CN208189756U - 一种新型3dB定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型3dB定向耦合器,该耦合器结构由上层介质板(5)和下层介质板(6)紧密连接而成。上层介质板(5)的上表面印刷有接地金属层,下表面印刷有耦合微带线(13);下层介质板(6)上表面印刷有周期性的第一圆形金属贴片(9)、第二圆形金属贴片(15)和H型耦合微带线(12),下表面印刷有金属层,并在下层介质板(6)上打有周期性的第一金属过孔(10)、第二金属过孔(11)、第三金属过孔(14)。本实用新型具有易集成、小尺寸、宽带宽、低损耗、较高隔离等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域,具体涉及一种新型3dB定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是一种重要的微波毫米波器件,定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件,可用于信号的隔离、分离和混合,如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。耦合器的形式主要包括波导耦合器和微带耦合器。随着通信系统的发展,对于微波毫米波设备的频率要求越来越高,然而,传统的矩形波导耦合器和微带耦合器在高频损耗较大,限制了其在高频的应用。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)的出现则较好地解决了以上问题,基片集成波导利用金属过孔在介质板中实现波导的场传播模式,结合了传统波导和微带传输线两者的优点,是一种高性能的微波毫米波平面电路。然而,随着频率的增高,基片集成波导的性能也会下降。
2009年,一种更适用于高频的波导结构被提出来,即间隙波导(Gap Waveguide,GW)。间隙波导包括两层结构:PEC层和PEC/PMC层,两层结构被小于1/4波长的空气间隙隔开。在PEC/PMC层中,高阻抗的EBG结构阵列围绕着金属脊,仅仅准TEM模式的电磁波可以沿着金属脊传播。间隙波导相比其他波导的主要优势是低损耗,不需要电连接,具有良好的金属屏蔽作用。
目前,基于SIW结构和间隙波导(GW)结构设计出了多款耦合器。基于SIW的耦合器形式主要有:(1)两个SIW并列,通过孔耦合;(2)两个耦合器交叉排列在单层介质板上;(3)两个SIW以交叉或者重叠的形式上下排列,通过缝隙耦合;(4)两个SIW并列,以传输线耦合的形式设计;(5)两个SIW垂直放置,通过缝隙耦合。基于间隙波导的耦合器设计主要有两种类型:一种是基于孔耦合理论的波导耦合器;另一种为将耦合器以传导脊的形式设计在间隙波导中。但是,基于SIW的耦合器依然存在着空间辐射和表面波的问题,而间隙波导耦合器的尺寸则较大,不适合集成。
2012年,微带间隙波导被设计出来以满足通信系统小型化的需求。近年来,张晶等学者利用介质板代替了微带间隙波导中的空气间隙,设计出了基片集成间隙波导结构,实现了更稳定的间隙高度,和更高的性能。由于基片集成间隙波导的高性能,将其应用于微波毫米波器件的设计中,也是一种必然的趋势。
本发明首次将基片集成间隙波导技术用于定向耦合器的设计,解决了SIW耦合器和GW耦合器存在的问题,同时实现了宽带宽和较高的隔离度。
本发明内容,经文献检索,未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足,设计出一种新型3dB定向耦合器。
一种新型3dB定向耦合器,包括:上层介质板(5),下层介质板(6),其中:
a、上层介质板(5)是一块带有两个矩形槽的长方形介质板,其上表面印刷有金属地,下表面印刷有耦合微带线(13);耦合微带线(13)的中间位置开有一个矩形第一缝隙(7);耦合微带线(13)的四个端口分别为第一端口(1),第二端口(2),第三端口(3)和第四端口(4);第一端口(1)为输入端口,第二端口(2)为直通端口,第三端口(3)为耦合端口,第四端口(4)为隔离端口;
b、下层介质板(6)的下表面印刷有金属地,上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片(9) 和第二圆形金属贴片(15),H型耦合微带线(12);下层介质板(6)上打有周期性第一金属过孔(10)、第二金属过孔(11)和第三金属过孔(14);H型耦合微带线(12)的中间位置开有矩形第二缝隙(8);H型耦合微带线(12)通过第二金属过孔(11)与金属地相连;
c、第一圆形金属贴片(9)与第一金属过孔(10)构成第一种蘑菇型EBG结构阵列,并通过第一金属过孔(10)与金属地连接;第二圆形金属贴片(15)与第三金属过孔(14)构成第二种蘑菇型EBG结构阵列,并通过第三金属过孔(14)与金属地连接;第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的两侧;第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线 (12)的中间;
d、下层介质板(6)的上表面与上层介质板(5)的下表面紧密连接;上层介质板(5)下表面的耦合微带线(13)与下层介质板(6)上表面的H型耦合微带线(12)重合连接;矩形第一缝隙(7)和矩形第二缝隙(8)重合。
如上所述,上层介质板(5)为基片集成间隙波导的间隙层;下层介质板(6)为基片集成间隙波导的过孔层;第二金属过孔(11)和H型耦合微带线(12)构成基片集成间隙波导的传导脊,实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。
如上所述,端口(1)输入激励信号;端口(2)的信号由端口(1)直通过去;端口 (3)的信号由两路同相信号叠加,与端口(2)的幅度相同,但相差90度;端口(4)的信号为两路反相等幅信号叠加,相消后使端口(4)没有信号输出。
如上所述,耦合微带线(13)上的第一缝隙(7)与H型耦合微带线(12)上的第二缝隙(8)的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度,尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。
如上所述,第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同,但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大,降低了回波损耗,同时提高了隔离度。
如上所述,调整上两层介质板厚度的比值,可以调整耦合器的工作频率;下层介质板(6)的厚度比上层介质板(5)的厚度大时,耦合器的上下截止频率降低。
如上所述,下层介质板(6)的介电常数比上层介质板(5)的介电常数大,也会使耦合器的上下截止频率下移。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
1、解决了传统微带耦合器在高频应用高损耗的问题;
2、尺寸小,剖面低,易集成;
3、具有较高的隔离度;
4、具有较宽的带宽。
附图说明
图1为本发明一种新型3dB定向耦合器的整体结构图。
图2为本发明一种新型3dB定向耦合器上层介质板的上表面图。
图3为本发明一种新型3dB定向耦合器上层介质板的下表面图。
图4为本发明一种新型3dB定向耦合器下层介质板的上表面图。
图5为本发明一种新型3dB定向耦合器下层介质板的下表面图。
图6为本发明一种新型3dB定向耦合器的S参数仿真结果图。
图7为本发明一种新型3dB定向耦合器的直通端与耦合端的相位差仿真结果图。
具体实施方案
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进一步详细地说明。
如图1-5所示,一种新型3dB定向耦合器,包括:上层介质板(5),下层介质板 (6),其中:
a、上层介质板(5)是一块带有两个矩形槽的长方形介质板,其上表面印刷有金属地,下表面印刷有耦合微带线(13);耦合微带线(13)的中间位置开有一个矩形第一缝隙(7);耦合微带线(13)的四个端口分别为第一端口(1),第二端口(2),第三端口(3)和第四端口(4);第一端口(1)为输入端口,第二端口(2)为直通端口,第三端口(3)为耦合端口,第四端口(4)为隔离端口;
b、下层介质板(6)的下表面印刷有金属地,上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片(9) 和第二圆形金属贴片(15),H型耦合微带线(12);下层介质板(6)上打有周期性第一金属过孔(10)、第二金属过孔(11)和第三金属过孔(14);H型耦合微带线(12)的中间位置开有矩形第二缝隙(8);H型耦合微带线(12)通过第二金属过孔(11)与金属地相连;
c、第一圆形金属贴片(9)与第一金属过孔(10)构成第一种蘑菇型EBG结构阵列,并通过第一金属过孔(10)与金属地连接;第二圆形金属贴片(15)与第三金属过孔(14)构成第二种蘑菇型EBG结构阵列,并通过第三金属过孔(14)与金属地连接;第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的两侧;第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线 (12)的中间;
d、下层介质板(6)的上表面与上层介质板(5)的下表面紧密连接;上层介质板(5)下表面的耦合微带线(13)与下层介质板(6)上表面的H型耦合微带线(12)重合连接;矩形第一缝隙(7)和矩形第二缝隙(8)重合。
如上所述,上层介质板(5)为基片集成间隙波导的间隙层;下层介质板(6)为基片集成间隙波导的过孔层;第二金属过孔(11)和H型耦合微带线(12)构成基片集成间隙波导的传导脊,实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。
如上所述,端口(1)输入激励信号;端口(2)的信号由端口(1)直通过去;端口 (3)的信号由两路同相信号叠加,与端口(2)的幅度相同,但相差90度;端口(4)的信号为两路反相等幅信号叠加,相消后使端口(4)没有信号输出。
如上所述,耦合微带线(13)上的第一缝隙(7)与H型耦合微带线(12)上的第二缝隙(8)的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度,尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。
如上所述,第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同,但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大,降低了回波损耗,同时提高了隔离度。
如上所述,调整上两层介质板厚度的比值,可以调整耦合器的工作频率;下层介质板(6)的厚度比上层介质板(5)的厚度大时,耦合器的上下截止频率降低。
如上所述,下层介质板(6)的介电常数比上层介质板(5)的介电常数大,也会使耦合器的上下截止频率下移。
如上所述,耦合器整体尺寸为53mm×36.2mm×0.508mm;上层介质板(5)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料,下层介质板(6)是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。
图6所示的S参数仿真结果表明,在23.59GHz-29GHz频段,本发明一种新型3dB 定向耦合器具有S14低于-20dB的隔离特性,S11大部分低于-20dB,小部分低于-18dB的阻抗特性,以及S12和S13为3.4dB-4.2dB的传输特性;图7所示的直通端口(2)和耦合端口(3)的相位差结果表明,该耦合器是正交的。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种新型3dB定向耦合器,其特征在于包括上层介质板(5),下层介质板(6),其中:
a、上层介质板(5)是一块带有两个矩形槽的长方形介质板,其上表面印刷有金属地,下表面印刷有耦合微带线(13);耦合微带线(13)的中间位置开有一个矩形第一缝隙(7);耦合微带线(13)的四个端口分别为第一端口(1),第二端口(2),第三端口(3)和第四端口(4);第一端口(1)为输入端口,第二端口(2)为直通端口,第三端口(3)为耦合端口,第四端口(4)为隔离端口;
b、下层介质板(6)的下表面印刷有金属地,上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片(9)和第二圆形金属贴片(15),H型耦合微带线(12);下层介质板(6)上打有周期性第一金属过孔(10)、第二金属过孔(11)和第三金属过孔(14);H型耦合微带线(12)的中间位置开有矩形第二缝隙(8);H型耦合微带线(12)通过第二金属过孔(11)与金属地相连;
c、第一圆形金属贴片(9)与第一金属过孔(10)构成第一种蘑菇型EBG结构阵列,并通过第一金属过孔(10)与金属地连接;第二圆形金属贴片(15)与第三金属过孔(14)构成第二种蘑菇型EBG结构阵列,并通过第三金属过孔(14)与金属地连接;第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的两侧;第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的中间;
d、下层介质板(6)的上表面与上层介质板(5)的下表面紧密连接;上层介质板(5)下表面的耦合微带线(13)与下层介质板(6)上表面的H型耦合微带线(12)重合连接;矩形第一缝隙(7)和矩形第二缝隙(8)重合。
2.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:上层介质板(5)为基片集成间隙波导的间隙层;下层介质板(6)为基片集成间隙波导的过孔层;第二金属过孔(11)和H型耦合微带线(12)构成基片集成间隙波导的传导脊,实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。
3.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:端口(1)输入激励信号;端口(2)的信号由端口(1)直通过去;端口(3)的信号由两路同相信号叠加,与端口(2)的幅度相同,但相差90度;端口(4)的信号为两路反相等幅信号叠加,相消后使端口(4)没有信号输出。
4.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:耦合微带线(13)上的第一缝隙(7)与H型耦合微带线(12)上的第二缝隙(8)的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度,尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。
5.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同,但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大,降低了回波损耗,同时提高了隔离度。
6.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:调整上两层介质板厚度的比值,可以调整耦合器的工作频率;下层介质板(6)的厚度比上层介质板(5)的厚度大时,耦合器的上下截止频率降低。
7.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:下层介质板(6)的介电常数比上层介质板(5)的介电常数大,也会使耦合器的上下截止频率下移。
8.根据权利要求1所述的一种新型3dB定向耦合器,其特征在于:耦合器的整体尺寸为53mm×36.2mm×0.508mm;上层介质板(5)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料,下层介质板(6)是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。
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