多层微带结构超宽带3dB电桥的制作方法

本发明属于微波器件技术领域，特别涉及多层微带结构，具体是一种多层微带结构的超宽带3db电桥，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术：

随着无线通信技术的飞速发展，卫星通讯、wlan等新型通信方式对无线通信系统提出了日益严苛的要求，人们希望获得更多的频谱资源，来提高数据的传输速率，无线通信设备及其电子器件不断向着小型化、宽频带方向发展。在这种背景之下，超宽带技术(uwb)日益成为研究热点，具有系统结构简单、生产成本低、抗干扰性能优良、功率损耗小、数据传输速率高和安全性能好等优点。

定向耦合器广泛用于射频系统中，特别是3db定向耦合器更是一种不可或缺的电子元件，大量地应用于无线通信系统的射频前端。3db定向耦合器又称为3db电桥，作为微波电路中非常重要的元件，其用途十分广泛，可以作为功率分配器和功率合成器，利用其输出端功率相等，相位差90°的特性，可以应用于圆极化天线、平衡放大器、平衡混频器和镜像抑制混频器等。

随着无线通信事业的飞速发展，3db电桥的小型化技术越来越受到研究者和应用者的重视，微波电子技术和芯片工艺的发展对微波电路的集成化和小型化提出了更加严格的要求。现代通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化和通用化。定向耦合器作为辐射和接收电磁波的基础部件，是无线通信系统的重要组成部分，与通信技术的发展相适应，超宽带小型化的3db电桥的研究与应用也日益活跃起来。

近年来，小型化和超宽带的3db电桥引起研究者和应用者的广泛兴趣。1990年，j.l.b.walker.在ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques期刊(1990,jan,vol.38,no.1.p:88-90.)上发表了“analysisanddesignofkemp-type3dbquadraturecouplers”，论文中采用kemp的方法实现了3节、5节、7节正交等波纹3db耦合器进行设计，克服了紧耦合的问题，但存在较严峻的带宽限制。2004年，ghalih.和t.a.moselhy等人在ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques期刊(2004,52(11):2513-2520.)上发表了“miniaturizedfractalrat-race,branch-lineandcoupled-linehybrids”，采用了空间填充曲线式的耦合线来实现一系列的小型化耦合器，但结构较为复杂,带宽也不够宽。

现有的3db电桥多采用传统的带状线结构，不仅成本较高，而且也不能很好地满足微波器件日益严格的小型化要求。目前应用于无线通信系统和航空航天领域的射频前端的微波器件越来越朝着小型化和轻薄化方向发展，因此，小型化已经成为衡量微波器件性能的一个重要指标。传统结构的3db电桥仍然存在体积较大，不够轻薄，而且端口之间的隔离度较低、回波损耗较大的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述已有技术的不足，提出一种多层微带结构的超宽带3db电桥。

本发明是一种多层微带结构的超宽带3db电桥，包括微带介质基板及分布在其上的输入端口、直通端口、隔离端口、耦合端口和两根传输线，每根传输线由3节耦合线构成，这3节耦合线关于中心连线的中点对称，3节耦合线依次相连，其特征在于，所述微带介质基板为三层结构，该三层结构紧密地压在一起，布线刻蚀在中间层介质基板的上下表面，第一根传输线分别与输入端口和直通端口相连接，刻蚀在中间层介质基板的上表面；第二根传输线分别与耦合端口和隔离端口相连接，刻蚀在中间层介质基板的下表面；两根传输线关于介质板的横向和纵向中心线均对称，其中第一节和第三节耦合线具有相同的电路参数和物理参数，为松耦合的结构，第二节耦合线为紧耦合的结构。

本发明相比传统的带状线耦合器，体积轻薄、成本低、便于集成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用三层微带介质基板，紧密压在一起构成了封闭的腔体，所设计的3db电桥的腔体高度为4.254mm，与传统的带状线结构的3db电桥相比，腔体的高度大大减小，实现了3db电桥体积的小型化和轻薄化，加工成本更低，更加便于集成；

2.本发明在传输线的每两节相邻的耦合线之间添加过渡带，减小了相邻耦合线间因宽度不同的不连续性造成的影响，有效地降低了能量传输过程中这些不连续性所引起的能量的反射，改善了3db电桥的驻波，提高了端口间隔离度，在第一节耦合线的尾部和第三节耦合线的首部外侧均设有补偿枝节，该补偿枝节相当于一个并联电容，起到了阻抗匹配的作用，从而改善了3db电桥的方向性；

3.本发明通过在上下两层金属接地板之间添加金属过孔，起到了电磁屏蔽的作用，避免了腔体的能量泄露，极大地降低了辐射损耗。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1的正面结构图；

图3为图1的侧面结构图；

图4为本发明实施例5的传输参数s21和s41曲线图；

图5为本发明实施例5的隔离参数s24、s31和回波损耗s11曲线图；

图6为本发明实施例5的电压驻波比vswr曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明：

实施例1

3db电桥作为一种特殊的定向耦合器，能实现3db耦合，其两个输出端口信号幅度相等。3db电桥又称同频合路器，能将一个输入信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号，可以作为功分器和功率合成器，广泛应用在移动通信的基站、直放站、室内分布系统中的信号合路、分路以及功率合成中，是微波系统中常用的无源器件。

目前应用于无线通信系统射频前端的微波器件越来越朝着小型化和轻薄化方向发展，小型化已经成为衡量微波器件性能的一个重要指标。由于传统的3db电桥多采用带状线结构，不仅体积较大，成本较高，不够轻薄，无法满足微波器件对体积日益严格的小型化要求，而且存在端口之间的隔离度较低、回波损耗较大、端口阻抗匹配较差的问题。

针对这些问题，本发明展开了探讨与实践，提出一种多层微带结构的超宽带3db电桥。本发明包括微带介质基板及分布在基板上的输入端口4、直通端口5、隔离端口6、耦合端口7及两根传输线，每根传输线由3节耦合线构成，3节耦合线关于中心连线的中点对称，3节耦合线依次连接成一根传输线，参见图1，本发明中微带介质基板为三层结构，该三层结构紧密地压在一起，布线刻蚀在中间层介质基板2的上下表面，第一根传输线8分别与输入端口4和直通端口5相连接，刻蚀在中间层介质基板2的上表面；参见图1，第二根传输线9分别与耦合端口7和隔离端口6相连接，刻蚀在中间层介质基板2的下表面；两根传输线关于介质基板的横向和纵向中心线均对称，3节耦合线中的第一节耦合线81和第三节耦合线83具有相同的电路参数和物理参数，且用于弱耦合的实现，为松耦合的结构形式，第二节耦合线82用于强耦合的实现，为紧耦合的结构形式。

本发明通过把三层微带介质基板紧密地压在一起，构成了一个封闭的腔体，只在中间层介质基板上布线，而不是采用传统带状线的结构，所设计的3db电桥的腔体高度小于5mm，与传统的3db电桥相比，腔体的高度大大减小，电桥体积满足了小型化和轻薄化的性能，加工成本更低，更加便于集成。

实施例2

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1，本发明中3节耦合线依次通过过渡带812相连，过渡带首尾的宽度分别与它所连接的两节耦合线的尾首的宽度相同，以过渡带812为例，812首部的宽度与第一节耦合线81的宽度相同，812尾部的宽度与第二节耦合线82的宽度相同；在第一节耦合线81的尾部和第三节耦合线83的首部外侧均设有补偿枝节811。同理，传输线9采用与传输线8相同的结构。

本发明在传输线的每两节相邻的耦合线之间添加过渡带，减小了相邻耦合线间由于宽度不同的不连续性造成的影响，有效地降低了能量传输过程中这些不连续性所引起的能量的反射，改善了3db电桥的驻波，提高了端口间隔离度；在第一节耦合线的尾部和第三节耦合线的首部外侧均设有补偿枝节，该补偿枝节相当于一个并联电容，起到了阻抗匹配的作用，有效改善了3db电桥的方向性；

实施例3

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1-2，上层介质基板1的上表面和下层介质基板3的下表面均设为覆铜的金属接地面，分别为上表面的金属接地面10和下表面的金属接地面11，参见图1，中间层介质基板2的上下表面的边缘处对称地设有金属条带12，金属条带12上设有金属过孔13，金属过孔13通过三层介质基板并且与上下层金属接地面相连通。

本发明通过在上下两层金属接地板之间添加金属过孔，起到了电磁屏蔽的作用，避免了腔体的能量泄露，极大地降低了辐射损耗。

下面给出一个具体和详尽的例子对本发明进一步说明：

实施例4

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1-3，参照图1、图2和图3，本发明主要由三层微带介质基板构成，包括上下两层厚度相同的介质基板1、3，和中间一层较薄的介质基板2，输入端口4，直通端口5，隔离端口6和耦合端口7，两条耦合传输线8和9、上下两个金属接地板10和11，中间层介质基板上的金属条带12以及排布在金属条带上的金属过孔13。

参见图3，本例中微带介质基板1，采用介电常数εr为2.2，厚度h1为2.5mm，介质基板上表面为覆铜的金属接地面11；

本例中微带介质基板2，采用介电常数εr为2.2，厚度h2为0.254mm，介质基板上下表面布线；

本例中微带介质基板3，采用介电常数εr为2.2，厚度h1为2.5mm，介质基板下表面为覆铜的金属接地面10；

参见图1，本例中第一根传输线8分别与输入端口4和直通端口5相连接，刻蚀在中间层介质基板2的上表面；第二根传输线9分别与耦合端口7和隔离端口6相连接，刻蚀在中间层介质基板2的下表面。两条耦合传输线8和9的物理参数完全相同，并且关于中间层介质基板2中心对称放置，即传输线8由两节对称的耦合线81和83、一节中心耦合线82以及两条对称的过渡带812和过渡带边缘的两个补偿枝节811构成；与之相同，传输线9也采用相同的结构。第一节耦合线81和第三节耦合线83具有相同的电路参数和物理参数，其偶模特性阻抗z1e＝z3e＝58.5675，奇模特性阻抗z1o＝z3o＝42.6858，耦合度c1＝1.64，且用于弱耦合的实现，采用松耦合的结构形式；第二节耦合线82用于强耦合的实现，其偶模特性阻抗z2e＝162.992，奇模特性阻抗z2o＝15.3382，耦合度c2＝16.09，采用紧耦合的结构形式。其中第一节耦合线81和第三节耦合线83长l1＝28.7mm，宽w1＝4.14mm，两条耦合线间存在偏置off＝5.35mm，第二节耦合线82长l2＝21.46mm，宽为w2＝1.7mm，两条耦合线间偏置为0mm。每两条耦合线间的过渡带812长为l3＝11mm，添加过渡带可以避免能量传输过程中的不连续性所引起的反射，避免了驻波和隔离度的严重恶化。过渡带边缘的耦合线衔接处附近添加补偿枝节811，该补偿枝节相当于一个并联电容，会起到匹配的作用，从而改善方向性和提高隔离度，补偿枝节尺寸为q＝2mm，p＝2mm。

耦合线与端口引线相连接处有一直角拐角，对该直角拐角的内角和外角进行削角处理，内角削角的距离n＝1mm，外角削角的距离m＝3.5mm。四条端口引线采用50欧姆的阻抗，引线长l0＝15mm，宽w0＝4.29mm。

中间层介质基板2上下表面的四边的边缘为四条金属条带12，在每条金属条带上面分布有一排金属过孔13，并且与上下层介质基板的金属接地面10和11连通，作为电磁屏蔽的电壁来减少辐射损耗，防止能量泄露。

该实施例所实现的3db电桥体积的尺寸为：长度为133.44mm，宽度为31mm，高度为5.254mm。

本发明在设计3db电桥时，摒弃了传统的带状线结构，采用了一种多层微带结构，满足了小型化和超宽带的要求。

实施例5

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1-3，参照图1、图2和图3，本发明主要由三层微带介质基板构成，包括上下两层厚度相同的介质基板1、3，和中间一层较薄的介质基板2，输入端口4，直通端口5，隔离端口6和耦合端口7，两条耦合传输线8和9、上下两个金属接地板10和11，中间层介质基板上的金属条带12以及排布在金属条带上的金属过孔13。

参见图3，本例中微带介质基板1，采用介电常数εr为2.2，厚度h1为2mm，介质基板上表面为覆铜的金属接地面11；

本例中微带介质基板2，采用介电常数εr为2.2，厚度h2为0.254mm，介质基板上下表面布线；

本例中微带介质基板3，采用介电常数εr为2.2，厚度h1为2mm，介质基板下表面为覆铜的金属接地面10；

参见图1，本例中第一根传输线8分别与输入端口4和直通端口5相连接，刻蚀在中间层介质基板2的上表面；第二根传输线9分别与耦合端口7和隔离端口6相连接，刻蚀在中间层介质基板2的下表面。两条耦合传输线8和9的物理参数完全相同，并且关于中间层介质基板2中心对称放置，即传输线8由两节对称的耦合线81和83、一节中心耦合线82以及两条对称的过渡带812和过渡带边缘的两个补偿枝节811构成；与之相同，传输线9也采用相同的结构。第一节耦合线81和第三节耦合线83具有相同的电路参数和物理参数，其偶模特性阻抗z1e＝z3e＝58.5675，奇模特性阻抗z1o＝z3o＝42.6858，耦合度c1＝1.64，且用于弱耦合的实现，采用松耦合的结构形式；第二节耦合线82用于强耦合的实现，其偶模特性阻抗z2e＝162.992，奇模特性阻抗z2o＝15.3382，耦合度c2＝16.09，采用紧耦合的结构形式。其中第一节耦合线81和第三节耦合线83长l1＝23.5mm，宽w1＝3.6mm，两条耦合线间存在偏置off＝5.3mm，第二节耦合线82长l2＝23mm，宽为w2＝1.65mm，两条耦合线间偏置为0mm。每两条耦合线间的过渡带812长为l3＝9mm，添加过渡带可以避免能量传输过程中的不连续性所引起的反射，避免了驻波和隔离度的严重恶化。过渡带边缘的耦合线衔接处附近添加补偿枝节811，该补偿枝节相当于一个并联电容，会起到匹配的作用，从而改善方向性和提高隔离度，补偿枝节尺寸为q＝2.5mm，p＝2.5mm。

耦合线与端口引线相连接处有一直角拐角，对该直角拐角的内角和外角进行削角处理，内角削角的距离n＝1mm，外角削角的距离m＝3.5mm。四条端口引线采用50欧姆的阻抗，引线长l0＝15mm，宽w0＝3.47mm。

中间层介质基板2上下表面的四边的边缘为四条金属条带12，在每条金属条带上面分布有一排金属过孔13，并且与上下层介质基板的金属接地面10和11连通，作为电磁屏蔽的电壁来减少辐射损耗，防止能量泄露。

该实施例所实现的3db电桥体积的尺寸为：长度为118.94mm，宽度为31mm，高度为4.254mm，相比实施例4，长度更短，高度更小，体积更加轻薄。

下面通过仿真结果对本发明的技术效果再作说明：

实施例6

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1-5，

仿真条件：800～2500mhz

仿真内容：传输参数s21和s41

仿真1，对本发明多层微带结构的超宽带3db电桥的传输特性进行仿真，结果如图4，其中，s21(db)曲线代表本发明输入端口4到直通端口5之间的传输特性；曲线s41(db)代表了本发明输入端口4到耦合端口5之间的传输特性。

由图4可见，本发明多层微带结构的超宽带3db电桥的传输特性曲线s21和s41在800～2500mhz间为3db左右，带内波动很小，带内波动为±0.5db，属于允许波动范围，整体处于稳定工作状态。

实施例7

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1-5，仿真条件同实施例6，

仿真内容：回波损耗s11、端口间的隔离参数s24和s31

仿真2，对本发明多层微带结构的超宽带3db电桥的反射特性与隔离特性进行仿真，结果如图5，其中s11(db)曲线代表输入端口4的反射特性，s24(db)表示直通端口5和耦合端口7之间的隔离度特性曲线，s31(db)表示隔离端口6和输入端口4之间的隔离特性曲线。

由图5可知，在800～2500mhz频率范围内，本发明多层微带结构的超宽带3db电桥的反射特性曲线s11大于25db，说明输入端口反射的能量很少；直通端口和耦合端口之间隔离度s24大于25db，隔离端口和输入端口之间的隔离度s31大于25db，说明端口间的隔离良好。

实施例8

多层微带结构的超宽带3db电桥的结构和总体构成同实施例1-5，仿真条件同实施例5，

仿真内容：电压驻波比vswr

仿真3，对本发明多层微带结构的超宽带3db电桥的电压驻波比vswr进行仿真，结果如图6所示。

由图6可知，在800～2500mhz频率范围内，本发明多层微带结构的超宽带3db电桥的电压驻波比vswr小于1.11，表明该系统反射的能量很少，阻抗匹配较好。

综上所述，本发明公开的一种多层微带结构超宽带3db电桥，主要解决传统金属电桥体积大、不易集成，微带电桥插损大、端口隔离度差等问题，其包括紧密压在一起的三层微带介质基板、输入端口、直通端口、隔离端口、耦合端口，和分别刻蚀在中间层介质基板上下表面的两根传输线。每根传输线中的3节耦合线依次通过过渡带相连，第一节耦合线的尾部和第三节耦合线的首部外侧均设有补偿枝节。上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面均为覆铜的金属接地面，中间层介质基板的上下表面的边缘处对称地设有金属条带，金属化过孔位于金属条带上，并且与上下层介质基板的金属接地面连通。本发明采用多层微带结构，有效地减小了3db电桥的体积和重量，实现了轻薄化和集成化；此外，在上下两层金属接地板之间添加金属过孔，起到了电磁屏蔽作用，减少了辐射损耗。作为微波电路的基础元件，本发明应用于通信系统射频前端。