CN1967931A - 自支撑带线耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自支撑带线耦合器。该耦合器组件具有第一和第二导体和第一和第二电介质支撑物，第一和第二电介质支撑物沿耦合部分延伸，并在支撑部分处支撑第一和第二导体。

Description

自支撑带线耦合器
技术领域
本发明涉及自支撑带线耦合器。
背景技术
耦合器用在高频装置中，以从一个导体增加或移除电能至另一个导体。已经开发了多种耦合器，包括支线耦合器、Bethe耦合器和Lange耦合器。已经基于各种传输线结构开发了耦合器，这些传输结构包括波导式传输结构、同轴传输结构和带线传输结构。一般来说，一个导体中的第一信号的一部分被耦合至另一个导体以产生第二信号，第二信号相对于第一导体中的传播方反向传播。理想的是，第二导体中以与第一信号相同方向传播的任何信号在向前的方向上抵消其自身，但是在相反方向上不抵消。实际上，一些能量将在第二导体中以与第一信号相同的方向传播。耦合器的方向性是指示第二导体中以需要的方向(也就是与第一导体中的传播方向相反)传播的能量相对于以相反方向传播的能量的品质因子。
许多耦合器基于具有以紧密贴近的方式限定在非导体衬底上的两个导体的平面排列，其中非导体衬底例如是薄膜衬底、厚膜衬底、印刷电路板(“PCB”)衬底或半导体晶片。不幸的是，来自导体的电磁能量耦合到衬底材料中，导致损耗。类似地，将能量耦合到衬底中通常降低了耦合器的方向性。
已经设计了将耦合器的导体悬置在空气中或者将一个导体悬置在空气中而将第二导体限定在衬底上的耦合器。电介质垫、引脚或腿部用于在微电路的封装(壳体)中支撑耦合器的导体；但是，这种耦合器专用于特定的封装，这是因为支撑物高精度地或者可调节地布置在封装中。这增加了制造成本，因为对每种新的封装配置需要设计新的腿部。此外，支撑材料(腿部)的材料相对于奇传输模式优选阻碍偶传输模式的传播，这降低了耦合器的性能。此外，很难减小这种设计的尺寸，以生产适于甚高频工作的耦合器。
由此，需要一种避免前述问题的耦合器。
发明内容
耦合器组件具有第一和第二导体和第一和第二电介质支撑物，第一和第二电介质支撑物沿耦合部分延伸，并在支撑部分处支撑第一和第二导体。
附图说明
图1A示出了根据本发明实施例的耦合器组件的分解视图。
图1B示出了图1A的耦合器组件的俯视图。
图1C示出了图1A的耦合器组件的侧视图。
图2A示出了根据本发明实施例的耦合器导体坯。
图2B示出了根据本发明实施例的耦合器导体的一部分的体视图。
图2C示出了根据本发明实施例的耦合器组件的补偿结构的剖视图。
图2D示出了图2B中所示补偿结构的另一个剖视图。
图3A示出了根据本发明实施例在微电路壳体中的耦合器的体视图。
图3B示出了封装的耦合器组件沿图3A的剖面线C-C的剖视图。
图4A示出了与类似尺寸的理想耦合器的耦合度相比，所建模的电介质支撑耦合器的耦合度。
图4B示出了图4A中的建模的电介质支撑耦合器和图4A中建模的理想耦合器的方向性的曲线。
图5A示出了测量出的根据一个实施例的封装耦合器的输入回程损耗。
图5B示出了测量出的图5A的封装耦合器的耦合回程损耗。
图5C示出了测量出的图5A的封装耦合器的耦合度。
图5D示出了测量出的图5A的封装耦合器的方向性。
具体实施方式
I.示例性的耦合器组件
图1A示出了根据本发明实施例的耦合器组件100的分解视图。耦合器组件100包括第一电介质支撑物102、第二电介质支撑物104、第一导体106和第二导体108。第一导体106通过“耦合部分”110耦合至第二导体108。耦合部分110是耦合器组件的第一和第二导体大致互相贴近的部分，并且此种耦合器通常被称为“边缘耦合的带线”耦合器。耦合器导体的这些部分通常被称为“耦合器天线”。术语“耦合器”和“耦合器组件”是为了使用的方便，其包括各种电子器件，例如耦合器、功率分配器、能量并合器，以及Lange耦合器，其通常具有在耦合部分互相贴近的两个导体，用于从一个导体传输能量至另一个导体。
耦合器组件的尺寸由多种因素来确定，这些因素包括最大和最小工作频率、阻抗以及所需的耦合度量。最大工作频率通常由接地平面之间的距离来确定，其中距离和最大频率之间有反比关系(也就是距离越小，工作频率越高)。从大约3GHz至大约100GHz具有15dB耦合度的示例性耦合器到接地平面的间距大约为0.8mm，具有大约0.4mm的导体高度和大约30mm长的耦合部分。
在封装耦合器组件100时，第一和第二电介质支撑物大致沿整个耦合长度彼此相对地定位第一和第二导体，并相对于微电路壳体的导体表面(接地平面)定位导体。
第一和第二导体106、108的端部形成封装耦合器的端口112、114、116、118。在具体的实施例中，信号被提供到输入端口112，并沿第一导体106传输至输出端口114。一部分信号耦合到第二导体108，并传输到耦合端口116。诸如50欧电阻负载(见图3的参考标号312)之类的接线端可选地设置在封装耦合器中，并连接至第四(端接的)端口118。可替换地，第四端口118不被端接在封装耦合器中，而是穿过封装引到外部，其它端口也如此。
中间导体106、108包括位于耦合部分110中的补偿结构120、122。补偿结构120、122具有从耦合器天线的其它部分的横截面缩小的横截面。补偿结构120、122与电介质支撑物102、104中的凹口121、123配合，以避免沿耦合部分110的阻抗中断。在具体的实施例中，第一电介质支撑物不同于第二电介质支撑物，因为凹口仅形成在下电介质支撑物104中，上电介质支撑物102基本上覆盖紧固在下电介质支撑物中的导体。可替换地，第一电介质支撑物基本上是第二电介质支撑物的镜像，并且在一些实施例中，第一电介质支撑物与第二电介质支撑物相同。
凹穴130、132、134可选地形成在电介质支撑物104中。凹穴被电磁吸收体填充或部分填充，电磁吸收体例如是通常被称之为“多晶形铁”的材料，是分散在树脂(例如环氧的)基质中的非常精细的铁或其它颗粒。在具体实施例中，环氧基的多晶形铁前体被灌入电介质支撑物(一个或多个)中的凹穴中，以抑制到达耦合器的或来自耦合器的不想要的电磁辐射。
在具体实施例中，第一电介质支撑物102和第二电介质支撑物104是用聚合物(塑料)加工的或用其它电介质材料制造的。通常需要选择用于电介质支撑物的电介质材料具有适当刚性和坚固度，以在处理过程中向耦合器组件提供机械强度，并具有低介电常数和低介电损耗，以避免降低耦合器天线的传输特性。适当的示例是交联的聚苯乙烯，一个示例是由C-LEC PLASTICS INC.出售的名为REXOLITETM的产品。在具体实施例中，电介质支撑物被加工成对于下支撑物约为0.6mm厚的REXOLITETM1422TM，对于上支撑物约为0.2mm厚的REXOLITETM 1422TM。可替换地，电介质支撑物由合适的聚合物树脂或其它电介质材料来浇铸或模制。
图1B示出了图1的耦合器组件100的“底部”的俯视图。中间导体106、108在支撑部分211、212、214、216处互相精确相对地被支撑在第一电介质支撑物(未示出)和第二电介质支撑物104之间。电介质支撑物的电介质材料在支撑部分211、212、214、216处围绕耦合器导体106、108。电介质支撑物沿耦合部分延伸以将耦合器导体保持为需要的间隔和对准，并向耦合器组件提供机械强度和刚度。电介质支撑物结合天线提供了可以用在各种微电路壳体中的耦合器组件100，而不必使用专用于壳体的电介质腿部或支座。这极大地简化了微电路壳体的设计和制造，并减小了制造封装耦合器的成本。
图1C示出了图1A的耦合器组件100的侧视图。第一电介质支撑物102和第二电介质支撑物104以相对于第一电介质支撑物102的顶部124和第二电介质支撑物的底部126的精确高度保持第一中间导体106和第二中间导体108。第一电介质支撑物102的释压的表面128、130、132与压靠微电路封装盖的板簧(未示出)配合以保持耦合器组件100抵靠微电路壳体(见图3A的参考标号302)，允许在必要的时候方便地移除和替换耦合器组件或修理耦合器组件。
天线的位置由电介质支撑物保持，并且不依赖于任何具体的壳体构造。这使得封装不必精确加工以保持耦合器天线来获得需要的电气性能。
II.耦合器组件和补偿结构的细节
图2A示出了根据本发明实施例的耦合器导体坏200。耦合器导体坏200是金属片，并且在具体的实施例中是大约0.4mm厚的铍铜片。耦合器的第一导体106和第二导体108通过放电加工(“EDM”)来形成；但是，可以可替换地使用任意合适的加工工艺。突起202、204、206临时将第一和第二导体附装至耦合器导体坏。在加工之后，例如用金可选地镀耦合器导体坏200。
在具体实施例中，在第一和第二导体106、108从耦合器导体坏200分离之前，第一和第二电介质支撑物(见图1A参考标号102、104)被组装在第一和第二导体106、108上。这在处理过程中提供支撑至导体，具体地是在分离突起(从坏去除)和修整过程中。氰基丙烯酸盐粘合剂用于将电介质支撑物附装到导体和它们自身。可替换地，第一和第二电介质支撑物使用扩散结合、超声结合或溶剂结合来附装，或通过使用可替换的粘结剂来附装。
图2B示出根据本发明实施例在耦合器天线222、223上的补偿结构220、221的体视图。耦合器导体被电介质支撑物支撑在补偿结构处。尽管电介质支撑物由低介电材料制成，但是材料的介电常数大于围绕耦合器导体的其他部分的空气。这可以在导体中产生阻抗中断。补偿结构通过缩小导体的横截面，减小了在电介质材料支撑导体处产生的阻抗中断。
至缩小的横截面区域的过渡产生了附加的串联电感，附加的串连电感理想由旁路电容来补偿。支撑缩小的横截面区域(也就是补偿结构)的电介质材料的增大的介电常数提供了补偿增大的阻抗的旁路电容，由此使得阻抗中断最小化。
除了优化通过导体的支撑部分的阻抗中断，用支撑物的电介质材料来包围(也就是围绕)导体提供了适合于高频操作的耦合器组件。随着工作频率增大，部件的尺寸被减小以避免产生另外的不想要的传播模式。在现有技术的设计中，对导体钻穿孔，并且使电介质腿部穿过导体并插入到微电路壳体中的接收孔中。必须在孔的每一侧上留下足够的材料以提供机械刚度。这很难用在以约100GHz以上工作的耦合器中的非常小的导体来实现。从导体表面移除材料以形成补偿结构，这比钻非常小的孔并制造非常小的电介质塞子容易。围绕的电介质材料向耦合器组件提供机械刚度。
导体之间的电介质材料以及导体和接地平面之间的电介质材料(见图3B的参考标号320、322)的存在意味着偶传播模式和奇传播模式都将受到中断的影响，相对于对一个传播模式的影响与另一个不同的电介质支撑物设计，这提高了性能。导体的位置由容易配合到微电路封装的接地平面的电介质支撑物(见图3B的参考标号320、322)来固定。这允许耦合器组件(见图1A-1C的参考标号100)与各种相对简单的微电路封装一起使用，并提供了适合于使用高至至少110GHz的耦合器的实施例。
补偿结构220、221包括缩小部分224、225，缩小部分224、225是耦合器天线的大约0.5mm长的缩小了横截面的部分。在具体实施例中，耦合器天线222的大部分具有约0.4mm高、约0.3mm宽的矩形横截面，而缩小部分224具有约0.2mm高、约0.25mm宽的矩形横截面尺寸。这些尺寸仅是示例性的。可替换地可以使用许多其他尺寸的天线和缩小部分。电介质支撑物(见图2D的参考标号226、228)支撑补偿结构的缩小部分224。
补偿结构220包括过渡部分230、232(以及在缩小部分的底面和缩小部分的背面的其他类似的过渡部分)，过渡部分逐渐缩小(例如锥形)耦合器天线的横截面至缩小部分224，并且之后从缩小部分逐渐增大耦合器天线的横截面，以进一步减小支撑耦合器天线处的阻抗中断。在具体实施例中，过渡部分形成与竖直方向成约30度的角(见图2D)但是，此角度仅是示例性的。根据耦合器天线的尺寸和电介质支撑物的尺寸、构造以及材料可以可替换地使用更加陡峭或者更加平缓的过渡。
图2C示出根据本发明实施例的耦合器组件的补偿结构的剖视图。剖视图基本上是沿图2B的剖面线A-A来取的；但是，电介质支撑物226、228未示出在图2B中。耦合器天线222具有过渡部分230、234、236、238。
图2D示出补偿结构的大致沿图2B的剖面线B-B的另一个剖视图。电介质支撑物226、228围绕耦合器天线的缩小部分224、225，并将耦合器天线支撑为离上电介质表面和下电介质表面240、242选定的距离，使得当耦合器组件封装在微电路壳体中时，耦合器天线将被保持为离微电路壳体的接地平面(顶和底)和盖选定的距离。
III.示例性的封装耦合器组件
图3A示出根据本发明实施例在微电路壳体302中的耦合器组件300的体视图。同轴适配器在输入端口304、输出端口306和耦合端口308处增加至微电路壳体。第四端口310端接在阻抗负载312中，在具体实施例中阻抗负载312被选择来提供高至至少约90GHz的高质量(也就是低电容、低电感)负载的50欧电阻。
图3B示出沿图3A的剖面线C-C的剖视图。盖314(图3A中未示出)使用导电粘结剂被附装到微电路302。可替换地，用介入式导电衬垫(未示出)将盖拧入或螺栓连接到微电路壳体上，或使用其它方式来附装。盖和微电路壳体具有导电表面，并且在具体实施例中是镀金的铝。缩小部分224、225由电介质支撑物102、104来支撑。电介质支撑物104中的凹穴(例如见图1A的参考标号130)用多晶形铁316、318或其它的电磁吸收材料来填充。电介质支撑物102、104将耦合器天线支撑为离由盖314和微电路壳体302提供的接地平面320、322选定的距离，以形成带线耦合器。
IV.模拟和测试结果
基本上根据图1A的耦合器组件的电介质支撑耦合器是利用可以从AGILENT TECHNOLOGIES，INC.获得的HIGH FREQUENCYSTRUCTURE SIMULATOR(“HFSS”)TM版本5.6进行建模的。还建模了理想耦合器，即，类似配置的耦合器，但是该耦合器具有无补偿结构、悬置在空气中并且没有物理支撑的耦合器天线。图4A示出了与类似尺寸的理想耦合器的耦合度相比，所建模的电介质支撑耦合器400的耦合度(S31)。这些图示出了高至至少100GHz电介质支撑耦合器都具有与理想耦合器类似的性能。
图4B示出了图4A中建模的电介质支撑耦合器404和图4A中建模的理想耦合器406的方向性曲线(S24/S21)。电介质支撑耦合器与理想的耦合器相比，说明了环绕的电介质支撑物和过渡获得的优点。
基本上根据图3A的封装耦合器被制造出，并利用矢量网络分析器进行了测试。图5A示出了测量出的封装耦合器的输入回程损耗(S11)。一直到110GHz都实现了比-15dB好的优异的输入回程损耗。尽管根据实施例的耦合器制造成本显著降低，但是输入回程损耗仍与使用电介质腿部的类似电气设计的现有封装耦合器相当。
图5B示出了测量出的图5A的封装耦合器的耦合回程损耗(S33)。与输入回程损耗类似，测量出的根据实施例的封装耦合器的耦合回程损耗与使用电介质腿部的类似电气设计的现有封装耦合器的耦合回程损耗相当。
图5C示出了测量出的图5A的封装耦合器的耦合度(S31)，图5D示出了测量出的图5A的封装耦合器的方向性(S32/S31)。根据实施例的电介质支撑封装耦合器的方向性与使用腿部的现有封装耦合器的方向性大致相同。期望对封装耦合器设计的细化将在高至110GHz都提供比-10dB好的方向性。
尽管已经详细描述了本发明的优选实施例，但是很明显，对于本领域技术人员来说，在不脱离由权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行修改和改变。例如，本发明的实施例被用于制造高性能、低成本的分配器和Lange耦合器以及双向耦合器。

Claims (11)

1.一种耦合器组件，包括：
第一导体；
沿耦合部分贴近所述第一导体的第二导体；
沿所述耦合部分延伸的第一电介质支撑物；和
沿所述耦合部分延伸的第二电介质支撑物，所述第一电介质支撑物与所述第二电介质支撑物配合，以在第一支撑部分处围绕所述第一导体和所述第二导体。
2.根据权利要求1所述的耦合器组件，其中所述第一电介质支撑物和所述第二电介质支撑物在第二支撑部分处围绕所述第一导体和所述第二导体。
3.根据权利要求2所述的耦合器组件，其中所述第一导体和所述第二导体在除了所述第一支撑部分和所述第二支撑部分之外的部分处由空气包围。
4.根据权利要求3所述的耦合器组件，其中第一补偿结构包括至所述第一导体的缩小部分的过渡部分。
5.根据权利要求4所述的耦合器组件，其中所述第一电介质支撑物和所述第二电介质支撑物中的至少一个在支撑所述缩小部分的支撑部分中具有凹口。
6.根据权利要求1所述的耦合器组件，其中所述第一导体在所述支撑部分处包括第一补偿结构，并且所述第二导体包括第二补偿结构。
7.根据权利要求1所述的耦合器组件，其中所述第一电介质支撑物和所述第二电介质支撑物中的至少一个包括用电磁吸收材料填充的凹穴。
8.根据权利要求1所述的耦合器组件，其中所述第一电介质支撑物和所述第二电介质支撑物中的至少一个包括加工的聚合物。
9.根据权利要求1所述的耦合器组件，其中所述第一电介质支撑物和所述第二电介质支撑物中的至少一个包括浇铸的聚合物。
10.根据权利要求1所述的耦合器组件，还包括：
提供第一接地平面的微电路壳体；和
提供第二接地平面的微电路盖，所述第一电介质支撑物和所述第二电介质支撑物将所述第一导体和所述第二导体保持为离所述第一接地平面第一选定的距离，离所述第二接地平面第二选定的距离，从而形成槽状线耦合器。
11.根据权利要求10所述的耦合器组件，还包括连接至所述槽状线耦合器的端口的接线端。
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