRD波导中所传播的LSM01模式的信号，容易与构成第1谐振电路的悬浮线的TEM模式耦合。另外，通过选择两线路之间的位置关系、二极管81、82的位置、以及滤波电路6、7的位置等，使在所希望的频率(例如f1)的第1NRD波导端的反射损耗最小，或者使混频器的变换损耗最小，。
另一方面，由于第2导体图形52，与由第2介质棒32a、32b和导体板1、2构成的第2NRD波导之间形成磁场耦合，所以通过从该第2NRD波导输入第1RF信号(例如接收信号RX)或者第2RF信号(例如本地信号Lo)，该信号被变换成悬浮线的模式，由2个二极管81、82成反相相加。
在第1导体图形51上，连接由Lb、Rb、Vb表示的偏置电压供给电路，同时该导体图形51的端部通过电容Cg交流接地。上述Lb防止IF信号泄漏到偏置电压供给电路。通过电阻Rb设置二极管偏置电流，从而使变换损失最小。
依据这样的结构，从第2NRD波导入射的第1或者第2RF信号以180°的相位差施加到二极管81、82上，与从第1NRD波导入射的第2或者第1RF信号之间的差的频率成分为相互反相。在此，由于2个二极管的朝向从IF端观察为相互反方向，所以上述差的频率成分同相合成，可以通过电容Ci作为IF信号取出。
在图2中，11表示在第1导体图形51的、与介质棒31a、31b交叉的位置上，在介质棒31a、31b的延长方向上凸出了x量的凸状导体图形。10表示在第2导体图形52的、与介质棒32a、32b交叉的位置上，在介质棒32a、32b的延长方向上凸出了x量的凸状导体图形。
这样通过在NRD波导的主要传播模式的电场成分高的位置上设置凸状导体图形，可以增大悬浮线和介质线路之间的耦合量。
然后，在图3中表示为了计算由图2所示的第2导体图形52、和包含介质棒32a、32b的NRD波导构成的线路变换部的特性的尺寸例。另外，由该结构形成的线路变换部的传输衰减量的特性如图4所示。
如图3所示，采用相对介电常数εr＝2.04的介质棒32a、32b，使该介质棒的前端开路，确定由该介质棒和上下导体板构成的NRD波导的截止区域的宽度方向的空间。同样，确定悬浮线的宽度方向的空间。
图4表示，使图3的凸状导体图形的凸出量x变化，对在LSM01模式中NRD波导端(端口#1)、和TEM模式中地悬浮线端(端口#2)之间的传输衰减量(S参数S21)进行FEM(有限元方法)计算后的结果。
这样，当凸状导体图形的凸出量x从0开始增加时，耦合度增加，线路变换损耗减小。并且当x达到某一值时耦合度最大。
这样，使NRD波导前端开放时，从其前端进入到若干线路内部后的位置上存在电场的最大点。另一方面，在悬浮线的开放端电压分布的电压成为最大。因此，在NRD波导的电场最大点附近悬浮线的开放端在某种情况可以获得最强的耦合。
在上述例子中，虽然示出了3端子结构，对于图2的第1导体图形51和包含介质棒31a、31b的NRD波导的4端结构的线路变换部的特性，具有同样作用，获得同样的效果。
这样通过设置凸状导体图形，可以降低NRD波导和悬浮线之间的线路变换损耗。因此，对于平衡型混频器，可以实现混频器变换损耗的降低和宽带化。
此外，在以上所述的例子中，虽然是构成平衡型混频器，同样也可以构成单一型混频器。也就是说，在图1和图2中，不设置第2导体图形52以及第2介质棒32a、32b、及二极管82(取消二极管82部的图形间隙)，从由第1介质棒31a、31b构成的NRD波导输入第1RF信号和第2RF信号的混合信号，从导体图形51输出IF信号。
然后，在图5中表示作为收发装置的实施方案的毫米波雷达模块的构成例。
图5表示毫米波雷达模块的方框图。在图5中，VCO是采用耿氏二极管和变容二极管等的电压控制振荡器，ISO是隔离器，防止反射信号返回到VCO中。CPL是耦合器，是将发送信号的一部分作为本地信号Lo取出的NRD波导所构成的方向性耦合器。CIR是循环器、将发送信号传送扫描单元，或者将接收信号传送给混频器MIX侧。混频器MIX为图1以及图2所示的混频器，将接收信号RX和上述本地信号Lo混合后输出中频信号IF。
通过设置该毫米波雷达模块，和输入上述调制信号，根据上述IF信号计算目标的相对距离和相对速度的控制部，构成毫米波雷达装置。
依据该发明，通过设置导体图形的、在与介质棒交叉位置上沿介质棒的延伸方向凸出的凸状导体图形，可以增大介质线路和悬浮线之间的耦合量，减少线路变换损耗，降低介质线路和悬浮线之间的传输损耗。
另外，依据该发明，通过将凸状导体图形的前端配置在使上述介质线路上所传播的信号的电场成分成为最大的位置附近，可以使介质线路和悬浮线之间的耦合最大。
另外，依据该发明，可以获得变换效率高的混频器。
另外，依据该发明，可以提高中频信号的SN比(信噪比)，即使是微弱接收信号也可以获得能检测的中频信号，从而使单位输出功率的可收发利用的距离延长。

Claims (4)

1.一种介质线路和悬浮线之间的线路耦合结构，将介质棒和电路板配置在平行的2个导体平面之间，由所述导体平面和所述介质棒构成介质线路、并由所述导体平面和所述电路板上的导体图形构成悬浮线的同时，在与所述介质棒交叉的方向上配置所述导体图形，其特征在于，
所述导体图形与所述介质棒在所述介质棒的一侧的端部交叉，
在所述导体图形的、与所述介质棒交叉的位置上、设置了沿该介质棒的从一侧的端部到另一侧的端部延伸方向凸出的凸状导体图形。
2.根据权利要求1所述的介质线路和悬浮线之间的线路耦合结构，其特征在于，将所述凸状导体图形的前端配置在使在所述介质线路上传播的信号的电场成分成为最大的位置。
3.一种混频器、其特征在于，在权利要求1或2所述的线路耦合结构中，通过配置所述介质棒和所述导体图形，在所述导体图形上安装二极管、从所述导体图形中取出中频信号，从而在所述悬浮线上传播第1射频信号、第2射频信号、和第1射频信号与第2射频信号的混合信号。
4.一种收发装置，其特征在于，在将接收信号变换成中频信号的变换部中采用如权利要求3所述的混频器。
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