一種寬帶定向耦合器的制作方法

本發明涉及測試儀器領域，尤其涉及一種寬帶定向耦合器。

背景技術：

定向耦合器廣泛應用于微波儀器及設備中，如微波矢量網絡分析儀中的方向性設備，在微波信號發生器中用于在輸出端檢測輸出功率的大小以完成自動功率調整，在各類通信系統的收發信機里面用于信號功率的檢測。其中，寬帶定向耦合器常常用于微波測試儀器中，此時對定向耦合器的指標要求往往較高。定向耦合器的主要指標有、工作頻段、插入損耗、耦合度、方向性、隔離度等。在定向耦合器的實際設計中，一般都是根據其應用場景給定耦合度及工作帶寬，在此基礎上優化設計其他參數，一般要求插入損耗要小，方向性要高，隔離度要大。定向耦合器從器件類型上大體可以分為基于波導器件的及基于微帶器件的兩大類，其中基于微帶器件的定向耦合器一般采用平行耦合線進行設計。

現有的基于微帶線的寬帶定向耦合器設計方法有：1)基于交叉耦合線的設計，此種設計方法將耦合線放置到多層電介質中；2)基于平行耦合線的設計，此種設計方法將全部微帶電路在一層電路板上實現；3)采用多個耦合器進行交叉級聯方法。以上幾種方式中，不同段耦合線之間需要較為明顯的過渡段，這些過渡段的存在導致理論計算及分析結果與實際系統存在不符，進而引起耦合度在所設計頻段內波動變大，方向性實際制作結果偏離理論計算等問題。

專利CN202759011U設計了一種三節空氣帶狀線電橋，如圖1所示，通過將一對耦合板的中間段相向突出并相互重合形成強耦合區，實現了不需要太高的耦合精度即可實現強耦合，在耦合板的邊緣設置缺口或者突起，使電橋腔體內的電磁場不再均勻分布，增強了電橋的隔離。此方法在一定程度上改善了系統耦合度及方向性等指標，但是由于僅僅采用空氣作為電介質，使強耦合與弱耦合節之間的設計參數差異較大，而且隨著節數的增加，這種差異導致實現的難度越來越大。

與專利CN103367855A中，設置不同節的耦合線到參考地的距離不等，這種方式可以使不同節的耦合線的間隔不變，但不同節的耦合線本身的寬度不同，依然會導致耦合度波動及方向性不高，使耦合器的耦合精度降低。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種寬帶定向耦合器。

一種寬帶定向耦合器，由依次連接的多個耦合段組成，其中耦合段包括共面設置的兩條耦合帶線以及位于耦合帶線上方的上部電介質、位于耦合帶線下方的下部電介質；

同一耦合段中兩節耦合帶線相互平行設置，且尺寸相同；

同一耦合段中，上部電介質與下部電介質的大小、材質相同；

不同耦合段中的耦合帶線分別首末相連，且在同一平面上；

相鄰兩個耦合段中，耦合帶線寬度差與任一條耦合帶線的寬度的比值不大于3％；耦合帶線的間距差與任意一組耦合帶線的間距的比值不大于3％。

進一步的，定向耦合器由N個耦合段組成，N為大于1的奇數，其中N個耦合段中的耦合帶線依次共面連接，且以最中間的耦合段為對稱中心，相互對稱的兩個耦合段的尺寸及材質相同。

進一步的，定向耦合器包括三個耦合段，耦合段分別為第一耦合段、第二耦合段、第三耦合段，其中：

第一耦合段包括第一組耦合帶線以及第一上部電介質、第一下部電介質；第二耦合段包括第二組耦合帶線以及第二上部電介質、第二下部電介質；第三耦合段包括第三組耦合帶線以及第三上部電介質、第三下部電介質；

第一組耦合帶線、第二組耦合帶線、第三組耦合帶線依次共面連接，成為兩條等間距的長節耦合線；第一上部電介質、第二上部電介質、第三上部電介質分別位于第一組耦合帶線、第二組耦合帶線、第三組耦合帶線的上方；第一下部電介質、第二下部電介質、第三下部電介質分別位于第一組耦合帶線、第二組耦合帶線、第三組耦合帶線的下方；

第一耦合段與第三耦合段的大小以及材質相同，第一耦合段與第二耦合段的大小以及材質不同。

進一步的，第一耦合段與第二耦合段中，第一上部電介質的厚度小于第二上部電介質的厚度。

進一步的，耦合段中耦合帶線的電長度為中心工作頻率的四分之一波長。

進一步的，耦合段中的上部電介質的上表面、下部電介質的下表面均覆銅，且相鄰兩個耦合段之間由于電介質高度不同引起的側面覆銅。

本發明的一種寬帶定向耦合器，具有以下有益效果：

本發明在設置不同節耦合段的上部電介質與下部電介質厚度之和不等的同時，在不同節耦合段采用不同介電常數的電介質，保證了不同節的耦合帶線間隔近似相同，不同節的耦合帶線自身的寬度也近似相同。通過這種設計方法使定向耦合器各個耦合段之間耦合帶線的連續性更佳，有效地減小了耦合器的耦合度的波動范圍，使耦合器的信號傳輸效果更好，精度更高。

附圖說明

為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見的，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。

圖1為現有技術中一種空氣帶狀線電橋結構示意圖；

圖2為本發明的一種寬帶定向耦合器的第一個實施例結構圖；

圖3為本發明的一種寬帶定向電橋的耦合段結構圖；

圖4為本發明的一種寬帶定向電橋的耦合段尺寸標注圖；

圖5為本發明的一種寬帶定向耦合器的第二個實施例結構圖；

圖6為本發明的一種寬帶定向耦合器的第二個實施例仿真圖；

圖7為本發明的一種寬帶定向耦合器的第三個實施例結構圖；

圖8為本發明的一種寬帶定向耦合器的第三個實施例仿真圖；

圖中：1-耦合段、11-第一耦合段、12-第二耦合段、13-第三耦合段、14-第四耦合段、15-第五耦合段、2-耦合帶線、21-第一組耦合帶線、22-第二組耦合帶線、23-第三組耦合帶線、24-第四組耦合帶線、25-第五組耦合帶線、3-上部電介質、31-第一上部電介質、32-第二上部電介質、33-第三上部電介質、34-第四上部電介質、35-第五上部電介質、4-下部電介質、41-第一下部電介質、42-第二下部電介質、43-第三下部電介質、44-第四下部電介質、45-第五下部電介質。

具體實施方式

下面將結合本發明中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通的技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明的保護范圍。

如圖2所示，為本發明第一個實施例的一種寬帶定向耦合器，由依次連接的多個耦合段1組成，如圖3所示，每個耦合段1包括共面設置的兩條耦合帶線2以及位于耦合帶線2上方的上部電介質3、位于耦合帶線2下方的下部電介質4。兩條耦合帶線2相互平行放置，其寬度與長度均相等，耦合帶線2的電長度為中心工作頻率的四分之一；上部電介質3與下部電介質4的大小以及材質均相同。

多個耦合段1依次連接組成的定向耦合器中，不同耦合段1中的耦合帶線2分別首末相連，且在同一平面上；相鄰兩個耦合段1中，耦合帶線2寬度差與任一條耦合帶線2的寬度的比值不大于3％，耦合帶線2的間距差與任意一組耦合帶線2的間距的比值不大于3％，即相鄰兩個耦合段1中的耦合帶線2寬度近似相等，耦合帶線2之間的間距也近似相等。相鄰兩個耦合段1中，耦合帶線2的寬度以及耦合帶線2的間距越接近，則耦合段1之間的過渡段越小，定向耦合器的耦合度與方向性的波動也會越小，可以明顯降低耦合段1之間的不連續性帶來的突變響應。

如圖4所示，由于耦合帶線2的厚度是微米級別，為了便于描述圖中耦合帶線2在耦合段1中的位置關系，特將耦合帶線2突出顯示。以一個耦合段1為例分析其參數關系。設定耦合帶線2的長度為L,寬度為W,兩條耦合帶線2之間的距離為S，上部電介質3與下部電介質4的厚度之和為B,介電常數為ε_r，設定耦合段1的耦合度參數為C,則偶模阻抗值Z_e和奇模阻抗值Z_o分別為：

其中，Z₀為系統阻抗。

耦合段1中的各組成部分的參數符合以下關系：

由于單節耦合段1的工作頻段很窄，當需要的工作頻率較寬時，采用多節耦合段1級聯的方式實現。

具體的，定向耦合器由N個耦合段1組成，N為大于1的奇數，其中N個耦合段1中的耦合帶線2依次共面連接，且以最中間的耦合段1為對稱中心，相互對稱的兩個耦合段1的尺寸及材質相同。

設定定向耦合器的綜合耦合系數為C，則

其中C₁，C₂，...，C_(N+1)/2分別是第一個耦合段1至定向耦合器中位于最中間耦合段1的耦合度，θ為對應工作頻率的相位角，考慮最平坦響應時候，令

其中，n＝1，2，…，(N+1)/2。即可根據上述公式得出C_n的值，進而計算出每節耦合段1的偶模阻抗值Z_en和奇模阻抗值Z_on。

在給定參數B及ε_r的情況下，計算出參數W與S。

具體的參數確定方式如下：

(1)首先利用公式

計算出N節(N為奇數)耦合段1的耦合度參數，C₁，C₂，...C_N。

(2)給定耦合段1的待選介電常數值ε_r∈{1.2,1.5,2.2,3.0,3.6,3.8,4.0,4.5,4.8,6.15,9.6,10.2}，并給定耦合段1可行的高度范圍離散值B∈{0.1,0.2，…，5}；

(3)利用公式

在給定介電常數ε_ri及給定耦合段1的厚度B_i的情況下，分別計算出每一節耦合段1對應的參數，W₁(ε_r,B),W₂(ε_r,B),…，W_(N+1)/2(ε_r,B)以及S₁(ε_r,B)，S₂(ε_r,B)，…，S_(N+1)/2(ε_r,B)。其中，W_i表示第i節耦合段1的耦合帶線寬度，S_i表示第i節耦合段1中耦合帶線之間的距離，B_i表示第i節耦合段1中上部電介質3與下部電介質4的厚度之和，其中k_ei,k_oi分別為：

偶模阻抗值Z_ei和奇模阻抗值Z_oi分別為：

(4)給定最中間位置的耦合段1的介電常數厚度利用步驟(3)中的公式，計算出及

(5)對于其他耦合段1，給定一特定值Δ∈{0.1，0.2，…，0.5}，從最小值0.1mm開始，在矩陣W_i(ε_r,B)及S_i(ε_r,B),i＝1，2，…，(N+1)/2，中尋找ε_r及B滿足

(6)由步驟(4)得到每一節的介電常數，ε_r1，ε_r2，ε_r3，…，ε_rN，及每一耦合段1的厚度B₁,B₂，B₃，…，B_N(其中，利用對稱性得到ε_r1＝ε_rN,ε_r2＝ε_r(N-1),…；B₁＝B_N,B₂＝B_(N-1)，…然后，利用步驟(3)中的公式計算出每一節耦合段中耦合帶線2的寬度W₁,W₂，…W_N，及每一節耦合段1中耦合帶線2的間距S₁,S₁,…,S_N。

如圖5所示，為發明的第二個實施例的一種寬帶定向耦合器，本實施例是在上述實施例的基礎上，取N＝3的情況。定向耦合器包括三個耦合段1，耦合段1分別為第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13，其中第一耦合段11包括第一組耦合帶線21以及第一上部電介質31、第一下部電介質41；第二耦合段12包括第二組耦合帶線22以及第二上部電介質32、第二下部電介質42；第三耦合段13包括第三組耦合帶線23以及第三上部電介質33、第三下部電介質43；第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23依次共面連接，成為兩條等間距的長節耦合線；第一上部電介質31、第二上部電介質32、第三上部電介質33分別位于第一組耦合帶線12、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23的上方；第一下部電介質41、第二下部電介質42、第三下部電介質43分別位于第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23的下方；第一耦合段11與第三耦合段13的大小以及材質相同，第一耦合段11與第二耦合段12的大小以及材質不同。

根據上述參數確定的方法，設計一款耦合度為20dB、帶寬為2GHz-4GHz的定向耦合器，通過計算得出第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13的耦合度分別為：C₁＝C₃＝0.0125，即約為38dB；C₂＝0.125,即約為18dB。

本實施例的定向耦合器的參數分別為：

第一耦合段11與第三耦合段13的參數為：W₁＝W₃＝0.49mm，S₁＝S₃＝1.43mm，L₁＝L₃＝17.1mm，B₁＝B₃＝1.3mm，ε_r1＝ε_r3＝4.8；

第二耦合段12的參數為：W₂＝0.47mm，S₂＝1.50mm，L₂＝12.1mm，B₂＝3.2mm,ε_r2＝9.6。圖6為該組參數與傳統方法下進行仿真實驗得到的對比圖，其中虛線為傳統方法下的仿真曲線，實線為本組參數下的仿真曲線，可明顯看出，本組參數下的定向耦合器的不連續性明顯降低，耦合度波動范圍變小。

從以上參數可以看出，第一耦合段11與第二耦合段12中，第一上部電介質31的厚度小于第二上部電介質32的厚度。

具體的，如圖7所示，為本發明的第三個實施例，是在第一個實施例的基礎上，使N＝5的情況。定向耦合器包括五個耦合段1，耦合段1分別為第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13、第四耦合段14、第五耦合段15，其中第一耦合段11包括第一組耦合帶線21以及第一上部電介質31、第一下部電介質41；第二耦合段12包括第二組耦合帶線22以及第二上部電介質32、第二下部電介質42；第三耦合段13包括第三組耦合帶線23以及第三上部電介質33、第三下部電介質43；第四耦合段14包括第四組耦合帶線24以及第四上部電介質34、第四下部電介質44；第五耦合段15包括第五組耦合帶線25以及第五上部電介質35、第五下部電介質45。第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23、第四組耦合帶線24以及第五組耦合帶線25依次共面連接，成為兩條等間距的長節耦合線；第一上部電介質31、第二上部電介質32、第三上部電介質33、第四上部電介質34、第五上部電介質35分別位于第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23、第四組耦合帶線24、第五組耦合帶線25的上方；第一下部電介質41、第二下部電介質42、第三下部電介質42、第四下部電介質44、第五下部電介質45分別位于第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23、第四組耦合帶線24、第五組耦合帶線25的下方；第一耦合段11與第五耦合段15的大小以及材質相同，第二耦合段12與第四耦合段14的大小以及材質相同，第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13的大小以及材質不同。本實施例的定向耦合器其參數的確定方法與第二個實施例的確定方法原理相同，此處不做贅述。

根據上述參數確定的方法，設計一款耦合度為16dB、帶寬為2GHz-6GHz的定向耦合器，通過計算得出第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13、第四耦合段14、第五耦合段15的耦合度分別為：C₁＝C₅＝0.0039；C₂＝C₄＝0.0365；C₃＝0.4472。

其中：第一耦合段11與第五耦合段15的參數為：W₁＝W₅＝0.50mm，S₁＝S₅＝0.5mm，L₁＝L₅＝17.1mm，B₁＝B₅＝0.4mm，ε_r1＝ε_r5＝1.2；

第二耦合段12與第四耦合段14的參數為：W₂＝W₄＝0.51mm，S₂＝S₄＝0.51mm，L₂＝L₄＝10.8mm，B₂＝B₄＝0.8mm，ε_r2＝ε_r4＝3；

第三耦合段13的參數為：W₃＝0.50mm，S₃＝0.51mm，L₃＝5.87mm，B₃＝5.2mm,ε_r3＝10.2。圖8為該組參數與傳統方法下進行仿真實驗得到的對比圖，其中虛線為傳統方法下的仿真曲線，實線為本組參數下的仿真曲線，可明顯看出，本組參數下的定向耦合器的方向性明顯優于傳統方式的定向耦合器的方向性。

具體的，耦合段1中的上部電介質3的上表面、下部電介質4的下表面均覆銅，多個耦合段1組成的定向耦合器中，相鄰兩個耦合段1之間由于電介質高度不同引起的側面也覆銅。

整個寬帶定向耦合器，設計不同節耦合段的上部電介質與下部電介質厚度之和不等的同時，在不同節耦合段采用不同介電常數的電介質，保證了不同節的耦合帶線間隔近似相同，不同節的耦合帶線自身的寬度也近似相同。通過這種設計方法使定向耦合器各個耦合段之間耦合帶線的連續性更佳，有效地減小了耦合器的耦合度的波動范圍，使耦合器的信號傳輸效果更好，精度更高。

以上借助具體實施例對本發明做了進一步描述，但是應該理解的是，這里具體的描述，不應理解為對本發明的實質和范圍的限定，本領域內的普通技術人員在閱讀本說明書后對上述實施例做出的各種修改，都屬于本發明所保護的范圍。