基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器的制作方法

本发明涉及混合电磁耦合双工器技术领域，具体是一种基于半模基片集成波导(HMSIW)的混合电磁耦合双工器。

背景技术：

无线通信是信息传播的载体，电磁波作为信息在空间中传输的媒介，其出现使得人们摆脱了导线的限制，是人类社会史上的一次重大的飞跃。随着生产力水平的不断提高，人类对通信系统的技术要求也与日俱增。双工器是在滤波器的基础上发展起来的，简单地说双工器就是一种专门为解决收发共用一副天线时设计的一种无源微波器件。

双工器一般分为两种类型：收发开关和频段双工器。收发开关主要用于时分复用的雷达系统中，在发射脉冲时天线接通发射机，断开接收机；发射脉冲完成后，天线接通接收机，断开发射机。频段双工器是将不同频段的信号借助同一副天线分别进行发射和接收，它在雷达和通信技术中可以提高可靠性，对提高抗干扰性和保密程度来说，作用更加突出，因此频段双工器拥有更为广泛的应用范围，可用于微波中继通信、卫星通信、微波测量等。但是，现有双工器普遍存在阻带谐波抑制能力差，尺寸大、集成度低的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成度高、体积小、隔离度高、结构简单、便于实现的用于隔离收发信号的双工器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器，包括介质基板，设置于介质基板下表面的金属接地层，设置于介质基板上表面的上金属层，该上金属层包括第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口为输入端口，第二端口为低频段分支滤波器输出端口，第三端口为高频段分支滤波器输出端口；

所述介质基板的上金属层设置低通带滤波器和高通带滤波器，且二者并联形成混合电磁耦合双工器；所述上金属层设置由第一开路枝节线和第二开路枝节线加载而成的半模基片集成波导结构，低通带滤波器包括一个半模结构连接一对对称的第一开路枝节线，高通带滤波器包括一个半模结构连接一对对称的第二开路枝节线，每一对开路枝节线的末端均为平行的开路耦合线，该第一开路枝节线和第二开路枝节线共用一个对称轴，且该对称轴平行于开路耦合线；低通带滤波器和高通带滤波器之间设置一列金属化通孔，该列金属化通孔等间距分布且贯穿介质基板。

进一步地，所述第一开路枝节线和第二开路枝节线的长度不同，第一开路枝节线对应低通带滤波器中心频率处的1/4波长，第二开路枝节线对应高通带滤波器中心频率处的1/4波长，所述第一开路枝节线和第二开路枝节线分别控制低通带滤波器和高通带滤波器的中心频率。

进一步地，所述半模基片集成波导结构中第一开路枝节线和第二开路枝节线的结构能够调节：通过改变第一开路枝节线和第二开路枝节线的长度和宽度，来改变低通带滤波器、高通带滤波器的中心频率；通过改变第一开路枝节线和第二开路枝节线长度以及开路耦合线之间的间距来改变低通带滤波器、高通带滤波器的电耦合强度。

进一步地，所述第一输入馈线、第二输入馈线、第一输出馈线和第二输出馈线均为50欧姆微带线；金属化通孔的直径d为0.6mm，金属化通孔的孔间距p为1mm。

进一步地，所述第一输入馈线的长度对应高通带分支滤波器中心频率处的1/4波长；第二输入馈线的长度对应高通带分支滤波器中心频率处的1/4波长。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)利用半模结构的基片集成波导加开路枝节耦合线的结构，有效地减少了双工器的体积；(2)采用开路枝节平行耦合线，通过调节耦合线的长度和平行耦合线之间的距离来调节电耦合，调节HMSIW的长、宽调节磁耦合，改变混合耦合改变零点的位置抑制谐波提高了双工器的隔离度；(3)采用新颖的结构使得该发明的插入损耗小，回波损耗由于-20dB，且具有优良的选择性。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1是基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器的上层结构图。

图2是基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器的立体示意图。

图3是基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器的1.5～3.5GHz频率响应特性曲线图。

图4是基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器的1～7GHz频率响应特性曲线图。

具体实施方式

结合图1～2，本发明基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器，包括介质基板1，设置于介质基板1下表面的金属接地层2，设置于介质基板1上表面的上金属层，该上金属层包括第一端口3、第二端口6和第三端口7，其中第一端口3为输入端口，第二端口6为低频段分支滤波器输出端口，第三端口7为高频段分支滤波器输出端口；

所述介质基板1的上金属层设置低通带滤波器a和高通带滤波器b，且二者并联形成混合电磁耦合双工器；所述上金属层设置由第一开路枝节线5和第二开路枝节线9加载而成的半模基片集成波导结构，低通带滤波器a包括一个半模结构连接一对对称的第一开路枝节线5，高通带滤波器b包括一个半模结构连接一对对称的第二开路枝节线9，每一对开路枝节线的末端均为平行的开路耦合线，该第一开路枝节线5和第二开路枝节线9共用一个对称轴，且该对称轴平行于开路耦合线；低通带滤波器a和高通带滤波器b之间设置一列金属化通孔8，该列金属化通孔8等间距分布且贯穿介质基板1。

进一步地，所述第一开路枝节线5和第二开路枝节线9的长度不同，第一开路枝节线5对应低通带滤波器a中心频率处的1/4波长，第二开路枝节线9对应高通带滤波器b中心频率处的1/4波长，所述第一开路枝节线5和第二开路枝节线9分别控制低通带滤波器a和高通带滤波器b的中心频率。

进一步地，所述半模基片集成波导结构中第一开路枝节线5和第二开路枝节线9的结构能够调节：通过改变第一开路枝节线5和第二开路枝节线9的长度和宽度，来改变低通带滤波器a、高通带滤波器b的中心频率；通过改变第一开路枝节线5和第二开路枝节线9长度以及开路耦合线之间的间距来改变低通带滤波器a、高通带滤波器b的电耦合强度。

进一步地，所述第一输入馈线4、第二输入馈线10、第一输出馈线6和第二输出馈线7均为50欧姆微带线；金属化通孔8的直径d为0.6mm，金属化通孔的孔间距p为1mm。

进一步地，所述第一输入馈线4的长度对应高通带分支滤波器a中心频率处的1/4波长；第二输入馈线10的长度对应高通带分支滤波器a中心频率处的1/4波长。

上述开路枝节的耦合部分调节分支滤波器的电耦合；半模基片集成波导结构的宽度与长度调节分支滤波器的磁耦合，分支带通滤波器引入了混合电磁耦合从而在高阻带得到更多的零点。同时，在每一分支滤波器前串联了一段另一分支滤波器的四分之一匹配负载传输线以提高双工器的隔离度。

综上，本发明半模基片集成波导有效地减小了每一分支滤波器的体积，从而减小双工器的整体尺寸。连接半模基片集成波导的是两条开路枝节线，两条开路枝节线的末端平行放置等效于一个新的耦合电容，产生了电耦合，与半模结构中的磁耦合相互混合，能够使分支滤波器的阻带上产生新的零点以此来提高该双工器的隔离度。

实施例1

本发明采用介质厚度为0.508mm的Rogers RT5880板材，介电常数为2.2。结合图1～2，本发明基于半模基片集成波导的混合电磁耦合双工器，由金属接地层2、介质基板1、上金属层三层组成，其中由金属化通孔8连接金属接地层2和上金属层形成一个半模结构的基片集成波导。每一分支滤波器由一个半模结构连接一对对称的开路枝节组成，这对开路枝节线的末端引进平行的开路耦合线，等效于一个电容，调节耦合线的长度以及耦合线的间距可以调节电容的大小，以此来控制分支滤波器的零点的位置，微调滤波器的谐振频率。分支滤波器的中心频率由开路枝节线的长度决定，上、下频道的分支滤波器由结构相同的单元组成。将这两个中心频率不同的分支滤波器通过一个T型结并联起来，使得上下通带的输出不相互影响，就制成如图所示的结构的双工器。

连接两个分支滤波器的是一个T型结，该T型结构采用50Ω传输线将输入信号平分为两路，分别送入两个不同通带的滤波器中。其中，低通带分支滤波器的前端串联的50Ω传输线的长度是λ₂/4(λ₁是指低频带分支滤波器的中心频率对应的导波波长，λ₂是指高频带分支滤波器的中心频率对应的导波波长)；同理，高通带分支滤波器的前端串联的50Ω传输线的长度是λ₁/4。这样设计的是原理是导波经过λ/4后由短路变为开路，如此设计可以进一步提高隔离度。

结合图3、4，可看出本设计的通带分别2.35～2.46GHz和2.82～3.00GHz，选用Rogers RT 5880为介质，介电常数为2.2。介质厚度为0.508mm。通带内的插入损耗低于2dB，回波损耗优于-20dB，尺寸仅为30.5mm*34mm。隔离度大于-25dB。如图1调节双模谐振器的开路枝节的l₃长度可以改变滤波器的中心频率，(l₁+l₂+l₃)的长度决定了滤波器的中心频率，因为若改变的长度即改变了耦合线的长度，即改变了滤波器的电耦合，会改变滤波器的带宽以及零点的位置等，所以在单纯改变滤波器的中心频率只要调节l₁的长度，使其中心频率移动到低通带滤波器的阻带上。通过调节l₃的长度和间距S可以调节该分支滤波器的电耦合，然后，对平行耦合线的长度和间距进行微调,设计完成如图所示的中频率为2.41GHz、2.91GHz的带通滤波器。本实施例的具体参数如下：l₁＝12.5mm,l₂＝3.275mm,l₃＝6.1,s₁＝0.65mm,l₁’＝10.5mm,l₂’＝0.3375mm,l₃’＝4mm,s₂＝0.45mm,w＝8.8mm,a₁＝a₂＝3.2mm。

本实例使用ANSYS公司的全波电磁仿真软件HFSS进行仿真，频率响应曲线如图3、4所示，通带分别2.35～2.46GHz和2.82～3.00GHz，通带内的插入损耗低于2dB，回波损耗优于-20dB，尺寸仅为30.5mm*34mm。隔离度大于-25dB。满足设计指标，符合实际应用要求。本发明

引入了电磁混合耦合引入新的零点，增加了双工器的隔离度，同时引入半模基片集成波导结构，减小了双工器的尺寸，并且更加便于生产和制造。