一种新型3dB定向耦合器的制作方法

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种新型3dB定向耦合器。

背景技术：

定向耦合器是一种重要的微波毫米波器件，定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。耦合器的形式主要包括波导耦合器和微带耦合器。随着通信系统的发展，对于微波毫米波设备的频率要求越来越高，然而，传统的矩形波导耦合器和微带耦合器在高频损耗较大，限制了其在高频的应用。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)的出现则较好地解决了以上问题，基片集成波导利用金属过孔在介质板中实现波导的场传播模式，结合了传统波导和微带传输线两者的优点，是一种高性能的微波毫米波平面电路。然而，随着频率的增高，基片集成波导的性能也会下降。

2009年，一种更适用于高频的波导结构被提出来，即间隙波导(Gap Waveguide, GW)。间隙波导包括两层结构：PEC层和PEC/PMC层，两层结构被小于1/4波长的空气间隙隔开。在PEC/PMC层中，高阻抗的EBG结构阵列围绕着金属脊，仅仅准TEM模式的电磁波可以沿着金属脊传播。间隙波导相比其他波导的主要优势是低损耗，不需要电连接，具有良好的金属屏蔽作用。

目前，基于SIW结构和间隙波导(GW)结构设计出了多款耦合器。基于SIW的耦合器形式主要有：(1)两个SIW并列，通过孔耦合；(2)两个耦合器交叉排列在单层介质板上；(3)两个SIW以交叉或者重叠的形式上下排列，通过缝隙耦合；(4)两个SIW并列，以传输线耦合的形式设计；(5)两个SIW垂直放置，通过缝隙耦合。基于间隙波导的耦合器设计主要有两种类型：一种是基于孔耦合理论的波导耦合器；另一种为将耦合器以传导脊的形式设计在间隙波导中。但是，基于SIW的耦合器依然存在着空间辐射和表面波的问题，而间隙波导耦合器的尺寸则较大，不适合集成。

2012年，微带间隙波导被设计出来以满足通信系统小型化的需求。近年来，张晶等学者利用介质板代替了微带间隙波导中的空气间隙，设计出了基片集成间隙波导结构，实现了更稳定的间隙高度，和更高的性能。由于基片集成间隙波导的高性能，将其应用于微波毫米波器件的设计中，也是一种必然的趋势。

本发明首次将基片集成间隙波导技术用于定向耦合器的设计，解决了SIW耦合器和GW耦合器存在的问题，同时实现了宽带宽和较高的隔离度。

本

技术实现要素：
，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，设计出一种新型3dB定向耦合器。

一种新型3dB定向耦合器，包括：上层介质板(5)，下层介质板(6)，其中：

a、上层介质板(5)是一块带有两个矩形槽的长方形介质板，其上表面印刷有金属地，下表面印刷有耦合微带线(13)；耦合微带线(13)的中间位置开有一个矩形第一缝隙(7)；耦合微带线(13)的四个端口分别为第一端口(1)，第二端口(2)，第三端口(3)和第四端口(4)；第一端口(1)为输入端口，第二端口(2)为直通端口，第三端口(3)为耦合端口，第四端口(4)为隔离端口；

b、下层介质板(6)的下表面印刷有金属地，上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片(9) 和第二圆形金属贴片(15)，H型耦合微带线(12)；下层介质板(6)上打有周期性第一金属过孔(10)、第二金属过孔(11)和第三金属过孔(14)；H型耦合微带线(12)的中间位置开有矩形第二缝隙(8)；H型耦合微带线(12)通过第二金属过孔(11)与金属地相连；

c、第一圆形金属贴片(9)与第一金属过孔(10)构成第一种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第一金属过孔(10)与金属地连接；第二圆形金属贴片(15)与第三金属过孔(14)构成第二种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第三金属过孔(14)与金属地连接；第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的两侧；第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线 (12)的中间；

d、下层介质板(6)的上表面与上层介质板(5)的下表面紧密连接；上层介质板(5)下表面的耦合微带线(13)与下层介质板(6)上表面的H型耦合微带线(12)重合连接；矩形第一缝隙(7)和矩形第二缝隙(8)重合。

如上所述，上层介质板(5)为基片集成间隙波导的间隙层；下层介质板(6)为基片集成间隙波导的过孔层；第二金属过孔(11)和H型耦合微带线(12)构成基片集成间隙波导的传导脊，实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。

如上所述，端口(1)输入激励信号；端口(2)的信号由端口(1)直通过去；端口 (3)的信号由两路同相信号叠加，与端口(2)的幅度相同，但相差90度；端口(4)的信号为两路反相等幅信号叠加，相消后使端口(4)没有信号输出。

如上所述，耦合微带线(13)上的第一缝隙(7)与H型耦合微带线(12)上的第二缝隙(8)的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度，尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。

如上所述，第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同，但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大，降低了回波损耗，同时提高了隔离度。

如上所述，调整上两层介质板厚度的比值，可以调整耦合器的工作频率；下层介质板(6)的厚度比上层介质板(5)的厚度大时，耦合器的上下截止频率降低。

如上所述，下层介质板(6)的介电常数比上层介质板(5)的介电常数大，也会使耦合器的上下截止频率下移。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、解决了传统微带耦合器在高频应用高损耗的问题；

2、尺寸小，剖面低，易集成；

3、具有较高的隔离度；

4、具有较宽的带宽。

附图说明

图1为本发明一种新型3dB定向耦合器的整体结构图。

图2为本发明一种新型3dB定向耦合器上层介质板的上表面图。

图3为本发明一种新型3dB定向耦合器上层介质板的下表面图。

图4为本发明一种新型3dB定向耦合器下层介质板的上表面图。

图5为本发明一种新型3dB定向耦合器下层介质板的下表面图。

图6为本发明一种新型3dB定向耦合器的S参数仿真结果图。

图7为本发明一种新型3dB定向耦合器的直通端与耦合端的相位差仿真结果图。

具体实施方案

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进一步详细地说明。

如图1-5所示，一种新型3dB定向耦合器，包括：上层介质板(5)，下层介质板 (6)，其中：

a、上层介质板(5)是一块带有两个矩形槽的长方形介质板，其上表面印刷有金属地，下表面印刷有耦合微带线(13)；耦合微带线(13)的中间位置开有一个矩形第一缝隙(7)；耦合微带线(13)的四个端口分别为第一端口(1)，第二端口(2)，第三端口(3)和第四端口(4)；第一端口(1)为输入端口，第二端口(2)为直通端口，第三端口(3)为耦合端口，第四端口(4)为隔离端口；

b、下层介质板(6)的下表面印刷有金属地，上表面印刷有周期性第一圆形金属贴片(9) 和第二圆形金属贴片(15)，H型耦合微带线(12)；下层介质板(6)上打有周期性第一金属过孔(10)、第二金属过孔(11)和第三金属过孔(14)；H型耦合微带线(12)的中间位置开有矩形第二缝隙(8)；H型耦合微带线(12)通过第二金属过孔(11)与金属地相连；

c、第一圆形金属贴片(9)与第一金属过孔(10)构成第一种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第一金属过孔(10)与金属地连接；第二圆形金属贴片(15)与第三金属过孔(14)构成第二种蘑菇型EBG结构阵列，并通过第三金属过孔(14)与金属地连接；第一种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线(12)的两侧；第二种EBG结构阵列排列在H型耦合微带线 (12)的中间；

d、下层介质板(6)的上表面与上层介质板(5)的下表面紧密连接；上层介质板(5)下表面的耦合微带线(13)与下层介质板(6)上表面的H型耦合微带线(12)重合连接；矩形第一缝隙(7)和矩形第二缝隙(8)重合。

如上所述，上层介质板(5)为基片集成间隙波导的间隙层；下层介质板(6)为基片集成间隙波导的过孔层；第二金属过孔(11)和H型耦合微带线(12)构成基片集成间隙波导的传导脊，实现基片集成间隙波导耦合器的耦合功能。

如上所述，端口(1)输入激励信号；端口(2)的信号由端口(1)直通过去；端口 (3)的信号由两路同相信号叠加，与端口(2)的幅度相同，但相差90度；端口(4)的信号为两路反相等幅信号叠加，相消后使端口(4)没有信号输出。

如上所述，耦合微带线(13)上的第一缝隙(7)与H型耦合微带线(12)上的第二缝隙(8)的尺寸决定了四个端口之间的间距和长度，尺寸的变化会改变到达每个端口的信号的相位。

如上所述，第一种蘑菇型EBG结构阵列与第二种蘑菇型EBG结构阵列的尺寸相同，但第二种蘑菇型EBG结构阵列的周期比第一种的周期大，降低了回波损耗，同时提高了隔离度。

如上所述，调整上两层介质板厚度的比值，可以调整耦合器的工作频率；下层介质板(6)的厚度比上层介质板(5)的厚度大时，耦合器的上下截止频率降低。

如上所述，下层介质板(6)的介电常数比上层介质板(5)的介电常数大，也会使耦合器的上下截止频率下移。

如上所述，耦合器整体尺寸为53mm×36.2mm×0.508mm；上层介质板(5)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009介质材料，下层介质板(6)是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。

图6所示的S参数仿真结果表明，在23.59GHz-29GHz频段，本发明一种新型3dB 定向耦合器具有S14低于-20dB的隔离特性，S11大部分低于-20dB，小部分低于-18dB的阻抗特性，以及S12和S13为3.4dB-4.2dB的传输特性；图7所示的直通端口(2)和耦合端口(3)的相位差结果表明，该耦合器是正交的。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。