本發(fā)明涉及一種基片集成波導(dǎo)3-db寬壁小孔耦合器，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)正在向高速、多頻段、大容量方向發(fā)展。耦合器由于很容易實(shí)現(xiàn)任意功率同相/正交的功分作用在微波技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。耦合器作為核心器件被廣泛運(yùn)用于無(wú)線電收發(fā)機(jī)和相位陣列天線之中,但是傳統(tǒng)的波導(dǎo)小孔耦合器是立體結(jié)構(gòu)、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(dǎo)技術(shù)使得微波器件有了更廣闊的發(fā)展，基片集成波導(dǎo)技術(shù)具有體積小、重量輕、高品質(zhì)因素、低插入損耗、高集成度、大功率容量等特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基片集成波導(dǎo)3-db寬壁小孔耦合器，結(jié)合微帶結(jié)構(gòu)的siw平面耦合器結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)波導(dǎo)耦合器立體結(jié)構(gòu)大，難于集成的特點(diǎn)，在微波集成化、小型化電路中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明通過(guò)研究平面化雙層小孔耦合器，擴(kuò)大該平面化雙層小孔耦合器在現(xiàn)代微波毫米波電路集成中的應(yīng)用。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

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

堆疊放置的頂層介質(zhì)基片和底層介質(zhì)基片上設(shè)置有兩排平行的金屬化通孔，這兩排金屬化通孔與頂層金屬層、頂層介質(zhì)基片、中間層金屬層構(gòu)成第一基片集成波導(dǎo)，這兩排金屬化通孔與中間層金屬層、底層介質(zhì)基片、底層金屬層構(gòu)成第二基片集成波導(dǎo)；

頂層介質(zhì)基片的上表面設(shè)置有兩條分別與第一基片集成波導(dǎo)上表面金屬層兩端連接的微帶線；底層介質(zhì)基片的下表面設(shè)置有兩條分別與第二基片集成波導(dǎo)下表面金屬層兩端連接的微帶線；

中間層金屬層上還開(kāi)有兩排平行的圓孔，這兩排圓孔與金屬化通孔平行，且相鄰兩個(gè)圓孔的圓心之間的間距相等。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述中間層金屬層上的兩排圓孔分別位于基片集成波導(dǎo)兩排金屬化通孔之間四分之一和四分之三位置處。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述中間層金屬層上的兩排圓孔尺寸完全一致，且每排圓孔的數(shù)量均為n≥5。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述中間層金屬層上的每排圓孔中，相鄰兩個(gè)圓孔的圓心之間間距為四分之一工作波長(zhǎng)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，每條所述微帶線分別通過(guò)一個(gè)梯形微帶貼片與半模基片集成波導(dǎo)的金屬層連接。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，3-db耦合工作帶寬大，其雙層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)立體、多層結(jié)構(gòu)耦合器相比更適合應(yīng)用于現(xiàn)代微波毫米波電路集成中。同時(shí)，采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)，結(jié)構(gòu)十分緊湊，減少了加工難度，降低了加工成本。相對(duì)于目前的波導(dǎo)耦合器，基片集成波導(dǎo)窄壁小孔耦合器，均有不同程度上的體積減小。

附圖說(shuō)明

圖1是雙層基片集成波導(dǎo)示意圖。

圖2是本發(fā)明基片集成波導(dǎo)3-db寬壁小孔耦合器的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明基片集成波導(dǎo)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(zhì)基片，3是中間層金屬層，4是底層介質(zhì)基片，5是底層金屬層。

圖4是本發(fā)明基片集成波導(dǎo)3-db寬壁小孔耦合器的俯視圖。

圖5是本發(fā)明耦合器上層介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布俯視圖。

圖6是本發(fā)明耦合器下層介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布俯視圖。

圖7（a）是本發(fā)明耦合器的s參數(shù)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。

圖7（b）是本發(fā)明耦合器的直通端與耦合端相位差仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明提供一種基片集成波導(dǎo)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(zhì)基片和底層介質(zhì)基片，其中，頂層介質(zhì)基片的上表面設(shè)置有頂層金屬層，頂層介質(zhì)基片和底層介質(zhì)基片之間設(shè)置有中間層金屬層，底層介質(zhì)基片的下表面設(shè)置有底層金屬層。堆疊放置的頂層介質(zhì)基片和底層介質(zhì)基片上設(shè)置有兩排平行的金屬化通孔，這兩排金屬化通孔與頂層金屬層、頂層介質(zhì)基片、中間層金屬層構(gòu)成第一基片集成波導(dǎo)，這兩排金屬化通孔與中間層金屬層、底層介質(zhì)基片、底層金屬層構(gòu)成第二基片集成波導(dǎo)。頂層介質(zhì)基片的上表面設(shè)置有兩條分別與第一基片集成波導(dǎo)上表面金屬層兩端連接的微帶線；底層介質(zhì)基片的下表面設(shè)置有兩條分別與第二基片集成波導(dǎo)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(guò)一個(gè)梯形微帶貼片與半模基片集成波導(dǎo)的金屬層連接，作為該耦合器的輸入端口、直通端口、耦合端口以及隔離端口。中間層金屬層上還開(kāi)有兩排平行的圓孔，這兩排圓孔與金屬化通孔平行，且相鄰兩個(gè)圓孔的圓心之間的間距相等。兩排圓孔分別位于基片集成波導(dǎo)兩排金屬化通孔之間四分之一和四分之三位置處，兩排圓孔尺寸完全一致，且每排圓孔的數(shù)量n≥5。每排圓孔中，相鄰兩個(gè)圓孔的圓心之間間距為四分之一工作波長(zhǎng)。

本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)3-db寬壁小孔耦合器，是一種由波導(dǎo)寬壁小孔耦合器改進(jìn)的雙層3-db基片集成波導(dǎo)寬壁小孔耦合器。本發(fā)明耦合器是由兩塊相同的基片集成波導(dǎo)通過(guò)接觸組合而成的雙層電路；改進(jìn)的微帶到基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡電路通過(guò)梯形漸變接入基片集成波導(dǎo)。本發(fā)明在基片集成波導(dǎo)的公共地平面上開(kāi)了兩排共10個(gè)圓形小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)小孔耦合的目的，并最終實(shí)現(xiàn)了3-db的強(qiáng)耦合效果。

其中，基片集成波導(dǎo)是通過(guò)在印刷電路板上設(shè)計(jì)一系列金屬過(guò)孔實(shí)現(xiàn)的（基片集成波導(dǎo)的大小還有金屬通孔的尺寸和通孔之間的距離由工作頻段決定）。本發(fā)明能順利實(shí)現(xiàn)雙層基片集成波導(dǎo)之間的3-db耦合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了直通端與耦合端之間的90°相移，相對(duì)于同等技術(shù)的波導(dǎo)耦合器，本發(fā)明在減小耦合器面積的同時(shí)提高了耦合器的性能，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。

本發(fā)明中，兩塊基片集成波導(dǎo)上下對(duì)齊放置，如圖1所示，該雙層基片集成波導(dǎo)由上至下依次包含頂層金屬層、介質(zhì)基片（采用rogers5880介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.2，厚度為0.5毫米）、中間層金屬層、介質(zhì)基片（采用rogers5880介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.2，厚度為0.5毫米）和底層金屬層，在它的長(zhǎng)邊均勻分布著金屬化通孔。

如圖3所示，在雙層基片集成波導(dǎo)的公共面上開(kāi)孔，上下兩層基片集成波導(dǎo)中的能量通過(guò)這10個(gè)小孔進(jìn)行耦合。四條微帶線分別連接兩層基片集成波導(dǎo)的兩端，作為該耦合器的輸入端口、直通端口、耦合端口以及隔離端口。由于整個(gè)耦合器結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，所以任意一個(gè)端口都可以作為輸入端口，若輸入端口已經(jīng)確定，那么同層的另一個(gè)端口就是直通端，輸入端同側(cè)對(duì)應(yīng)的另一層即為隔離端，直通端同側(cè)對(duì)應(yīng)的端口則是耦合端。所有4個(gè)端口和基片集成波導(dǎo)之間接一個(gè)梯形微帶貼片以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在本發(fā)明的耦合器中，耦合小孔在保持固定圓心距離的基礎(chǔ)之上被放置于基片集成波導(dǎo)兩排金屬過(guò)孔之間四分之一和四分之三的位置，兩排圓孔尺寸完全一致，已達(dá)到最強(qiáng)的耦合效果。四條微帶線的阻抗均為50歐姆，且整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中線180°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。

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

圖5是本發(fā)明耦合器上層介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布俯視圖，圖6是本發(fā)明耦合器下層介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布俯視圖，圖7（a）和圖7（b）為本發(fā)明耦合器的仿真結(jié)果，由此可知，本發(fā)明耦合器的3-db耦合帶寬為7ghz~10ghz，中心頻率為8.5ghz，相對(duì)帶寬為35.3%。輸入端口的回波損耗大于12.5db。輸入端和隔離端的隔離度為15db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90°±5°，滿(mǎn)足正交3-db耦合器的要求。

本發(fā)明基片集成波導(dǎo)3-db寬壁小孔耦合器，上下兩層通過(guò)圓形耦合小孔完成3-db耦合。本發(fā)明將bethe孔耦合技術(shù)與基片集成波導(dǎo)siw技術(shù)相結(jié)合，僅用雙排10個(gè)耦合小孔即達(dá)到了3-db耦合的效果。同時(shí)，相比較于類(lèi)似技術(shù)的基片集成波導(dǎo)耦合器，本發(fā)明的耦合器在更小提及的前提下回波損耗更小，耦合帶寬更寬。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、易于加工和集成，實(shí)現(xiàn)電路的平面化和多層混合電路的集成，在對(duì)尺寸和性能要求嚴(yán)格的微波電路和系統(tǒng)中，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。