基片集成波導小型化帶通混合環的製作方法
2023-07-21 14:00:26 1
專利名稱：基片集成波導小型化帶通混合環的製作方法
技術領域：
基片集成波導小型化帶通混合環技術領域[0001]本實用新型屬於微波毫米波無源器件技術領域，特別涉及一種微波毫米波無源器件中的混合環。
背景技術：
[0002]無線移動通信技術的發展，要求微波毫米波電路在保證電氣性能的同時，儘可能地壓縮電路面積，即小型化。一方面，隨著半導體技術的進步，無線通信系統中的有源電路已經實現了小型化並且能夠有效地利用現代封裝技術進行集成；另一方面，天線、濾波器、 耦合器、混合環等無源電路仍然面臨著小型化的關鍵技術難題。[0003]混合環是微波毫米波子系統的一個關鍵部件，被廣泛應用於微波毫米波電路中。 混合環是一種四埠器件，從一個輸入埠輸入，兩個輸出埠實現等幅同相輸出，從另一個輸入埠輸入，兩個輸出埠實現等幅反相輸出，兩個輸入埠間保證良好的隔離。混合環可以由微帶線、共面波導、金屬波導等傳輸線結構來實現，也可由近年來提出的基片集成波導結構來設計。此種基於基片集成波導設計的混合環具有平面電路和金屬波導的雙重優點，非常適於在新一代微波毫米波集成電路中使用。[0004]為了滿足混合環的電氣性能，並考慮到基片集成波導的結構特性，現有的基片集成波導混合環(如張玉林，基片集成波導傳播特性及濾波器的理論與實驗研究[D].東南大學博士論文，第七章，2005年，第102 103頁)需要按照如下原則設計一個輸入埠與兩個輸出埠之間的距離均為四分之三波導波長(波導波長是指在波導管中傳播的合成波的兩個相鄰波峰或者波谷之間的距離，也就是波導管中所傳播的某種波模電磁波的波長)， 另一個輸入埠與兩個輸出埠之間的距離分別為四分之三和四分之五波導波長。此時， 整個混合環的長度需要達到3. 5倍波導波長，所需佔用的電路面積非常大。[0005]此外，現有的混合環的頻率響應特性不具有頻率選擇特性，即不具有濾波能力。如果一個系統框架需要在混合環的前端或後端使用濾波器，則需單獨設計混合環和濾波器， 並將其級聯。此時，系統框架較為複雜，所需電路面積較大，電路級聯後損耗較大實用新型內容[0006]本實用新型的目的是為了克服現有的基片集成波導混合環電路結構面積偏大的不足，並使其具有頻率選擇能力，提出了基片集成波導小型化帶通混合環。[0007]本實用新型的技術方案之一是一種基片集成波導小型化帶通混合環，其特徵在於，包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層、介質層、第二金屬覆銅層，所述第一金屬覆銅層包括基片集成波導上表區域、位於基片集成波導上表區域兩側並與之連接的四路微帶線、位於基片集成波導上表區域內部的微帶線兩側的八組耦合槽、位於基片集成波導上表區域內部的S形上槽，位於基片集成波導上表區域上的三排橫向、三排縱向的金屬化通孔， 所述金屬化通孔貫穿了基片集成波導上表區域和介質層與第二金屬覆銅層連接，形成諧振腔一、諧振腔二、諧振腔三和諧振腔四；所述第二金屬覆銅層包括位於第二金屬覆銅層內部的S形下槽，所述諧振腔一和諧振腔二大小相同，所述諧振腔三和諧振腔四大小相同，所述諧振腔一比諧振腔三大，所述金屬化通孔在微帶線和耦合槽處中斷，形成饋電窗口，所述諧振腔一與諧振腔二、諧振腔二與諧振腔三、諧振腔一與諧振腔四之間的交界區域處的金屬化通孔中斷，形成連續耦合窗口，所述諧振腔三與諧振腔四之間的交界區域處的金屬化通孔中斷，形成三組的離散耦合窗口，所述S形上槽從第一組離散耦合窗口的中心線開始，以 S形穿越中間的第二組離散耦合窗口，止於第三組離散耦合窗口的中心線，所述S形下槽從第一組離散耦合窗口的中心線開始，以S形穿越中間的第二組離散耦合窗口，止於第三組離散耦合窗口的中心線，所述S形下槽的走向與S形上槽的走向關於離散耦合窗口的中心線鏡像對稱。[0008]本實用新型的技術方案之二是一種基片集成波導小型化帶通混合環，其特徵在於，包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層、介質層、第二金屬覆銅層、第二介質層、第三金屬覆銅層，所述第一金屬覆銅層包括基片集成波導上表區域、位於基片集成波導上表區域兩側並與之連接的兩路微帶線、位於基片集成波導上表區域內部的微帶線兩側的四組耦合槽、位於基片集成波導上表區域上的兩排橫向、三排縱向的金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿了基片集成波導上表區域、介質層、第二金屬覆銅層、第二介質層與第三金屬覆銅層連接，形成諧振腔一、諧振腔二、諧振腔三和諧振腔四；所述第二金屬覆銅層包括對應於諧振腔一中心處的耦合圓、對應於諧振腔四位置內靠近金屬化通孔的兩根鏡像對稱的正耦槽; 所述第三金屬覆銅層包括基片集成波導下表區域、位於基片集成波導下表區域兩側並與之連接的兩路第三層微帶線、位於基片集成波導下表區域內部的第三層微帶線兩側的四組第三層耦合槽，所述諧振腔一和諧振腔二大小相同，所述諧振腔三和諧振腔四大小相同，所述諧振腔一比諧振腔三大，所述金屬化通孔在微帶線和耦合槽處中斷，形成饋電窗口，在第三層微帶線和第三層耦合槽處中斷，形成饋電窗口，所述諧振腔一與諧振腔四、諧振腔三與諧振腔二之間的交界區域處的金屬化通孔中斷，形成連續耦合窗口。[0009]本實用新型的有益效果由於本實用新型基於耦合諧振腔的原理來設計混合環結構，利用四個諧振腔結構之間的相互耦合實現了混合環的電路功能，且可以緊湊布局，從而避免了現有的混合環設計時需要採用較長的弧形傳輸路徑所導致電路結構的面積過大的問題，也避免了現有的混合環內部空間浪費的問題，可大大縮小傳統混合環電路面積。此外，該基片集成波導小型化帶通混合環自身具有帶通的頻率響應特性，即集成了帶通濾波器的功能，在系統集成化、小型化領域具有突出的優勢
[0010]圖1是本實用新型的定向耦合器實施[0011]圖2是本實用新型的定向耦合器實施[0012]圖3是本實用新型的定向耦合器實施[0013]圖4是本實用新型的定向耦合器實施[0014]圖5是本實用新型的定向耦合器實施[0015]圖6是本實用新型的定向耦合器實施[0016]圖7是本實用新型的定向耦合器實施J 1的側視示意圖。J1的第一金屬覆銅層的電路結構圖。 J1的第二金屬覆銅層的電路結構圖。 J 2的側視示意圖。J2的第一金屬覆銅層的電路結構圖。 J2的第二金屬覆銅層的電路結構圖。 J2的第三金屬覆銅層的電路結構圖。
具體實施方式
[0017]
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明。[0018]實施例1 如圖1、圖2、圖3所示，一種基片集成波導小型化帶通混合環包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層1、介質層4、第二金屬覆銅層2，為了形成本實用新型的混合環，通過印製電路板製造工藝對第一金屬覆銅層1、第二金屬覆銅層2進行加工形成所需的金屬圖案(電路結構)，該圖案中各部分之間通過虛擬的虛線進行劃分，對介質層4打孔並對孔做表面金屬化處理形成金屬化通孔6，所述第一金屬覆銅層1包括基片集成波導上表區域11、位於基片集成波導上表區域11兩側並與之連接的四路微帶線12、位於基片集成波導上表區域11內部的微帶線12兩側的八組耦合槽13、位於基片集成波導上表區域11內部的S形上槽14，位於基片集成波導上表區域11上的三排橫向、三排縱向的金屬化通孔6， 所述金屬化通孔6貫穿了基片集成波導上表區域11和介質層4與第二金屬覆銅層2連接， 形成諧振腔一 71、諧振腔二 72、諧振腔三73、諧振腔四74，所述第二金屬覆銅層2包括位於第二金屬覆銅層2內部的S形下槽21，所述諧振腔一 71和諧振腔二 72大小相同，所述諧振腔三73和諧振腔四74大小相同，所述諧振腔一 71比諧振腔三73大，所述金屬化通孔6在微帶線12和耦合槽13處中斷，形成饋電窗口，饋電窗口的尺寸決定了諧振腔一 71、諧振腔二 72、諧振腔三73、諧振腔四74的外部品質因數的大小，所述諧振腔一 71與諧振腔二 72、 諧振腔二 72與諧振腔三73、諧振腔一 71與諧振腔四74之間的交界區域處的金屬化通孔6 中斷，形成連續耦合窗口，連續耦合窗口的大小決定了諧振腔一 71與諧振腔二 72、諧振腔二 72與諧振腔三73、諧振腔一 71與諧振腔四74之間的磁耦合係數的大小，所述諧振腔一 71與諧振腔二 74之間的連續耦合窗口、諧振腔一 72與諧振腔二 73之間的連續耦合窗口大小相同，均小於諧振腔一 71與諧振腔二 72之間的連續耦合窗口，所述諧振腔三73與諧振腔四74之間的交界區域處的金屬化通孔6中斷，形成三組的離散耦合窗口，兩側的兩組離散耦合窗口大小相同，均小於中間一組離散耦合窗口，所述S形上槽14從第一組離散耦合窗口的中心線開始，以S形穿越中間的離散耦合窗口，止於第三組離散耦合窗口的中心線， 所述S形下槽21從第一組離散耦合窗口的中心線開始，以S形穿越中間的離散耦合窗口， 止於第三組離散耦合窗口的中心線，所述S形下槽21的走向與S形上槽14關於離散耦合窗口的中心線鏡像對稱，所述S形上槽14、S形下槽21和三組離散耦合窗口的尺寸決定了諧振腔三73與諧振腔四74之間的電耦合係數的大小。[0019]本實用新型的基片集成波導小型化帶通混合環基於耦合諧振腔原理，採用四個諧振腔結構緊湊布局，根據設計指標的要求，可確定所需的外部品質因數、磁耦合係數、電耦合係數，並通過相應的電路結構尺寸來實現；上述結構的定向耦合器可通過四路微帶線12 分別從諧振腔一 71、諧振腔二 72、諧振腔三73、諧振腔四74引出四個埠 a、埠 b、埠 c和埠 d ；作為設計實例，一個基片集成波導小型化帶通混合環在中心頻率7. 65GHz處設計、加工並測試，設計帶寬400MHz。選用的介質基片介電常數為3. 5，厚度0. 5mm，損耗角正切為0.0018。選定金屬化通孔的直徑為0. 8mm，間距為1.5mm。埠 a饋電，埠 b、埠 d 等幅同相輸出；埠 c饋電，埠 b、埠 d等幅反相輸出；埠 a和埠 c始終保持良好隔離。測試結果表明，在7. 56GHz 7. 79GHz的範圍內，回波損耗均優於15dB，隔離度優於 30dB，平均插入損耗1. 3dB，幅度不均衡度小於0. 42dB，相位誤差小於5. 5°，同時具有較好的帶外抑制。[0020] 現有的基片集成波導混合環的設計原理與經典混合環的設計原理一致，均通過輸入埠和輸出埠之間的不同路徑長度來實現相位疊加或相位抵消，實現等幅同相或等幅反向輸出，因此一個輸入埠與兩個輸出埠之間的距離均為四分之三波導波長，另一個輸入埠與兩個輸出埠之間的距離分別為四分之三和四分之五波導波長，此時，整個混合環的長度需要達到3. 5倍波導波長，所包圍的電路面積超過二分之一平方波導波長，而且環中心有一塊空白圓形區域無法使用；而本實施例的基片集成波導小型化帶通混合環採用了完全不同的設計原理，即耦合諧振腔原理，其所佔的電路面積小於四分之一平方波導波長，在實現結構小型化的同時集成了帶通濾波器的功能；本實施例採用四個諧振腔結構緊湊布局，諧振腔一 71與諧振腔二 72之間的耦合係數為M12，諧振腔二 72與諧振腔三73 之間的耦合係數為M23、諧振腔一 71與諧振腔四74之間的耦合係數為M14，諧振腔三73與諧振腔四74之間的耦合係數為M34，假定諧振腔一 71、諧振腔二 72、諧振腔三73、諧振腔四 74的外部品質因數均為Qe，基片集成波導小型化帶通混合環所需的相對工作帶寬為FBW， 歸一化品質因數為qe = QeXFBW，則歸一化阻抗矩陣可由下式求出[0021]Z =J_—+ 屍—jmu-Jml2~Jmi41—+ P cL-風3 0~Jm23-JmU 0cL—+ 屍-M4-Jm341—+ρIe[0022]其中 ml2 = M12/FBW, m23 = M23/FBW, ml4 = M14/FBW, m34 = M34/FBW，禾口P = J1FBWω ω,V oω[0024]該結構的散射參量為[0025]Ki=I-^ra1 KJ=^k;,η=2，3，4cIecIe[0026]其中[Zt代表歸一化阻抗矩陣的逆矩陣中的第i行、第j列。通過計算機編程計算散射參量，可以發現此種結構不僅具有混合環的功能，同時集成了帶通濾波器的功能。[0027]實施例2 如圖4、圖5、圖6所示，一種基片集成波導小型化帶通混合環包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層1、介質層4、第二金屬覆銅層2、第二介質層5、第三金屬覆銅層3，為了形成本實用新型的混合環，通過印製電路板製造工藝對第一金屬覆銅層1、第二金屬覆銅層2、第三金屬覆銅層3進行加工形成所需的金屬圖案(電路結構)，該圖案中各部分之間通過虛擬的虛線進行劃分，對介質層4、第二介質層5打孔並對孔做表面金屬化處理形成金屬化通孔6，所述第一金屬覆銅層1包括基片集成波導上表區域11、位於基片集成波導上表區域11兩側並與之連接的兩路微帶線12、位於基片集成波導上表區域11內部的微帶線12兩側的四組耦合槽13、位於基片集成波導上表區域11上的兩排橫向、三排縱向的金屬化通孔6，所述金屬化通孔6貫穿了基片集成波導上表區域11、介質層4、第二金屬覆銅層2、第二介質層5與第三金屬覆銅層連接，形成諧振腔一 71、諧振腔二 72、諧振腔三73、諧振腔四74，所述第二金屬覆銅層2包括對應於諧振腔一 71中心處的耦合圓21、對應於諧振腔四74位置內靠近金屬化通孔6的兩根鏡像對稱的正耦槽22，所述耦合圓21的大小決定了諧振腔一71、諧振腔二72之間的電耦合係數的大小，所述正耦槽22的位置和尺寸決定了諧振腔三73、諧振腔四74之間的磁耦合係數的大小，所述第三金屬覆銅層3包括基片集成波導下表區域31、位於基片集成波導下表區域31兩側並與之連接的兩路第三層微帶線 32、位於基片集成波導下表區域31內部的第三層微帶線32兩側的四組第三層耦合槽33，所述諧振腔一 71和諧振腔二 72大小相同，所述諧振腔三73和諧振腔四74大小相同，所述諧振腔一 71比諧振腔三73大，所述金屬化通孔6在微帶線12和耦合槽13處中斷，形成饋電窗口，在第三層微帶線32和第三層耦合槽33處中斷，形成饋電窗口，饋電窗口和耦合槽13 的尺寸決定了諧振腔一 71、諧振腔四74的外部品質因數的大小，饋電窗口和第三層耦合槽 33的尺寸決定了諧振腔二 72、諧振腔三73的外部品質因數的大小，所述諧振腔一 71與諧振腔四74、諧振腔二 72與諧振腔三73之間的交界區域處的金屬化通孔6中斷，形成連續耦合窗口，連續耦合窗口的大小決定了諧振腔一 71與諧振腔四74、諧振腔二 72與諧振腔三 73之間的磁耦合係數的大小。[0028]本實用新型的基片集成波導小型化帶通混合環基於耦合諧振腔原理，採用四個諧振腔結構緊湊布局，並利用五層結構進一步縮小電路面積；根據設計指標的要求，可確定所需的外部品質因數、磁耦合係數、電耦合係數，並通過相應的電路結構尺寸來實現；上述結構的定向耦合器可通過微帶線12從諧振腔一 71引出埠 b、通過微帶線12從諧振腔四 74引出埠 a、通過第三層微帶線32從諧振腔二 72引出埠 C、通過第三層微帶線32從諧振腔三73引出埠 d。作為設計實例，一個基片集成波導小型化帶通混合環在中心頻率 7. 75GHz處設計、加工並測試，帶寬250MHz。選用的介質基片介電常數為3. 5，厚度0. 5mm, 損耗角正切為0. 0018。選定金屬化通孔的直徑為0. 8mm,間距為1. 5mm。埠 a饋電，埠 b、埠 d等幅同相輸出；埠 c饋電，埠 b、埠 d等幅反相輸出；埠 a和埠 c始終保持良好隔離。測試結果表明，在7. 74GHz 7. 89GHz的範圍內，回波損耗均優於15dB，隔離度優於30dB，平均插入損耗1. 5dB，幅度不均衡度小於0. 56dB，相位誤差小於5°，同時具有較好的帶外抑制。[0029]現有的基片集成波導混合環的設計原理與經典混合環的設計原理一致，均通過輸入埠和輸出埠之間的不同路徑長度來實現相位疊加或相位抵消，實現等幅同相或等幅反向輸出，因此一個輸入埠與兩個輸出埠之間的距離均為四分之三波導波長，另一個輸入埠與兩個輸出埠之間的距離分別為四分之三和四分之五波導波長，此時，整個混合環的長度需要達到3. 5倍波導波長，所包圍的電路面積超過二分之一平方波導波長，且環中心有一塊空白圓形區域無法使用；而本實施例的基片集成波導小型化帶通混合環採用了完全不同的設計原理，即耦合諧振腔原理，所佔電路面積小於八分之一平方波導波長，在實現結構小型化的同時，集成帶通濾波器的功能；本實施例採用四個諧振腔結構層疊緊湊布局，諧振腔一 71與諧振腔二 72之間的耦合係數為M12，諧振腔二 72與諧振腔三73之間的耦合係數為M23、諧振腔一 71與諧振腔四74之間的耦合係數為M14，諧振腔三73與諧振腔四74之間的耦合係數為M34，假定諧振腔一 71、諧振腔二 72、諧振腔三73、諧振腔四74 的外部品質因數為Qe，基片集成波導小型化帶通混合環所需的相對工作帶寬為FBW，歸一化品質因數為qe = QeXFBW，則歸一化阻抗矩陣可由下式求出[0030]
權利要求1.一種基片集成波導小型化帶通混合環，其特徵在於，包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層、介質層、第二金屬覆銅層，所述第一金屬覆銅層包括基片集成波導上表區域、 位於基片集成波導上表區域兩側並與之連接的四路微帶線、位於基片集成波導上表區域內部的微帶線兩側的八組耦合槽、位於基片集成波導上表區域內部的S形上槽，位於基片集成波導上表區域上的三排橫向、三排縱向的金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿了基片集成波導上表區域和介質層與第二金屬覆銅層連接，形成諧振腔一、諧振腔二、諧振腔三和諧振腔四；所述第二金屬覆銅層包括位於第二金屬覆銅層內部的S形下槽，所述諧振腔一和諧振腔二大小相同，所述諧振腔三和諧振腔四大小相同，所述諧振腔一比諧振腔三大，所述金屬化通孔在微帶線和耦合槽處中斷，形成饋電窗口，所述諧振腔一與諧振腔二、諧振腔二與諧振腔三、諧振腔一與諧振腔四之間的交界區域處的金屬化通孔中斷，形成連續耦合窗口， 所述諧振腔三與諧振腔四之間的交界區域處的金屬化通孔中斷，形成三組的離散耦合窗口，所述S形上槽從第一組離散耦合窗口的中心線開始，以S形穿越中間的第二組離散耦合窗口，止於第三組離散耦合窗口的中心線，所述S形下槽從第一組離散耦合窗口的中心線開始，以S形穿越中間的第二組離散耦合窗口，止於第三組離散耦合窗口的中心線，所述S 形下槽的走向與S形上槽的走向關於離散耦合窗口的中心線鏡像對稱。
2.一種基片集成波導小型化帶通混合環，其特徵在於，包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層、介質層、第二金屬覆銅層、第二介質層、第三金屬覆銅層，所述第一金屬覆銅層包括基片集成波導上表區域、位於基片集成波導上表區域兩側並與之連接的兩路微帶線、 位於基片集成波導上表區域內部的微帶線兩側的四組耦合槽、位於基片集成波導上表區域上的兩排橫向、三排縱向的金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿了基片集成波導上表區域、介質層、第二金屬覆銅層、第二介質層與第三金屬覆銅層連接，形成諧振腔一、諧振腔二、諧振腔三和諧振腔四；所述第二金屬覆銅層包括對應於諧振腔一中心處的耦合圓、對應於諧振腔四位置內靠近金屬化通孔的兩根鏡像對稱的正耦槽；所述第三金屬覆銅層包括基片集成波導下表區域、位於基片集成波導下表區域兩側並與之連接的兩路第三層微帶線、位於基片集成波導下表區域內部的第三層微帶線兩側的四組第三層耦合槽，所述諧振腔一和諧振腔二大小相同，所述諧振腔三和諧振腔四大小相同，所述諧振腔一比諧振腔三大，所述金屬化通孔在微帶線和耦合槽處中斷，形成饋電窗口，在第三層微帶線和第三層耦合槽處中斷， 形成饋電窗口，所述諧振腔一與諧振腔四、諧振腔三與諧振腔二之間的交界區域處的金屬化通孔中斷，形成連續耦合窗口。
專利摘要本實用新型涉及基片集成波導小型化帶通混合環。包括從上往下依次層疊的第一金屬覆銅層、介質層、第二金屬覆銅層，所述第一金屬覆銅層包括基片集成波導上表區域、位於基片集成波導上表區域兩側並與之連接的四路微帶線、位於基片集成波導上表區域內部的微帶線兩側的八組耦合槽、位於基片集成波導上表區域內部的S形上槽，位於基片集成波導上表區域上的三排橫向、三排縱向的金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿了基片集成波導上表區域和介質層與第二金屬覆銅層連接，形成諧振腔一、諧振腔二、諧振腔三和諧振腔四。本實用新型的有益效果避免了現有的混合環內部空間浪費的問題，可大大縮小傳統混合環電路面積。
文檔編號H01P5/12GK202275910SQ201120411189
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月25日 優先權日2011年10月25日
發明者樊勇, 程鈺間 申請人:電子科技大學