CN216488446U

CN216488446U - 一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器

Info

Publication number: CN216488446U
Application number: CN202220043034.9U
Authority: CN
Inventors: 韩威; 魏浩; 刘巍巍; 唐陆瑶; 魏恒; 周媛
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2032-01-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，属于无线通信技术领域。该双工器接收频率选择器、发射频率选择器及合路结构。接收频率选择器采用平行伪交指电路架构，该平行伪交指电路架构基于矩形金属微同轴技术实现，由第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器与第四谐振器共同构成；可利用短路枝节的长度和开路端耦合腔的长度实现对接收频率选择器中平行伪交指电路谐振器的耦合系数进行调节。本实用新型具有体积小、重量轻、易集成、可调节、低损耗、无色散、宽带宽、功率容量大等优点，在未来通信应用中前景广阔。

Description

一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器

技术领域

本实用新型涉及到无线通信技术领域，特别涉及一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器。

背景技术

随着通信技术的不断发展，未来移动网络、卫星通信以及专用微波通信领域将需要大量使用电磁频谱的毫米波和太赫兹频段，以满足容纳不断增加的数据量的需求。双工器作为通信系统射频前端举足轻重的元件之一，起着低损耗信号传输与分离的作用，其性能直接影响到整个通信系统的表现。传统双工器多采用平面传输线电路或波导传输电路的方式实现，在毫米波频率下的微带线和基片集成波导(SIW)等平面电路结构存在辐射损耗和介质损耗高的缺点，传统CNC制作的矩形波导体积大、重量重，需要复杂且昂贵的后处理过程才能实现高精度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器。该双工器具有体积小、重量轻、易集成、可调节、低损耗、无色散、宽带宽、功率容量大等优点，在未来通信应用中前景广阔。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，包括接收频率选择器1、发射频率选择器2和合路结构3，所述接收频率选择器和发射频率选择器2分别连接在合路结构3的两个支路端口；

所述接收频率选择器1和发射频率选择器均为基于矩形金属微同轴的平行伪交指电路结构，所述平行伪交指电路结构包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器；所述第一谐振器与第四谐振器平行排布构成第一组耦合电路，所述的第二谐振器与第三谐振器平行排布构成第二组耦合电路；所述第二组耦合电路位于第一谐振器和第四谐振器之间，并且平行于第一谐振器；所述第二组耦合电路的一端设有开路端耦合腔，另一端通过短路枝节与矩形微同轴的外导体连接；

所述发射频率选择器2还包括第五谐振器和第六谐振器；所述第五谐振器和第六谐振器分别连接在发射频率选择器的输入枝节和输出枝节，且两者均平行于发射频率选择器的第一谐振器；所述第五谐振器和第六谐振器均为L型结构，两者的末端弯折，弯折长度为四分之一的波长；

所述合路结构3为T型金属的微同轴结构。

进一步的，所述合路结构的两支路端口分别通过对应的Z型微同轴与接收频率选择器1和发射频率选择器连接；所述Z型微同轴的折角为90度，且折角处为圆弧角。

进一步的，所述合路结构3的合路端、接收频率选择器的输入端和发射频率选择器的输出端均为空气共面波导金属准同轴接口电路；所述空气共面波导金属准同轴接口电路包括中心信号导体302和外围金属地导体303，且外围金属外围金属地导体303包括全包裹段和半包裹段，其中全包裹段与内部微同轴连接；中心信号导体302通过支撑结构固定于外围金属地导体的中心，且中心信号导体302的上表面与外围金属地导体半包裹段的上表面处于同一平面。

进一步的，所述的空气共面波导金属准同轴接口电路与内部微同轴之间通过用于实现阻抗变换的渐变过度结构7连接。

本实用新型采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

本实用新型的调节窗口可以将接收、发射频率选择器中的短路枝节以及开路端耦合腔暴露在外，便于进行后续精密调节；具体的调节机制上，对于接收频率选择器，通过调节短路枝节107的长度可以实现对谐振器104与105间的耦合系数的精密调节；通过调节耦合腔108的长度L_h2可以实现对谐振器103与104、105与106间的耦合系数的精密调节；对于发射频率选择器，通过调节短路枝节209的长度L_h3可以实现对谐振器206与207间的耦合系数的精密调节；通过调节耦合腔210的长度L_h4可以实现对谐振器205与206、207与208间的耦合系数的精密调节。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的斜轴测图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的斜剖视图；

图4为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的剖面俯视图；

图5为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的剖面俯视图的尺寸标注图；

图6为本实用新型实施例提供的微同轴传输线的分层剖面视图；

图7为本实用新型实施例提供的基于空气共面波导金属准同轴接口电路的投影视图；

图8为本实用新型实施例提供的平行伪交指谐振器的耦合电路原理图；

图9为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器实施示例仿真结果。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本实施例基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，具体以工作在接收17-21GHz和发射27-31GHz频段的双工器实施为例。

参阅图1至图6，本实施例包括：接收频率选择器1、发射频率选择器2及公共端的合路结构3。在结构上采用平面布局，接收频率选择器1与发射频率选择器2置于公共端的合路结构3的两侧，三者处于同一水平面；其中接收频率选择器1的输入端与发射频率选择器2的输出端分别与合路结构3的两个分路端口，采用Z字形微同轴线互连；接收频率选择器1的输出端口与发射频率选择器2的输入端口方向垂直于合路结构3的公共端口；合路结构3采用T型电路结构设计，并且该T型电路加入了匹配结构8用于实现频率选择器与合路端口的阻抗匹配，其公共端口负责接收与发射信号的公共传输。

接收频率选择器1为平行伪交指电路架构，具体由输入输出端口101、102和第一谐振器103、第二谐振器104、第三谐振器105与第四谐振器106四个微同轴谐振器构成，屏蔽结构109将各谐振器与微同轴传输线整体包裹在内部，起到电磁屏蔽与信号接地回路的目的，各谐振器通过支撑结构5固定于微同轴传输线内部。

所述的接收频率选择器1的输入输出端口102和103分别与第一谐振器103和第四谐振器106相连，具体抽头位置可由电磁场设计软件辅助完成；微同轴谐振器一端短路一端开路，短路端电流较强，开路端电场较强，微同轴谐振器103、104和105、106构成了平行伪交指结构；其中第一谐振器103和第四谐振器106构成了第一组耦合电路，第二谐振器104和第三谐振器105构成了第二组耦合电路。

在电路结构实现上，第二组耦合电路内嵌入第一组耦合电路中，从而为交叉耦合和源负载耦合提供了路径，形成混合耦合，进而使该接收频率选择器1在发射频段产生两个传输零点，从而提高了发射频段对接收频段的抑制。

接收频率选择器1的第一组耦合电路的短路端所处的电路位置对应第二组耦合电路的开路端，同样第二组耦合电路的短路端所处的电路位置对应第一组耦合电路的开路端，所述的谐振器短路端与外部屏蔽结构109采用多层微同轴工艺一体化加工成形；所述的第二组耦合电路的开路端设计有开路端耦合腔108，同时在短路端设计有短路枝节107，通过调节短路枝节107的长度L_h1和开路端耦合腔108的长度L_h2实现对平行伪交指电路中谐振器间的耦合系数调节。

发射频率选择器2同样为平行伪交指电路架构，具体由输入输出端口201、202和第一谐振器208、第二谐振器207、第三谐振器206、第四谐振器205、第五谐振器204、第六谐振器203六个微同轴谐振器构成，屏蔽结构211将各谐振器与微同轴传输线整体包裹在内部，起到电磁屏蔽与信号接地回路的目的，各谐振器与微同轴传输线通过位于微同轴内的支撑结构5固定。

发射频率选择器2的输入输出端口201和202分别与第五谐振器204和第六谐振器203相连，具体抽头位置可由电磁场设计软件辅助完成；微同轴谐振器一端短路一端开路，短路端电流较强，开路端电场较强，微同轴谐振器208、206和207、205构成了平行伪交指结构；其中第一谐振器208和第四谐振器205构成了第一组耦合电路，第二谐振器207和第三谐振器206构成了第二组耦合电路。在电路结构实现上，第二组耦合电路内嵌入第一组耦合电路中，从而为交叉耦合和源负载耦合提供了路径，形成混合耦合，进而使该发射频率选择器2在发射频段通带右侧产生两个传输零点，从而提高了发射频段选择性。

此外，谐振器203、204形成了L形四分之一波长谐振器，并在接收频段生成两个频率零点，其中第六谐振器203的设计谐振频点为接收频段的频率下限，第五谐振器204的设计谐振频点为接收频段的频率上限，从而可提高接收频段的噪声抑制性能。L形四分之一波长谐振器203与发射频率选择器2的输出端202采用T字形连接方式相接，所述的L形四分之一波长谐振器204与发射频率选择器2的输入端201采用T字形连接方式相接，四分之一波长谐振器采用90度直角折叠结构实现；所述的L形四分之一波长谐振器203、204，其开路端外导体与发射频率选择器2在无释放孔的位置相连接以提高结构的稳固性。

发射频率选择器2中第一组耦合电路的短路端所处的电路位置对应第二组耦合电路的开路端，同样第二组耦合电路的短路端所处的电路位置对应第一组耦合电路的开路端，所述的谐振器短路端与外部屏蔽结构211采用多层微同轴工艺一体化加工成形；所述的第二组耦合电路的开路端设计有开路端耦合腔210，同时在短路端设计有短路枝节209，通过调节短路枝节209的长度L_h3和开路端耦合腔210的长度L_h4实现对平行伪交指电路中谐振器间的耦合系数调节。

对于双工器的对外接口电路，本实用新型还提出了一种空气共面波导金属准同轴接口电路，该电路包括中心信号导体302、外围金属地导体303与空气腔305。具体实现如图7所示，其中的中心信号导体302位于微同轴结构的第三层，其上表面与外围金属地导体的上表面处于同一水平面，为改善接口处的微波性能表现，本实用新型所提及的接口电路的信号导体与地导体之间无绝缘介质填充，且中心信号导体与外围金属地之间的间距为130um。

对于本实用新型所提出的基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器采用微同轴技术实现，本实用新型还提出了一种实现各谐振器耦合系数精密调节的方法，具体为：首先在接收频率选择器1与和发射频率选择器2的上表面形成调节窗口6，该窗口将接收、发射频率选择器中的短路枝节107、209以及开路端耦合腔108、210暴露在外；对于接收频率选择器，通过调节短路枝节107的长度L_h1可以实现对谐振器104与105间的耦合系数的精密调节；通过调节耦合腔108的长度L_h2可以实现对谐振器103与104、105与106间的耦合系数的精密调节；对于发射频率选择器，通过调节短路枝节209的长度L_h3可以实现对谐振器206与207间的耦合系数的精密调节；通过调节耦合腔210的长度L_h4可以实现对谐振器205与206、207与208间的耦合系数的精密调节。

其实现原理如下：双工器性能主要受平行伪交指电路中谐振器间的耦合系数影响，耦合系数取决于耦合电路的特征频率fc和各谐振器本身的本征频率fi，具体由下式确定：

其中Kc为耦合系数，f_c1和f_c2为频率选择器中第一和第二组耦合电路的特征频率，f_i1为所述的第一组耦合电路中第一和第四谐振器的谐振频率，f_i2为所述的第二组耦合电路中第二和第三谐振器的谐振频率。

所述的特征频率取决于各谐振器之间的耦合电容，参考图8给出了本实用新型所提出的基于矩形微同轴平行伪交指谐振器中各谐振器的耦合电容电路模型，其中C_pc1～C_pc3为各谐振器间的等效耦合电容，C_hc3、C_hc4为谐振器的边缘耦合电容。通过调节短路枝节107和209的长度L_h1和L_h3可以实现对C_pc1～C_pc3各谐振器间的等效耦合电容的调整，通过调节耦合腔108和210的长度L_h2和L_h4可以实现对C_hc3、C_hc4谐振器边缘耦合电容的调节，从而达到对双工器性能精密调节的目的，所述的调节方法可通过激光增减材或MEMS微机械加工工艺实现。

本实用新型所提出的基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，其内部的各谐振器尺寸取决于各谐振器本身的本征频率，参阅图5，为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的剖面俯视图的尺寸标注图。以工作在接收17-21GHz和发射27-31GHz频段的双工器实施为例，其中接收频率选择器1的输入输出端口101微同轴线长度的L_p2＝1500um,输入输出端口102微同轴线长度的L_c1＝1025um,谐振器103、104、105、106的长度分别为L_r1＝3960um,L_r2＝4050um,L_r3＝4020um,L_r4＝3930um。谐振器103、104、105、106的中心间隔分别为S₁₂＝260um,S₂₃＝250um,S₃₄＝260um。发射频率选择器2的输入输出端口201微同轴线长度的L_p3＝1500um,输入输出端口202微同轴线长度的L_c4＝1480um,谐振器205、206、207、208的长度分别为L_r5＝2820um,L_r6＝2600um,L_r7＝2620um,L_r8＝2650um。谐振器205、206、207、208的中心间隔分别为S₅₆＝300um,S₆₇＝290um,S₇₈＝300um。四分之一波长谐振器204、203的长度分别为L_r9＝4540um,L_r10＝3630um。所述合路结构3的公共端口301长度为L_p1＝990um，连接接收频率选择器1与合路结构3同轴线的长度为L_c2＝2010um,连接接收频率选择器2与合路结构3同轴线的长度为L_c4＝2190um。

所述的基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器利用了5层矩形微同轴线技术，如图6所示，该矩形微同轴线的信号导体位于第三层，其截面尺寸为140um×100um，其外导体尺寸为300um×300um，金属壁厚度为100um。

所述的基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器结构上设计了周期排布的释放孔4，用于加工过程最终阶段洗出同轴腔内的光刻胶。所述释放孔4的尺寸为250um×200um×200um。

所述的基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器在第四层设计了周期排布的Su8介质支撑结构5(介电常数为2.85，损耗角正切为0.045)，用于实现对第三层信号导体的支撑，其厚度为20um，截面尺寸为100um×20um。

参阅图9，为本实用新型实施例提供的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器的仿真结果。其中f₁为接收频带，f₂为发射频段，由仿真结果，接收频段内的回波损耗小于19dB，带内插入损耗小于1.8dB，接收频段对发射频段的抑制大于76dB，发射频段内的回波损耗小于16dB，带内插入损耗小于1.9dB，接收频段对发射频段的抑制大于67dB。

以上为对本实用新型所提供的一种双工器及其实现方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，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

1.一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，包括接收频率选择器(1)、发射频率选择器(2)和合路结构(3)，所述接收频率选择器和发射频率选择器(2)分别连接在合路结构(3)的两个支路端口；其特征在于，

所述接收频率选择器(1)和发射频率选择器均为基于矩形金属微同轴的平行伪交指电路结构，所述平行伪交指电路结构包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器；所述第一谐振器与第四谐振器平行排布构成第一组耦合电路，所述的第二谐振器与第三谐振器平行排布构成第二组耦合电路；所述第二组耦合电路位于第一谐振器和第四谐振器之间，并且平行于第一谐振器；所述第二组耦合电路的一端设有开路端耦合腔，另一端通过短路枝节与矩形微同轴的外导体连接；

所述发射频率选择器(2)还包括第五谐振器和第六谐振器；所述第五谐振器和第六谐振器分别连接在发射频率选择器的输入枝节和输出枝节，且两者均平行于发射频率选择器的第一谐振器；所述第五谐振器和第六谐振器均为L型结构，两者的末端弯折，弯折长度为四分之一的波长；

所述合路结构(3)为T型金属的微同轴结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，其特征在于，所述合路结构的两支路端口分别通过对应的Z型微同轴与接收频率选择器(1)和发射频率选择器连接；所述Z型微同轴的折角为90度，且折角处为圆弧角。

3.根据权利要求1所述的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，其特征在于，所述合路结构(3)的合路端、接收频率选择器的输入端和发射频率选择器的输出端均为空气共面波导金属准同轴接口电路；所述空气共面波导金属准同轴接口电路包括中心信号导体(302)和外围金属地导体(303)，且外围金属地导体(303)包括全包裹段和半包裹段，其中全包裹段与内部微同轴连接；中心信号导体(302)通过支撑结构固定于外围金属地导体的中心，且中心信号导体(302)的上表面与外围金属地导体半包裹段的上表面处于同一平面。

4.根据权利要求3所述的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，其特征在于，所述的空气共面波导金属准同轴接口电路与内部微同轴之间通过用于实现阻抗变换的渐变过度结构(7)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于矩形微同轴平行伪交指谐振器技术的双工器，其特征在于，所述短路枝节和开路端耦合腔正对的微同轴顶部设有用于调节耦合系数的调节窗口。