CN204538170U - 具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器及其设计方法，它包括四个互相衔接的90度扇形微带片状单元，四条端口线，若干个沿着片状单元边缘分布的金属化过孔以及介质基板和金属地组成；四个边缘加载金属化过孔的90度扇形微带片状单元、四条端口线、介质基板和金属地用来构成基于片状单元的介质集成波导耦合器，四个90度扇形微带片状单元对顶扇区半径相等，相邻扇区半径不等，其不同的半径值之比实现不同的耦合因数，所述四条沿片状单元中心间隔90度的端口线位置用来实现耦合器的相位正交功能；本实用新型的毫米波正交耦合器，可广泛应用在调制解调器、功率放大器、平衡混频器、系统功率检测、多波束天线阵列的幅度控制电路等系统中。

Description

具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器

技术领域

本实用新型涉及微波、毫米波通信中使用的耦合器，特别涉及一种基于片状单元的输出端口间具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，以及该耦合器的设计方法。

背景技术

   耦合器是一种具有方向性的功率分配元件，它能从主传输系统的正向波中按照不同比例把功率分配到耦合端。在功率增益控制器件、平衡放大器、调制解调电路、相控阵雷达系统的馈电网络中，都需要用到耦合器。一直以来，人们在围绕着如何提高耦合器的3dB工作带宽以及如何减小电路尺寸方面已经有了广泛的研究，但是对工作在毫米波段的具有任意耦合系数的正交耦合器的研究相对较少。

事实上，具有任意耦合因数的正交耦合器在许多特殊的应用中经常用到，比如不等功分比的功率放大器、调制解调器、平衡混频器、系统功率检测和多波束天线阵列的幅度控制电路。所以，具有任意耦合因数的耦合器也至关重要。

在毫米波频段，随着整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。传统的金属波导器件由于其体积大，加工工艺和调试过程复杂，从而导致了应用系统造价昂贵，维护困难。微带电路和早期的集成电路由于电路中电磁波的泄漏和辐射比较严重，电路的插入损耗大、Q 值比较低，而且其电路尺寸也很小，对加工精度要求高，造价成本高。所以为了减小通信系统的体积，降低系统成本，人们不得不寻找另外的替代技术。

片状单元由于其易加工成型、具有很强的机械结构性能、低剖面、低成本等特点，被广泛应用于设计无线通信系统中的天线、滤波器和耦合器等器件。除此之外，因片状单元独有的大尺寸特性能够很好地克服毫米波器件电路尺寸过小，对加工精度、成本方面的要求较高等缺陷。

基片集成波导（SIW）技术是一种可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构，整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用普通 PCB 工艺、LTCC工艺、甚至薄膜电路工艺精确实现，加工成本十分低廉，非常适合微波毫米波电路的集成设计和大批量制作。

因此，采用基片集成波导技术，设计一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，上述问题将迎刃而解。

因此，本文提出了一个可以实现具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，相较于传统的具有任意耦合因数的耦合器，它具有低插损、电路结构简单、设计过程简单、无附加阻抗匹配电路的特点，此外，它还具有易加工、成本低、较强的机械结构性能，输出端口间相位差稳定等优势。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服传统具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器在设计过程、电路性能、加工成本上的不足，并填补基于片状单元采用基片集成波导技术的耦合器在任意耦合因数特性研究中的空白，而提供一种结构简单、合理，能实现任意耦合因数的毫米波正交耦合器。

本实用新型的目的通过以下技术措施解决：

一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带片状单元，第二层为基板，第三层为金属地层；其中，第一层微带片状单元上设置有边缘加载金属化过孔的基于片状单元的毫米波正交耦合器。

作为更具体的方案，所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器由混合扇形微带片状单元和金属化过孔组成。

上述混合扇形微带片状单元包括四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元和四条微带线构成；按位置对称关系将所述四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元分为两组，第一组的两个扇形微带片状单元的水平轴和竖直轴均对称且结构一致，第二组的两个扇形微带片状单元的水平轴和竖直轴均对称且结构一致，且两组扇形微带片状单元相互衔接；所述四条微带线的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交接线重合，且每一微带线对应地分别与交接线重合的两个扇形微带片状单元衔接。

它还包括有四条微带阻抗匹配线，四条微带阻抗匹配线分别衔接对应的四条微带线另一端。

它还包括有四条微带端口线，四条微带端口线分别衔接对应的四条微带阻抗匹配线另一端。

所述第一组的两个扇形微带片状单元的边缘上分别加载若干个关于水平轴线对称且均匀地沿着圆弧向两边分布的金属化过孔，第二组的两个扇形微带片状单元的边缘上分别加载若干个关于竖直轴线对称且均匀地沿着圆弧向两边分布的金属化过孔。

所述金属化过孔关于90度扇形微带片状单元的角平分线对称，且圆心沿着距离微带片状单元边缘2*R _via  mm的圆弧均匀地向两边分布，上端连接微带片状单元，下端连接金属地层。

所述边缘加载金属化过孔的基于片状单元的毫米波正交耦合器，采用微带工艺固定在基板上，基板为介质材料基板，介质材料采用厚度为0.254mm的Rogers RT/Duroid 5880材料，其介电常数为2.2。

所述金属地层为铺满良导体的金属地层。

所述具有任意耦合因数的耦合器在保证输出端口间相位正交的前提下，可提供3dB-10dB的可调功率配比输出。

所述具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器的设计可仅通过改变相邻扇形微带片状单元的半径比值实现不同的耦合因数。

所述具有任意耦合因数的耦合器结构还可以用以实现其它无源器件（如功分器）功能。

本实用新型还提供一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器任意耦合因数的设计方法：首先，根据所需中心频率，介质基板的相对介电常数，计算扇形微带片状单元的初始半径值，然后适当地确定金属化过孔的位置以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调相邻片状单元的半径比值，实现设计所需的耦合因数，最后微调金属化过孔的位置以补偿相邻扇形微带片状单元的半径比值的变化带来的阻抗失配。

本实用新型的有益效果如下：

（1）本实用新型首次提出了一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其输出端口间具有90°相位差和任意耦合因数，非常适合于调制解调器、功率放大器、平衡混频器、系统功率检测、多波束天线阵列的幅度控制电路等系统的应用。

（2）与现有技术相比，实施本实用新型中所采用的基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，具有以下有益效果：a、通过调整相邻扇形微带片状单元的半径比值，设计过程简单，可实现输出端口间具有90°相位差和任意耦合因数；b、结构简单、性能优越、易于与其它电路集成；c、使用微带片状单元结构，具备独特的大尺寸工作特性，较强的机械结构性能，低剖面、低成本；d、可实现的耦合因数值域范围广，输出端口间相位差稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例侧面结构示意图。

图2为本实用新型实施例第一层上层微带整体结构示意图。

图3为本实用新型实施例在不同半径比值与耦合因数的仿真关系图。

图4为耦合因数为3dB、6dB和10dB所对应的电路物理尺寸的参数表格。

图5为本实用新型实施例输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图6为本实用新型实施例输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的相位响应结果对比图。

图7为本实用新型实施例输出端口间耦合因数为6dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图8为本实用新型实施例输出端口间耦合因数为6dB 时仿真和测量的相位响应结果对比图。

图9为本实用新型实施例输出端口间耦合因数为10dB时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图10为本实用新型实施例输出端口间耦合因数为10dB时仿真和测量的相位响应结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例所采用的技术方案进行清晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本实用新型中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本实用新型实施例的保护范围。

结合图1和图2所示，一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带片状单元101，第二层为基板102，第三层为金属地层103；其中，第一层微带片状单元101上设置有边缘加载金属化过孔的基于片状单元的毫米波正交耦合器200。

所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器200由混合扇形微带片状单元201和金属化过孔202组成。

所述混合扇形微带片状单元201包括四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4、四条微带线B1、B2、B3、B4、四条微带阻抗匹配线C1、C2、C3、C4和四条微带端口线D1、D2、D3、D4构成；按位置对称关系将所述四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4分为两组，第一组的两个扇形微带片状单元A1、A4的水平轴和竖直轴均对称且结构一致，半径均为R ₂ ，第二组的两个扇形微带片状单元A2、A3的水平轴和竖直轴均对称且结构一致，半径均为R _2， 且两组扇形微带片状单元相互衔接；所述四条微带线B1、B2、B3、B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交接线重合，且每一微带线B1、B2、B3、B4对应地分别与交接线重合的两个扇形微带片状单元A1、A2衔接，所述四条微带阻抗匹配线C1、C2、C3、C4的一端分别衔接对应的四条微带线B1、B2、B3、B4，四条微带阻抗匹配线C1、C2、C3、C4的另一端分别与对应的四条微带端口线D1、D2、D3、D4衔接。

其中，四条微带线B1、B2、B3、B4的形状和大小均一致，均为宽W ₂ ，末端距离微带片状单元中心的距离均为L ₁ -L ₂ -L _tap ；四条微带阻抗匹配线C1、C2、C3、C4的形状和大小均一致，均为上底宽W ₁ 、下底宽W ₂  、高为L _tap 的等腰梯形；四条微带端口线D1、D2、D3、D4形状和大小均一致，均为长为L ₂ 、宽为W ₁ 的矩形。

所述第一组的两个扇形微带片状单元A1、A4的边缘上分别加载若干个关于水平轴线对称且均匀地沿着圆弧向两边分布的金属化过孔202，第二组的两个扇形微带片状单元A2、A3 的边缘上分别加载若干个关于竖直轴线对称且均匀地沿着圆弧向两边分布的金属化过孔202。

所述金属化过孔202关于90度扇形微带片状单元的角平分线对称，且圆心沿着距离微带片状单元边缘2*R _via  mm的圆弧均匀地向两边分布，上端连接微带片状单元101，下端连接金属地层102，该金属化过孔半径为R _via 。

所述边缘加载金属化过孔的基于片状单元的毫米波正交耦合器200，采用微带工艺固定在基板102上，基板102为介质材料基板102，介质材料采用厚度为0.254mm的Rogers RT/Duroid 5880材料，其介电常数为2.2。

所述金属地层103为铺满良导体的金属地层103。

所述具有任意耦合因数的耦合器在保证输出端口间相位正交的前提下，可提供3dB-10dB的可调功率配比输出。

所述具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器的设计可仅通过改变相邻扇形微带片状单元的半径比值实现不同的耦合因数。

所述具有任意耦合因数的耦合器结构还可以用以实现其它无源器件（如功分器）功能。

一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器任意耦合因数的设计方法：首先，根据所需中心频率（本例为30GHz），介质基板的相对介电常数（本例为2.2），计算片状单元A1、A2、A3、A4的初始半径值R ₁ 、R ₂ （初值R ₁ =R ₂ ），然后适当地确定金属化过孔202的位置θ _1、 θ ₂ 以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调相邻片状单元的半径比值R ₁/R ₂，实现设计所需的耦合因数，最后微调金属化过孔的位置以补偿相邻片状单元的半径比值的变化带来的阻抗失配。

上述各电路参数为：L ₁ =14 mm，W ₁ =0.472 mm，W ₂ =0.789 mm，R _via =0.15 mm，以上参数固定不变，其余参数（R ₁ 、R ₂ 、θ ₁ 、θ ₂ 、L ₂ 、L _tap ）在不同耦合因数的电路中竖直是不同的。

参照图3（本实用新型实施例在不同半径比值与耦合因数的仿真关系图），其对应的3dB、6dB、10dB不同耦合因数时电路物理尺寸的参数见图4所示。从图3可以看出，本实用新型可提供3dB到10dB的任意耦合因数的信号输出。

参照图5（本实用新型实施例输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图6（本实用新型实施例输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的R ₁ =3.75mm，R ₂ =4.8mm，θ ₁ =30°，θ ₂ =25°，L ₂ =5.7mm，L _tap  =3mm，此时，本耦合器中心频率（30GHz）处输出端口间相位差为92.1°，测量的S参数为S₁₁=-37.4dB， S₂₁=-4.57dB， S₃₁= -4.17 dB，S₄₁=-24.5dB。

参照图7（本实用新型实施例输出端口间耦合因数为6dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图8（本实用新型实施例输出端口间耦合因数为6dB 时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的R ₁ =4mm，R ₂ =4.3mm，θ ₁ =24.6°，θ ₂ =23.67°，L ₂ =5.475mm，L _tap  =0.1mm，此时，本耦合器中心频率（30GHz）处输出端口间相位差为92.0°，测量的S参数为S₁₁=-16 .9dB， S₂₁=-7.8dB， S₃₁= -2.3 dB，S₄₁=-24.8dB。

参照图9（本实用新型实施例输出端口间耦合因数为10dB时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图10（本实用新型实施例输出端口间耦合因数为10dB时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的R ₁ =4.09mm，R ₂ =4.21mm，θ ₁ =22.2°，θ ₂ =22.2°，L ₂ =5.475mm，L _tap  =0.1mm，此时，本耦合器中心频率（30GHz）处输出端口间相位差为90.9°，测量的S参数为S₁₁=-30.0dB， S₂₁=-11.4dB， S₃₁= -2.25 dB，S₄₁=-27.2dB。

上述所有结果均在基板材料为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数为2.2，基板厚度为0.254 mm的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高，表明了本实用新型的方案切实可行。

以上是对本实用新型一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器所提供实施例的详细介绍。本文运用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。

对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带片状单元（101），第二层为基板（102），第三层为金属地层（103）；其中，第一层微带片状单元（101）上设置有边缘加载金属化过孔的基于片状单元的毫米波正交耦合器（200）。

2.根据权利要求1所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器（200）由混合扇形微带片状单元（201）和金属化过孔（202）组成。

3.根据权利要求2所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，所述混合扇形微带片状单元（201）包括四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元（A1、A2、A3、A4）和四条微带线（B1、B2、B3、B4）构成；按位置对称关系将所述四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元（A1、A2、A3、A4）分为两组，第一组的两个扇形微带片状单元（A1、A4）的水平轴和竖直轴均对称且结构一致，第二组的两个扇形微带片状单元（A2、A3）的水平轴和竖直轴均对称且结构一致，且两组扇形微带片状单元相互衔接；所述四条微带线（B1、B2、B3、B4）的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交接线重合，且每一微带线（B1、B2、B3、B4）对应地分别与交接线重合的两个扇形微带片状单元（A1、A2、A3、A4）衔接。

4.根据权利要求3所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，还包括有四条微带阻抗匹配线（C1、C2、C3、C4），四条微带阻抗匹配线（C1、C2、C3、C4）分别衔接对应的四条微带线（B1、B2、B3、B4）另一端。

5.根据权利要求4所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，还包括有四条微带端口线（D1、D2、D3、D4），四条微带端口线（D1、D2、D3、D4）分别衔接对应的四条微带阻抗匹配线（C1、C2、C3、C4）另一端。

6.根据权利要求3所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，所述第一组的两个扇形微带片状单元（A1、A4）的边缘上分别加载若干个关于水平轴线对称且均匀地沿着圆弧向两边分布的金属化过孔（202），第二组的两个扇形微带片状单元（A2、A3） 的边缘上分别加载若干个关于竖直轴线对称且均匀地沿着圆弧向两边分布的金属化过孔（202）。

7.根据权利要求6所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，所述金属化过孔（202）关于90度扇形微带片状单元的角平分线对称，且圆心沿着距离微带片状单元边缘2*R _via  mm的圆弧均匀地向两边分布，上端连接微带片状单元（101），下端连接金属地层（102）。

8.根据权利要求1所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，所述边缘加载金属化过孔的基于片状单元的毫米波正交耦合器（200），采用微带工艺固定在基板（102）上，基板（102）为介质材料基板（102），介质材料采用厚度为0.254mm的Rogers RT/Duroid 5880材料，其介电常数为2.2。

9.根据权利要求1所述基于片状单元的具有任意耦合因数的毫米波正交耦合器，其特征是，所述金属地层（103）为铺满良导体的金属地层（103）。