基片集成波导斜排缝定向耦合器转让专利
申请号 : CN200910184940.X
文献号 : CN101702460A
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 华光 , 洪伟 , 陈德挺
申请人 : 东南大学
摘要 :
一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：第一基片集成波导和第二基片集成波导，并且，第一基片集成波导和第二基片集成波导上下正交叠放，在位于上方的第一基片集成波导的下宽壁上设有第一倾斜耦合缝，在位于下方的第二基片集成波导的上宽壁上设有第二倾斜耦合缝，所述第一倾斜耦合缝与第二倾斜耦合缝完全重叠。耦合区的斜缝等效为电阻和电抗并联的电路，当斜缝发生谐振时(即耦合得到的能量最大)，耦合区的斜缝等效为一个纯电阻。从输入端口输入的能量，经过耦合区分流到直通端、耦合端和隔离端。根据耦合度和隔离度的不同要求，调整缝长和倾斜角度，使斜缝发生谐振便可得到满意的端口驻波。
权利要求 :
1.一种基片集成波导斜排缝耦合器，其特征在于，包括：第一基片集成波导(1)和第二基片集成波导(2)，并且，第一基片集成波导(1)和第二基片集成波导(2)上下正交叠放，在位于上方的第一基片集成波导(1)的下宽壁上设有第一倾斜耦合缝(3)，在位于下方的第二基片集成波导(2)的上宽壁上设有第二倾斜耦合缝(4)，所述第一倾斜耦合缝(3)与第二倾斜耦合缝(4)完全重叠。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导斜排缝耦合器，其特征在于，在位于上方的第一基片集成波导(1)的下宽壁上设有至少1排第一倾斜耦合缝(3)，每排第一倾斜耦合缝(3)至少有3条且每排第一倾斜耦合缝相互平行，在位于下方的第二基片集成波导(2)的上宽壁上设有至少1排第二倾斜耦合缝(4)，每排第二倾斜耦合缝(4)至少有3条且每排第二倾斜耦合缝相互平行。
3.根据权利要求2所述的基片集成波导斜排缝耦合器，其特征在于，每条第一、第二倾斜耦合缝的长度、宽度和倾斜角相等，相邻的第一倾斜耦合缝之间的间距相等，相邻的第二倾斜耦合缝之间的间距相等，并且，相邻的第一倾斜耦合缝之间的间距与相邻的第二倾斜耦合缝之间的间距相等。
4.根据权利要求1所述的基片集成波导斜排缝耦合器，其特征在于，以耦合区的中心点为坐标原点，以第一基片集成波导(1)的下宽壁的纵轴线为x轴，以第二基片集成波导(2)的上宽壁的纵轴线为y轴，建立直角坐标系，在介质介电常数为2.2，基片集成波导的高度为0.5mm时，耦合区在每排三条斜缝且谐振时，耦合度C(dB)随倾斜角θ的变化满足：C＝-8.12+9.11θ-1.94θ2-1.73θ3 0＜θ≤π/4
说明书 :
技术领域
本发明涉及基片集成波导斜排缝定向耦合器，应用于微波毫米波混合电路和微波毫米波集成电路，属微波、毫米波技术。
背景技术
在微波系统中定向耦合器是一种用途较广的微波器件，它可用于调制解调器、功率放大器、平衡混频器、系统功率检测等各种用途。波导定向耦合器的结构形式有很多种，就其耦合结构的形式而论，有孔、槽、缝隙之别。矩形波导分支耦合器作为一种比较经典的形式，在雷达系统中得到了大量地应用，其主要优点是功率容量大、适合于在高功率发射机中使用，它的主要缺点是体积庞大。自从微带线和带状线问世以来，人们提出了这类传输线组成的分支定向耦合器，具有体积小，重量轻的优点，使得它们在集成电路和微波混合集成电路的低功率系统中获得了广泛的应用。然而，在高频率工作时，由于微带线的损耗和不连续性等因素大大影响了微带形式耦合器的性能，且其抗干扰性也较差，因此有必要寻找一种具有强抗干扰性、低损耗、体积小、重量轻的微波毫米波定向耦合器。
发明内容
本发明提供一种工作频带宽、强耦合、高隔离度的基片集成波导斜排缝耦合器，本发明减小了传统波导斜排缝耦合器的体积，提高了工作带宽。
本发明采用如下技术方案：
一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：第一基片集成波导和第二基片集成波导，并且，第一基片集成波导和第二基片集成波导上下正交叠放，在位于上方的第一基片集成波导的下宽壁上设有第一倾斜耦合缝，在位于下方的第二基片集成波导的上宽壁上设有第二倾斜耦合缝，所述第一倾斜耦合缝与第二倾斜耦合缝完全重叠。
基片集成波导斜排缝耦合器由两块上下正交叠放基片集成波导构成。耦合区的每排斜缝沿x轴方向的间距相等，离开耦合区中心点的距离相等，每条斜缝的长度、宽度和倾斜角都相等。不同hslot、w、px、py、θ的值对应着不同耦合度。良好的高频板材及成熟的PCB加工工艺可以保证制造的精度和可靠性。
与现有技术相比，基片集成波导斜排缝耦合器具有以下优点：
1)具有类似于矩形波导宽边定向耦合器的优点，诸如，损耗低，无泄漏波对电路系统产生干扰，具有良好的电性能。
2)由于可用与微波、毫米波集成电路基片相同的材料，因此便于我们集成到微波、毫米波集成电路当中。
3)由于基片集成波导具有很大的宽高比，因此这种斜排缝定向耦合器比传统的矩形波导斜排缝定向耦合器具有更宽的工作频带。
本发明采用如下技术方案：
一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：第一基片集成波导和第二基片集成波导，并且，第一基片集成波导和第二基片集成波导上下正交叠放，在位于上方的第一基片集成波导的下宽壁上设有第一倾斜耦合缝，在位于下方的第二基片集成波导的上宽壁上设有第二倾斜耦合缝，所述第一倾斜耦合缝与第二倾斜耦合缝完全重叠。
基片集成波导斜排缝耦合器由两块上下正交叠放基片集成波导构成。耦合区的每排斜缝沿x轴方向的间距相等，离开耦合区中心点的距离相等，每条斜缝的长度、宽度和倾斜角都相等。不同hslot、w、px、py、θ的值对应着不同耦合度。良好的高频板材及成熟的PCB加工工艺可以保证制造的精度和可靠性。
与现有技术相比，基片集成波导斜排缝耦合器具有以下优点：
1)具有类似于矩形波导宽边定向耦合器的优点，诸如，损耗低，无泄漏波对电路系统产生干扰，具有良好的电性能。
2)由于可用与微波、毫米波集成电路基片相同的材料，因此便于我们集成到微波、毫米波集成电路当中。
3)由于基片集成波导具有很大的宽高比，因此这种斜排缝定向耦合器比传统的矩形波导斜排缝定向耦合器具有更宽的工作频带。
附图说明
图1是本发明的结构主视图，以耦合区的中心点为坐标原点，以第一基片集成波导1的下宽壁的纵轴线为x轴，方向如图1所示，以第二基片集成波导2的上宽壁的纵轴线为y轴，方向如图1所示，建立直角坐标系。其中，a为基片集成波导两排金属通孔的圆心距离，hslot为斜缝的长度，w为斜缝的宽度，px为相邻斜缝在x轴方向上的间距，py为缝的中心距离x轴的垂直长度，θ为斜缝与y轴所成的角度。
图2第一基片集成波导1的背视图。
图3第二基片集成波导2的主视图。
图4是本发明各端口的回波损耗。
图5是本发明直通、耦合和隔离端的s参数。
图2第一基片集成波导1的背视图。
图3第二基片集成波导2的主视图。
图4是本发明各端口的回波损耗。
图5是本发明直通、耦合和隔离端的s参数。
具体实施方式
实施例1
一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：第一基片集成波导1和第二基片集成波导2，并且，第一基片集成波导1和第二基片集成波导2上下正交叠放，在位于上方的第一基片集成波导1的下宽壁上设有第一倾斜耦合缝3，在位于下方的第二基片集成波导2的上宽壁上设有第二倾斜耦合缝4，所述第一倾斜耦合缝3与第二倾斜耦合缝4完全重叠。在本实施例中：
在位于上方的第一基片集成波导1的下宽壁上设有至少1排第一倾斜耦合缝3，每排第一倾斜耦合缝3至少有3条且每排第一倾斜耦合缝相互平行，在位于下方的第二基片集成波导2的上宽壁上设有至少1排第二倾斜耦合缝4，每排第二倾斜耦合缝4至少有3条且每排第二倾斜耦合缝相互平行；
每条第一、第二倾斜耦合缝的长度、宽度和倾斜角相等，相邻的第一倾斜耦合缝之间的间距相等，相邻的第二倾斜耦合缝之间的间距相等，并且，相邻的第一倾斜耦合缝之间的间距与相邻的第二倾斜耦合缝之间的间距相等。
参照图1，一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：两块上下正交叠放的基片集成波导，在两块基片集成波导正交的公共宽壁表面刻蚀着两排(每排三条或更多条斜缝)倾斜缝隙，构成基片集成波导耦合器的耦合区。耦合区的每排斜缝沿x轴方向的间距相等，离开耦合区中心点的距离相等，每条斜缝的长度、宽度和倾斜角都相等。不同hslot、w、px、py、θ的值对应着不同耦合度。
本实施例进一步采取以下技术措施：
以耦合区的中心点为坐标原点，以第一基片集成波导1的下宽壁的纵轴线为x轴，以第二基片集成波导2的上宽壁的纵轴线为y轴，建立直角坐标系(参见图1)，在介质介电常数为2.2，基片集成波导的高度为0.5mm时，所述耦合区每排三条斜缝且谐振(斜缝长度hslot约为四分之一波导波长λg)时，耦合度C(dB)随倾斜角θ的变化满足：
C＝-8.12+9.11θ-1.94θ2-1.73θ3 0＜θ≤π/4
实施实例2
我们在15GHz上实现了以上介绍的基片集成波导斜排缝耦合器。介质介电常数为2.2，基片集成波导的高度为0.5mm.
具体设计参数见下表
本发明实现了3dB基片集成波导斜排缝耦合器，其仿真测试结果如下：
参照图2，在14GHz到16GHz频带内，各端口回波损耗都在-24dB以下。
参照图3，在14GHz到16GHz频带内，耦合度S41在3.8dB-2.8dB内变动，在中心频点15GHz时，耦合度S41为3dB；隔离度S31在-25dB以下。
基片集成波导斜排缝耦合器的工作原理及工作过程：
耦合区的斜缝等效为电阻和电抗并联的电路，当斜缝发生谐振时(即耦合得到的能量最大)，耦合区的斜缝等效为一个纯电阻。在斜缝宽度远小于波导波长λg的情况下，不同缝长的斜缝的谐振角度不同。从输入端口Port1输入的能量，经过耦合区分流到直通端Port2、耦合端Port4和隔离端Port3。根据耦合度和隔离度的不同要求，调整缝长和倾斜角度，使斜缝发生谐振便可到满意的端口驻波。
本发明利用基片集成波导缩小了耦合区的体积，提高了集成度，扩展了耦合器的工作频带。
一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：第一基片集成波导1和第二基片集成波导2，并且，第一基片集成波导1和第二基片集成波导2上下正交叠放，在位于上方的第一基片集成波导1的下宽壁上设有第一倾斜耦合缝3，在位于下方的第二基片集成波导2的上宽壁上设有第二倾斜耦合缝4，所述第一倾斜耦合缝3与第二倾斜耦合缝4完全重叠。在本实施例中：
在位于上方的第一基片集成波导1的下宽壁上设有至少1排第一倾斜耦合缝3，每排第一倾斜耦合缝3至少有3条且每排第一倾斜耦合缝相互平行，在位于下方的第二基片集成波导2的上宽壁上设有至少1排第二倾斜耦合缝4，每排第二倾斜耦合缝4至少有3条且每排第二倾斜耦合缝相互平行；
每条第一、第二倾斜耦合缝的长度、宽度和倾斜角相等，相邻的第一倾斜耦合缝之间的间距相等，相邻的第二倾斜耦合缝之间的间距相等，并且，相邻的第一倾斜耦合缝之间的间距与相邻的第二倾斜耦合缝之间的间距相等。
参照图1，一种基片集成波导斜排缝耦合器，包括：两块上下正交叠放的基片集成波导，在两块基片集成波导正交的公共宽壁表面刻蚀着两排(每排三条或更多条斜缝)倾斜缝隙，构成基片集成波导耦合器的耦合区。耦合区的每排斜缝沿x轴方向的间距相等，离开耦合区中心点的距离相等，每条斜缝的长度、宽度和倾斜角都相等。不同hslot、w、px、py、θ的值对应着不同耦合度。
本实施例进一步采取以下技术措施：
以耦合区的中心点为坐标原点，以第一基片集成波导1的下宽壁的纵轴线为x轴，以第二基片集成波导2的上宽壁的纵轴线为y轴，建立直角坐标系(参见图1)，在介质介电常数为2.2，基片集成波导的高度为0.5mm时，所述耦合区每排三条斜缝且谐振(斜缝长度hslot约为四分之一波导波长λg)时，耦合度C(dB)随倾斜角θ的变化满足：
C＝-8.12+9.11θ-1.94θ2-1.73θ3 0＜θ≤π/4
实施实例2
我们在15GHz上实现了以上介绍的基片集成波导斜排缝耦合器。介质介电常数为2.2，基片集成波导的高度为0.5mm.
具体设计参数见下表
本发明实现了3dB基片集成波导斜排缝耦合器，其仿真测试结果如下：
参照图2，在14GHz到16GHz频带内，各端口回波损耗都在-24dB以下。
参照图3，在14GHz到16GHz频带内，耦合度S41在3.8dB-2.8dB内变动，在中心频点15GHz时，耦合度S41为3dB；隔离度S31在-25dB以下。
基片集成波导斜排缝耦合器的工作原理及工作过程：
耦合区的斜缝等效为电阻和电抗并联的电路，当斜缝发生谐振时(即耦合得到的能量最大)，耦合区的斜缝等效为一个纯电阻。在斜缝宽度远小于波导波长λg的情况下，不同缝长的斜缝的谐振角度不同。从输入端口Port1输入的能量，经过耦合区分流到直通端Port2、耦合端Port4和隔离端Port3。根据耦合度和隔离度的不同要求，调整缝长和倾斜角度，使斜缝发生谐振便可到满意的端口驻波。
本发明利用基片集成波导缩小了耦合区的体积，提高了集成度，扩展了耦合器的工作频带。