專利名稱：補償型螺旋微帶諧振單元及分支線耦合器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波分支線耦合器的技術領域，特別涉及一種補償型螺旋微帶諧振單元以及基于該微帶諧振單元的分支線耦合器。
背景技術：
分支線耦合器在微波集成電路中廣泛應用，尤其是功率等分的-3dB耦合器，不僅制作容易，而且它的輸出端口位于同一側，因而結構上易于同半導體器件結合，構成如平衡混頻器、移相器和開關等集成電路。分支線耦合器兩個輸出端口的輸出信號，在中心頻率的理論相位差總是90度。
圖1顯示了傳統(tǒng)的分支線耦合器的結構圖，從圖中可以看到，在耦合器內部共有四條微帶線組成，其中橫向的兩條微帶線的特征阻抗為35Ω，垂直的兩條微帶線的特征阻抗為50Ω，每條微帶線的長度都是工作頻率的四分之一波長。該分支線耦合器，工作頻率為2.4GHz，使用普通的微波襯底材料，相對介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm，整個分支線耦合器的大小為23.2mm×24.1mm。其中橫向微帶線的線寬為1.28mm，特征阻抗設計為35Ω；垂直微帶線的線寬為0.78mm，特征阻抗設計為50Ω。四個端口的輸入輸出阻抗均為50Ω。從端口1輸入一個信號，將分別從端口2、3輸出該信號一半的功率，即信號強度是原來的-3dB，并且端口2、3的相位差為90度。同時理想的分支線耦合器，在端口1、4之間有著良好的隔離度。圖2是以2.4GHz為例的傳統(tǒng)分支線耦合器的頻率響應圖。圖中，S21、S31是端口1分別到端口2、3的傳輸特性，在2.4GHz都接近-3dB；S11是耦合器的反射損耗曲線，其駐波非常理想；S41是端口1和端口4的隔離度，在其工作頻段內，具有非常理想的隔離度。這種傳統(tǒng)的分支線耦合器在工作頻帶內有非常理想的性能，并且目前在微波電路中也得到了廣泛的應用。但是通過觀察其2階和3階諧波信號發(fā)現(xiàn)，該分支線耦合器在工作頻率的諧波頻段具有相似的頻率響應。在通信頻譜日益擁擠的今天，電磁干擾成為一個嚴重的問題，所以抑制諧波成為一個必需考慮的問題。通常的微波通信系統(tǒng)都是在系統(tǒng)內部加入低通濾波器或者帶通濾波器來達到抑制諧波的目的，這樣的作法不僅增加了系統(tǒng)的體積，增大了成本，無源濾波器存在差損，降低了系統(tǒng)性能。并且在系統(tǒng)內部器件互聯(lián)的時候，有可能產(chǎn)生失配，惡化系統(tǒng)性能。而且在低頻頻段，該分支線耦合器形狀過于龐大，不能非常有效的利用襯底空間，所以此種結構并不十分理想。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種整體尺寸小、對諧波抑制作用強的補償型螺旋微帶諧振單元及用其構成的分支線耦合器，以克服現(xiàn)有技術存在的體積大、成本高、無源濾波器存在差損、系統(tǒng)性能差等缺陷。
本發(fā)明解決技術問題的技術方案如下一種補償型螺旋微帶諧振單元，包括輸入端、輸出端、螺旋微帶線和中間微帶線，所述螺旋微帶線以中間微帶線為對稱線對稱設置，所述中間微帶線的兩端分別與輸入端和輸出端相連，所述螺旋微帶線為由中間微帶線中心引出且一端向內折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心引出的長環(huán)帶狀的開路補償微帶線和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線位于中間微帶線的同一側。
所述螺旋微帶線有四個，分別從中間微帶線中心向上下左右引出且一端向內螺旋折疊。
所述長環(huán)帶狀開路補償微帶線的電長度為工作頻率四分之一波長的兩倍，作用是在工作頻率的2階諧波產(chǎn)生抑制作用。所述短環(huán)帶狀開路補償微帶線的電長度視需要補償?shù)南辔欢ǎ溆糜趯⒄麄€補償型微帶諧振單元的相移補償?shù)焦ぷ黝l率的四分之一波長。螺旋微帶諧振單元的禁帶頻率設計為工作頻率的3階諧波，作用是抑制3階諧波，并且利用其慢波效應，減小電路面積。
進一步，基于上述補償型螺旋微帶諧振單元發(fā)明了分支線耦合器，所述分支線耦合器由如上所述的補償型微帶諧振單元相互連接成環(huán)狀結構，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線位于分支線耦合器的內部。
所述分支線耦合器的橫向的兩個微帶諧振單元的特征阻抗為35Ω，垂直的兩個微帶諧振單元的特征阻抗為50Ω。
由以上公開的技術方案可知，本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明補償型螺旋微帶諧振單元通過采用微帶內的螺旋結構，加上長短各兩個開路補償微帶線來補償微帶頻率響應和相位，使其對于諧波有很強的抑制作用，同時整體尺寸小等優(yōu)點，而且兩者插入損耗相當。此外，基于上述補償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器，通過將長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的補償結構分別位于分支線耦合器的內部，這樣可以充分利用襯底材料，節(jié)省空間。同傳統(tǒng)的四分之一波長分支線耦合器同樣具有很好的端口駐波、隔離度，在端口2、3具有功率等分，相位差為90度的基本特性。然而具有傳統(tǒng)分支線耦合器所不具有的諧波抑制功能，而且電路面積大大減小。本發(fā)明可用任何適合微波電路的襯底材料制作。本發(fā)明的基于補償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器的工作頻率可以根據(jù)需要來設計，基于此螺旋微帶的長度、長環(huán)帶狀補償微帶開路線和短環(huán)帶狀補償微帶開路線的長度都需要視具體的工作頻率來確定。


圖1為已有的傳統(tǒng)分支線耦合器結構布局示意圖。
圖2為傳統(tǒng)的2.4GHz分支線耦合器頻率響應圖。
圖3為本發(fā)明的特征阻抗為35Ω補償型螺旋微帶諧振單元。
圖4為本發(fā)明的特征阻抗為50Ω補償型螺旋微帶諧振單元。
圖5為本發(fā)明的特征阻抗為50Ω補償型螺旋微帶諧振單元的頻率響應曲線。
圖6為本發(fā)明的基于補償型螺旋微帶諧振單元的2.4GHz分支線耦合器結構布局示意圖。
圖7為本發(fā)明的基于補償型螺旋微帶諧振單元的2.4GHz分支線耦合器頻率響應曲線。
具體實施例方式以下結合附圖進一步對本發(fā)明補償型微帶螺旋諧振單元及其分支線耦合器實施例及詳細說明一種補償型螺旋微帶諧振單元，本發(fā)明設計的一種補償型微帶諧振單元的結構布局如圖3、圖4所示。圖3、圖4的結構分別是工作頻率下特征阻抗為35Ω和50Ω的傳輸線。其包括輸入端1、輸出端2、螺旋微帶線5和中間微帶線6，所述螺旋微帶線5以中間微帶線6為對稱線對稱設置，所述中間微帶線6的兩端分別與輸入端和輸出端相連，所述螺旋微帶線5為由中間微帶線6中心61引出且一端向內折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心61引出的長環(huán)帶狀的微帶開路線7和短環(huán)帶狀的微帶開路線8，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的微帶開路線7、8位于中間微帶線6的同一側。螺旋微帶諧振單元的禁帶設計在工作頻率的3階諧波，從而達到抑制3階諧波的目的。由于螺旋微帶諧振單元在低頻通帶內存在阻抗失配，引起插損過大。加上補償?shù)奈ч_路線7和8，補償了低頻通帶內的阻抗不平衡，并且7的電長度為工作頻率四分之一波長的兩倍，從而抑制了2階諧波。圖5為兩端端口阻抗為50Ω的補償性螺旋微帶諧振單元的頻率響應圖，圖中打星號的曲線為反射損耗，在工作頻率2.4GHz，端口阻抗嚴格匹配到50Ω，具有非常理想的駐波特性；打方塊的曲線為傳輸損耗曲線，在工作頻率2.4GHz傳輸損耗與傳統(tǒng)的微帶線相當，并且從圖中可以看到在2階和3階諧波處，具有30dB以上的隔離度。
本發(fā)明根據(jù)圖3和圖4實施例結構設計的工作頻率為2.4GHz的分支線耦合器，如圖6所示。所述分支線耦合器由如上所述的補償型微帶諧振單元9相互連接成環(huán)狀結構，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的微帶開路線位于分支線耦合器的內部。其制作在介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm的微波襯底上，尺寸為10.7mm×12.5mm，面積為傳統(tǒng)分支線耦合器的四分之一。其中91是特征阻抗為35Ω的補償性螺旋微帶諧振單元，其寬度為1.28mm，這兩個單元分別成中心對稱水平放置，開路補償微帶線7、8放置在耦合器內部，節(jié)省襯底面積。其中92是特征阻抗為50Ω的補償性螺旋微帶諧振單元，其寬度為0.78mm，這兩個單元分別成中心對稱豎直放置，同樣開路補償微帶線放置在耦合器內部以節(jié)省襯底面積。端口1、2、3、4對應于50Ω特征阻抗，其寬度均為0.78mm。特征阻抗為35、50Ω的補償性螺旋微帶諧振單元和輸入輸出端口之間用T型頭連接。本發(fā)明中僅以2.4GHz工作頻率為例來說明，使用該結構同樣可以設計其他工作頻率的分支線耦合器。本發(fā)明還可以使用氧化鋁陶瓷等其他材料的襯底。
圖7為本分支線耦合器實例的響應曲線圖，圖中打星號的曲線為耦合器端口1的反射系數(shù)在工作頻率2.4GHz，反射系數(shù)都小于-30dB，在2階和3階諧波處反射系數(shù)都接近0dB。圖中打三角形的曲線為，端口1和端口4的隔離度，在工作頻率2.4GHz，隔離度都大于30dB。其他兩條曲線分別為端口1到端口2和端口1到端口3的傳輸系數(shù)，可以看到功率從端口1進入，分別在端口2和端口3等分，并且相位差為90度。
本發(fā)明根據(jù)圖6實例結構設計的分支線耦合器中心頻率為2.4GHz，尺寸只有10.7mm×12.5mm。該分支線耦合器的頻率響應曲線如圖7所示，工作頻率2.4GHz性能同傳統(tǒng)的分支線耦合器相同，但是在2階和3階諧波出具有很強的抑制作用。
權利要求
1.一種補償型螺旋微帶諧振單元，包括輸入端、輸出端、螺旋微帶線和中間微帶線，所述螺旋微帶線以中間微帶線為對稱線對稱設置，所述中間微帶線的兩端分別與輸入端和輸出端相連，其特征在于，所述螺旋微帶線為由中間微帶線中心引出且一端向內折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心引出的長環(huán)帶狀的開路補償微帶線和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線位于中間微帶線的同一側。
2.如權利要求1所述的補償型螺旋微帶諧振單元，其特征在于，所述螺旋微帶線有四個，分別從中間微帶線中心向上下左右引出且一端向內螺旋折疊。
3.如權利要求1所述的補償型螺旋微帶諧振單元，其特征在于，所述長環(huán)帶狀開路補償微帶線的電長度為工作頻率四分之一波長的二倍。
4.如權利要求1所述的補償型螺旋微帶諧振單元，其特征在于，所述短環(huán)帶狀開路補償微帶線的電長度視需要補償?shù)南辔欢?，其用于將整個補償型微帶諧振單元的相移補償?shù)焦ぷ黝l率的四分之一波長。
5.一種基于權利要求1～4所述的補償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器，其特征在于，所述分支線耦合器由權利要求1～4所述的補償型微帶諧振單元相互連接成環(huán)狀結構，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線位于分支線耦合器的內部。
6.如權利要求5所述的分支線耦合器，其特征在于，所述分支線耦合器的橫向的兩個微帶諧振單元的特征阻抗為35Ω，垂直的兩個微帶諧振單元的特征阻抗為50Ω。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種補償型螺旋微帶諧振單元其包括輸入端、輸出端、螺旋微帶線和中間微帶線，螺旋微帶線以中間微帶線為對稱線對稱設置，螺旋微帶線為由中間微帶線中心引出且一端向內折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心引出的長環(huán)帶狀的開路補償微帶線和短環(huán)帶狀的開路補償微帶線，所述開路補償微帶線位于中間微帶線的同一側。本發(fā)明進一步公開了基于上述補償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器。在基頻處該諧振單元是傳輸線，在2階和3階諧波處該補償型諧振單元對傳輸信號具有很強的抑制作用。利用補償型螺旋微帶諧振單元構成的分支線耦合器具有諧波抑制，電路面積小，插入損耗小等優(yōu)點。
文檔編號H01P7/08GK101038979SQ200610024739
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權日2006年3月16日
發(fā)明者顧建忠, 孫曉瑋 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所