半模基片集成波導3?dB寬壁小孔耦合器的制作方法

本發明涉及一種半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器，屬于微波技術領域。

背景技術：

隨著現代技術的迅速發展，無線通信技術正在向高速、多頻段、大容量方向發展。耦合器由于很容易實現任意功率同相/正交的功分作用在微波技術領域有著廣泛的應用。耦合器作為核心器件被廣泛運用于無線電收發機和相位陣列天線之中，但是傳統的波導小孔耦合器是立體結構、體積大,、不易于集成，極大地限制了耦合器適用范圍。

基片集成波導技術使得微波器件有了更廣闊的發展。由于基片集成波導技術具有體積小、重量輕、高品質因素、低插入損耗、高集成度、大功率容量等特點，在基片集成波導的基礎上，半模基片集成波導技術在保留基片集成波導的優點的同時進一步縮小了電路面積，更利于小型化電路的設計。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器，結合微帶結構的hmsiw平面耦合器結構，克服了傳統波導耦合器立體結構大，難于集成的特點，在微波集成化、小型化電路中具有重要的應用價值。本發明通過研究平面化雙層小孔耦合器，擴大該平面化雙層小孔耦合器在現代微波毫米波電路集成中的應用。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

本發明提供一種半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器，包括堆疊放置的頂層介質基片和底層介質基片，其中，頂層介質基片的上表面設置有頂層金屬層，頂層介質基片和底層介質基片之間設置有中間層金屬層，底層介質基片的下表面設置有底層金屬層；

堆疊放置的頂層介質基片和底層介質基片上設置有一排金屬化通孔，該排金屬化通孔與頂層金屬層、頂層介質基片、中間層金屬層構成第一半模基片集成波導，該排金屬化通孔與中間層金屬層、底層介質基片、底層金屬層構成第二半模基片集成波導；

頂層介質基片的上表面設置有兩條分別與第一半模基片集成波導上表面金屬層兩端連接的微帶線；底層介質基片的下表面設置有兩條分別與第二半模基片集成波導下表面金屬層兩端連接的微帶線；

中間層金屬層上還開有一排圓孔，該排圓孔與金屬化通孔平行，且相鄰兩個圓孔的圓心之間的間距相等。

作為本發明的進一步技術方案，所述中間層金屬層上的一排圓孔位于半模基片集成波導的中心處。

作為本發明的進一步技術方案，所述中間層金屬層上的一排圓孔數n≥5。

作為本發明的進一步技術方案，所述中間層金屬層上的一排圓孔中，相鄰兩個圓孔的圓心之間間距為四分之一工作波長。

作為本發明的進一步技術方案，每條所述微帶線分別通過一個梯形微帶貼片與半模基片集成波導的金屬層連接。

作為本發明的進一步技術方案，所述四條微帶線中任一作為耦合器的輸入端口，與輸入端口同層的另一條微帶線則作為直通端口，與輸入端口不同層但同側的一條微帶線作為隔離端口，與輸入端口不同層且不同側的一條微帶線作為耦合端口。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明設計結構簡單，3-db耦合工作帶寬大，其雙層結構與傳統立體、多層結構耦合器相比更適合應用于現代微波毫米波電路集成中。同時，采用半模基片集成波導技術，結構十分緊湊，減少了加工難度，降低了加工成本。相對于目前的基片集成波導耦合器，半模基片集成波導窄壁小孔耦合器，均有不同程度上的體積減小。

附圖說明

圖1是雙層半模基片集成波導示意圖。

圖2是本發明半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器的三維結構示意圖。

圖3是本發明半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器的三維剖分圖。

其中，1是頂層金屬層，2是頂層介質基片，3是中間層金屬層，4是底層介質基片，5是底層金屬層。

圖4是本發明半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器的俯視圖。

圖5是本發明耦合器上層介質內部電場分布俯視圖。

圖6是本發明耦合器下層介質內部電場分布俯視圖。

圖7（a）是本發明耦合器的s參數仿真與實測結果對比。

圖7（b）是本發明耦合器的直通端與耦合端相位差仿真與實測結果對比。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

本發明提供一種半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器，如圖2至4所示，包括堆疊放置的頂層介質基片和底層介質基片，其中，頂層介質基片的上表面設置有頂層金屬層，頂層介質基片和底層介質基片之間設置有中間層金屬層，底層介質基片的下表面設置有底層金屬層。堆疊放置的頂層介質基片和底層介質基片上設置有一排金屬化通孔，該排金屬化通孔與頂層金屬層、頂層介質基片、中間層金屬層構成第一半模基片集成波導，該排金屬化通孔與中間層金屬層、底層介質基片、底層金屬層構成第二半模基片集成波導。頂層介質基片的上表面設置有兩條分別與第一半模基片集成波導上表面金屬層兩端連接的微帶線；底層介質基片的下表面設置有兩條分別與第二半模基片集成波導下表面金屬層兩端連接的微帶線；每條所述微帶線分別通過一個梯形微帶貼片與半模基片集成波導的金屬層連接，作為本發明耦合器的輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口。中間層金屬層上還開有一排圓孔，該排圓孔與金屬化通孔平行，且相鄰兩個圓孔的圓心之間的間距相等，間距為四分之一工作波長。中間層金屬層上的這一排圓孔位于半模基片集成波導的中心處，且圓孔數n≥5。

本發明的半模基片集成波導3-db寬壁小孔耦合器，是一種由波導寬壁小孔耦合器改進的雙層3-db半模基片集成波導寬壁小孔耦合器。本發明耦合器是由兩塊相同的半模基片集成波導通過接觸組合而成的雙層電路，改進的微帶到半模基片集成波導的過渡電路通過梯形漸變（梯形微帶貼片）接入半模基片集成波導。本發明在兩塊半模基片集成波導的公共地平面上開了一排5個圓形小孔來實現小孔耦合的目的，上層半模基片集成波導中的能量通過這5個小孔耦合到下層半模基片集成波導之中，并最終實現了3-db的強耦合效果。

其中，半模基片集成波導是通過在介質基片上設計一系列金屬化通孔實現的（半模基片集成波導的大小還有金屬化通孔的尺寸和通孔之間的距離由工作頻段決定）。本發明能順利實現雙層半模基片集成波導之間的3-db耦合，同時實現了直通端與耦合端之間的90°相移，相對于同等技術的基片集成波導耦合器，本發明在減小耦合器面積的同時提高了耦合器的性能，制作工藝簡單，成本低廉。

本發明中，兩塊半模基片集成波導上下對齊放置，如圖1所示，該雙層半模基片集成波導由上至下依次包含頂層金屬層、介質基片（采用rogers5880介質板，介電常數為2.2，厚度為0.5毫米）、中間層金屬層、介質基片（采用rogers5880介質板，介電常數為2.2，厚度為0.5毫米）和底層金屬層，在它的長邊均勻分布著一排金屬化通孔。

如圖3所示，在雙層半模基片集成波導的公共面上開孔，上下兩層半模基片集成波導中的能量通過這5個小孔進行耦合。四條微帶線分別連接兩塊半模基片集成波導的兩端，作為該耦合器的輸入端、直通端、耦合端以及隔離端。由于整個耦合器結構是對稱的，所以任意一個端口都可以作為輸入端口，若輸入端口已經確定，那么同層的另一個端口就是直通端，輸入端同側對應的另一層即為隔離端，直通端同側對應的端口則是耦合端。四條微帶線和半模基片集成波導之間通過一個梯形微帶貼片連接，以實現阻抗匹配。在本發明的耦合器中，耦合小孔在保持固定圓心距離的基礎之上被放置于整個半模基片集成波導的中心，以達到最強的耦合效果。四條微帶線的阻抗均為50歐姆，且整個結構關于中間金屬層上中線180°旋轉對稱。

本發明的耦合器在實際制作時，如圖3和4所示，可以將部分介質基片切除，以方便sma接頭的焊接；還可以在介質基片的邊緣打孔，通過螺絲與螺母將兩層介質基片固定在一起。

圖5是本發明耦合器上層介質內部電場分布俯視圖，圖6是本發明耦合器下層介質內部電場分布俯視圖，圖7（a）和圖7（b）為本發明耦合器的仿真結果。由此可知，本發明耦合器的3-db耦合帶寬為7.2ghz~10.2ghz，中心頻率為8.7ghz，相對帶寬為34.5%。輸入端口的回波損耗大于15db。輸入端和隔離端的隔離度為20db以上，隔離效果非常好。直通端和耦合端在工作頻段的相位差為87.5°±2.5°，滿足正交3-db耦合器的要求。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。