CN214176220U - 一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器，包括金属内芯和金属外壁，所述金属内芯内置于所述金属外壁之中，所述金属内芯和所述金属外壁共同构成同轴结构；所述金属外壁上有周期性的开窗结构；所述金属内芯通过宽度变换实现阻抗变换。所述定向耦合器能够实现器件的体积远远小于基于传统波导结构的器件体积，同时性能优于芯片级耦合器，满足W波段通信系统小型化和集成化的要求，使其体积在远远小于传统波导结构的同时保持着损耗小、端口输出一致性高的良好性能，有利于W波段通信系统小型化、集成化的设计。
Description
技术领域
本申请涉及通信领域，特别是涉及一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器。
背景技术
随着各种通信系统的快速发展，频谱资源日益缺乏，致使众多民用和军用通信系统的应用频率不断向高频发展。W波段的通信系统是一个重要的发展方向。W波段包含的频带范围是75GHz-110GHz，其电磁波波长短、电离层穿透能力强，这使它在工程应用中突破了微波和红外波的局限性。
耦合器是通信系统中的重要无源器件，它在功率计、检波器和混频器等电路设计中发挥着关键作用。现有的W波段定向耦合器大多采用传统的波导结构，这种结构尺寸过大，而且需要过渡结构才能与固态芯片连接，严重阻碍了W波段通信系统的一体化设计；一些芯片级的耦合器虽满足了小型化的要求，但损耗相对偏大，而且功率容量有限，在使用方面受到了很大的限制。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器。
本实用新型提供了一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器，包括金属内芯和金属外壁，所述金属内芯内置于所述金属外壁之中，所述金属内芯和所述金属外壁共同构成同轴结构；所述金属外壁上有周期性的开窗结构；所述金属内芯通过宽度变换实现阻抗变换。
进一步的，所述金属外壁设置有四个端口，分别是输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口。
进一步的，所述金属内芯包括有四个矩形微同轴-共面波导过渡结构，所述矩形微同轴-共面波导过渡结构和所述金属外壁上的四个端口相互对应。
进一步的，所述金属内芯还包括有四分之一波长阻抗变换线，所述四分之一波长阻抗变换线设置于所述矩形微同轴-共面波导过渡结构后侧。
进一步的，所述四分之一波长阻抗变换线连接有两路分支线，包括直通分支线和旁路分支线，所述直通分支线水平连接于所述四分之一波长阻抗变换线，所述旁路分支线垂直连接于所述四分之一波长阻抗变换线。
进一步的，所述金属内芯的底部通过周期分布的介质条进行支撑。
进一步的，所述金属外壁为对称设计，所述金属外壁的外形为“工”字形结构。
进一步的，所述金属外壁的长度为3.72mm，宽度为1.84mm，高度为 0.5mm。
本申请的有益效果是：本实用新型公开了基于矩形微同轴结构的定向耦合器，包括金属内芯和金属外壁，所述金属内芯和所述金属外壁共同构成同轴结构；所述金属外壁上有周期性的开窗结构；所述金属内芯通过宽度变换实现阻抗变换，所述金属内芯的底部通过周期分布的介质条进行支撑。本实用新型基于一种3D矩形微同轴传输结构，采用分支线耦合的方式实现定向耦合功能，并且器件的制备需要采用先进的铜基MEMS工艺，最终实现器件的体积远远小于基于传统波导结构的器件体积，同时性能优于芯片级耦合器，满足W波段通信系统小型化和集成化的要求，使其体积在远远小于传统波导结构的同时保持着损耗小、端口输出一致性高的良好性能，有利于W波段通信系统小型化、集成化的设计。
附图说明
图1为一个实施例中基于矩形微同轴结构的定向耦合器的外形结构示意图；
图2为一个实施例中基于矩形微同轴结构的定向耦合器的内部结构示意图；
图3为一个实施例中金属外壁上四个端口的回波损耗示意图；
图4为一个实施例中直通端口和耦合端口的传输系数示意图；
图5为一个实施例中直通端口和耦合端口与输入端口和隔离端口之间隔离度示意图；
图6为一个实施例中直通端口和耦合端口的输出信号相位差示意图。
1-金属外壁；2-金属内芯；201-矩形微同轴-共面波导过渡结构；202- 四分之一波长阻抗变换线；203-介质条；204-旁路分支线；205-直通分支线。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1～图2所示，本实施例提供了一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器，包括金属内芯2和金属外壁1，所述金属内芯2内置于所述金属外壁1之中，所述金属内芯2和所述金属外壁1共同构成同轴结构；所述金属外壁1上有周期性的开窗结构；所述金属内芯2通过宽度变换实现阻抗变换。优选地，所述金属外壁1的长度为3.72mm，宽度为1.84mm，高度为0.5mm。
优选地，基于矩形微同轴结构的定向耦合器实际是基于矩形微同轴结构的高性能W波段10dB定向耦合器，所述金属外壁1为对称设计，所述金属外壁1的外形为“工”字形结构。所述定向耦合器主要包括金属外壁1 和金属内芯2两部分，由此构成了同轴结构，所述金属内芯2的底部通过周期分布的介质条203进行支撑，金属外壁1和金属内芯2之间填充的是空气，因而减小了电磁信号传输的介质损耗。整体结构具有对称性，所以在实际使用时，任何一个端口都可以作为输入端口，但是当输入端口确定时，其它的端口也就相应的确定。
优选地，所述金属外壁1设置有四个端口，分别是输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口。为便于描述，将输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口依次分别称为端口一、端口二、端口三和端口四。如图1所示，假定端口一为输入端口，则端口二是直通端口，端口三是耦合端口，端口四是隔离端口。为了使用方便，四个端口最终的输出形式是共面波导，在使用时可以通过金丝键合与有源芯片互联，金属内芯2接入射频信号，金属外壁1为地。
另一方面，耦合器的制备采用的是铜基MEMS工艺，需要多层叠加最终形成3D的同轴结构，大致的工艺流程可以分为几步，首先使用光刻胶在衬底上形成一层牺牲层，然后采用光刻的方式在牺牲层上制作所需的结构，接着采用电化学的方法在表面沉积铜并进行平坦化处理，重复上述几步直到完全形成所需的3D的结构，最后通过剥离液将牺牲层去除，形成3D微同轴结构。特别地，为了剥离液更好的去除牺牲层，需要在金属外壁1上进行周期性的开窗，开窗的数量不宜过多也不宜过少，过多会增大辐射损耗，过少会使牺牲层去除不干净；在加工时需要在中间的一层加入周期排布内芯支撑介质条203。通过3D矩形微同轴传输结构，采用分支线耦合的方式实现定向耦合功能，并且器件的制备需要采用先进的铜基MEMS工艺，最终实现器件的体积远远小于基于传统波导结构的器件体积，同时性能优于芯片级耦合器，满足W波段通信系统小型化和集成化的要求，使其体积在远远小于传统波导结构的同时保持着损耗小、端口输出一致性高的良好性能，有利于W波段通信系统小型化、集成化的设计。
优选地，所述金属内芯2包括有四个矩形微同轴-共面波导过渡201 结构，所述矩形微同轴-共面波导过渡结构201和所述金属外壁1上的四个端口相互对应。进一步的，所述金属内芯2还包括有四分之一波长阻抗变换线202，所述四分之一波长阻抗变换线202设置于所述矩形微同轴-共面波导过渡结构201后侧。所述四分之一波长阻抗变换线202连接有两路分支线，包括直通分支线205和旁路分支线204，所述直通分支线205水平连接于所述四分之一波长阻抗变换线202，所述旁路分支线204垂直连接于所述四分之一波长阻抗变换线202。
如图3到图6所示，对本实用新型所述的W波段定向耦合器特性进行仿真。端口反射系数低于-15dB，则可以认为端口匹配良好。如图3所示，在频率75GHz-110GHz范围内，四个端口的反射系数S11、S22、S33和S44 均小于-19.8dB。图4给出了端口一到端口二和端口三的传输系数，端口一到端口二的传输系数S21在-0.61dB—-0.83dB范围内波动；端口一到端口三的传输系数S31在-9.8dB—-10.1dB范围内波动，两个传输系数的波动范围很小，并且达到了10dB耦合器的设计指标。图5给出了端口一到端口四和端口二到端口三的隔离度，它们隔离参数S41和S32均小于-23.5dB，它们值小-20dB时，可以认为是隔离度良好，当隔离度良好时，可以保证端口二和端口三的两路输出信号不会相互干扰。图6给出了端口二和端口三两路输出信号的相位差，两路输出信号的相位差在91-88.5度之间波动，波动范围很小，同时说明两路信号是正交信号且一致性良好。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，包括金属内芯和金属外壁，所述金属内芯内置于所述金属外壁之中，所述金属内芯和所述金属外壁共同构成同轴结构；所述金属外壁上有周期性的开窗结构；所述金属内芯通过宽度变换实现阻抗变换。
2.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述金属外壁设置有四个端口，分别是输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口。
3.根据权利要求2所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述金属内芯包括有四个矩形微同轴-共面波导过渡结构，所述矩形微同轴-共面波导过渡结构和所述金属外壁上的四个端口相互对应。
4.根据权利要求3所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述金属内芯还包括有四分之一波长阻抗变换线，所述四分之一波长阻抗变换线设置于所述矩形微同轴-共面波导过渡结构后侧。
5.根据权利要求4所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述四分之一波长阻抗变换线连接有两路分支线，包括直通分支线和旁路分支线，所述直通分支线水平连接于所述四分之一波长阻抗变换线，所述旁路分支线垂直连接于所述四分之一波长阻抗变换线。
6.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述金属内芯的底部通过周期分布的介质条进行支撑。
7.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述金属外壁为对称设计，所述金属外壁的外形为“工”字形结构。
8.根据权利要求7所述的基于矩形微同轴结构的定向耦合器，其特征在于，所述金属外壁的长度为3.72mm，宽度为1.84mm，高度为0.5mm。
Priority Applications (1)
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| CN202120407285.6U CN214176220U (zh) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 一种基于矩形微同轴结构的定向耦合器 |
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2021
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