一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器

1.本发明属于电气领域，涉及一种无源射频器件，具体是一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器。


背景技术：

2.近年来，人们对无线通信需求的与日俱增，不断推进着通信技术的发展，随着无线通信设备的普及，低频的频谱资源日益紧张，拥挤的频谱已经无法满足未来移动通信系统高速率、大容量和低延时的要求。
3.随着5g移动通信系统的发展，整个移动通信行业都开始探索全新的频段，对于高频频段，特别是毫米波频段的研究愈发受到科研人员和专家学者的关注。射频器件作为无线通信系统中重要组成部分，为了满足现代通信系统复杂而多样的需求，多端口射频器件需要能够工作于多个频段或者覆盖更宽的频带范围，同时，器件的小型化、易封装集成以及多功能化也是热门的研究内容。
4.耦合器对信号和功率进行分配、合成及隔离，在射频系统前端中扮演着重要的角色。混合环耦合器(hybrid ring coupler)，又称鼠竞耦合器(rat
‑
race coupler)，简称混合环。它能将微波信号按照一定的功率比例同向或者反向输出，也可将两路信号合成为和信号或差信号；同时，还具有与平衡负载无关的良好隔离度而广泛应用于混频器、调制解调器和高隔离功分器等部件。此外，混合环还具有较为平坦的相位响应。正因为这些优点，混合环长期以来受到国内外研究学者们的重视。
5.传统的混合环耦合器由三条λ/4分支线和一条3λ/4分支线构成，具有设计简单、输入端口隔离度高等优点，但是缺点也十分明显，由于采用了270
°
传输线，带宽相对较窄，占用面积较大，其在宽带系统中的应用受到了限制。
6.近些年来，研究人员和专家学者针对混合环耦合器的小型化和改善带宽做出了许多研究。传统的波导结构如微带线结构、带状线结构或矩形波导结构由于存在着辐射损耗、表面波、插入损耗、加工成本高和容易产生模式转换损耗等问题，已经不能满足高频电路设计要求，因此研究学者们将目光投向了能应与于毫米波频段的间隙波导结构。三层封装型集成基片间隙波导结构采用全介质层，相比金属型间隙波导易加工，成本低，其中传输线可以随意走线，设计起来十分灵活，方便设计不同类型的射频器件。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明提出了一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器，采用两段式混合环耦合器结构，极大的拓宽了耦合器的工作带宽，同时通过三层封装型集成基片间隙波导的方式实现了此混合环耦合器，可以很容易的将工作频带提高至毫米波频段；满足了未来射频通信系统的需求，具有重要的实际意义和应用价值。
8.所述毫米波混合环耦合器构建在三层介质中，最底层为pmc层，该层下表面涂了一层金属铜，通过在将pmc层上周期排列若干金属过孔，各金属过孔整体穿过pmc层，上边紧顶
圆形金属贴片，下边与金属铜相连，组成蘑菇型ebg阵列；结构尺寸完全相同。
9.蘑菇型ebg阵列的上方为一层介质板作为中间层；中间层的上方为一层介质板作为间隙层；间隙层的下表面印刷有混合环耦合微带线，通过中间层的介质板将该混合环耦合微带线与圆形金属贴片隔开；间隙层的上表面涂了一层金属铜，用于屏蔽电磁波，实现自封装。
10.所述混合环耦合微带线由11节微带线构成，其中微带线1、微带线2、微带线3和微带线4为端口阻抗匹配微带线，剩下微带线5、微带线6、微带线7、微带线8、微带线9、微带线10和微带线11组成两段式混合环。
11.具体结构为：微带线1为整体电路的输入端口，与微带线1垂直设置的微带线包括：从上到下依次为：微带线2作为输出直通端口，微带线5，和微带线4作为输出耦合端口；微带线1位于微带线5的中间处；
12.微带线2同时垂直连接微带线6，微带线6同时水平连接微带线9，垂直连接微带线8；且微带线6位于微带线8和9的相连之处；微带线8的另一端垂直连接微带线7和微带线10；且位于微带线7和10的连接之处；微带线7的另一端位于微带线4和微带线5的连接之处；与微带线7水平连接的微带线10另一端同时水平连接微带线3，微带线3为隔离输出端口；且垂直连接微带线11，微带线11位于平行微带线9和微带线10的中间；同时与微带线3相连。
13.所述微带线1
‑
4均为波端口，具有相同的宽度，微带线6、7、9和10均为λ/4分支线，具有相同的长度；其中微带线6和7平行且尺寸完全相同，微带线9和10平行且尺寸完全相同，微带线5、8和11平行，且均为λ/2分支线，具有相同的长度。
14.所述的毫米波环形耦合器的工作过程为：
15.当输入端口1被激励时，由于间隙层上方的铜层，以及下方蘑菇型ebg阵列的封装，导致准tem模式波沿着微带线1在间隙层中传播，经过微带线5，均分为两路，在微带线2处的输出直通端口和微带线4的输出耦合端口信号功率等分，相位相同；沿着微带线6和微带线7传输的波经过微带线8，电磁场相互抵消；所以微带线3的隔离输出端口被隔离。
16.当隔离输出端口3被激励时，同理，由于封装，导致准tem模式波沿着微带线3在间隙层中传播，经过微带线11传到微带线9，与同时在微带线10中传输的波在微带线8处，电磁场相互抵消；沿着微带线6和7的波分别到达微带线2的输出直通端口和微带线4的输出耦合端口信号功率等分，相位相差180
°
，经微带线5电磁场相互抵消，所以在微带线1处的输入端口1隔离。
17.当作为功率合成器使用时，微带线2的输出直通端口和微带线4的输出耦合端口被同时激励，同理，由于封装，导致准tem模式波沿着微带线2和4在间隙层中传播，经过微带线5，在微带线1的端口形成输入信号的和，沿着微带线6和7的波经过微带线8，电磁场相互抵消；微带线3的隔离输出端口形成输入信号的差。
18.本发明通过三节λ/2分支微带线5、8和11，以及四节λ/4分支微带线6、7、9和10构成两段式混合环结构，增强带宽到50％；采用三层介质板结构中，间隙层上表面的金属铜，以及中间层介质板下方的蘑菇型ebg阵列，使得准tem模式波只能在间隙层传播，形成基片间隙波导，工作频段分布在24ghz至40ghz，覆盖大部分的5g毫米波频段，同时且满足3db混合环耦合器特性。
19.本发明的优点在于：
20.1)、一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器，基于三层封装集成基片间隙波导，具有良好的带内匹配和隔离，较低插入损耗，较小相位与幅度不平衡等特点，在本发明实施例的工作频段内，匹配小于
‑
10db，隔离小于
‑
20db，插入损耗在
‑3±
0.5db，幅度不平衡小于0.5db，相位不平衡180
±
6.7
°
。
21.2)、一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器，在传统混合环耦合器的基础上，本发明采用了两段式混合环结构，能使混合环耦合器在工作频段内具有宽带性能。本发明的一个实施例的中心频率为32ghz，其
‑
10db带宽高达50％，工作频段分布在24ghz至40ghz，能够覆盖大部分的5g毫米波频段，能在5g通信系统中得到广泛应用。
22.3)、一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器，传统混合环耦合器由微带线，介质和金属地面构成，在毫米波频段，传统混合环耦合器的解决方案可能导致传输损耗过大，效率降低等问题。为了降低电磁波的传输损耗，本发明使用三层封装集成基片间隙波导替代传统微带线实现了毫米波混合环耦合器，间隙波导在毫米波频段电磁波的传输损耗低，结构紧凑，易于加工集成等特点。
附图说明
23.图1为本发明一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器的原理图；
24.图2为本发明一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器的结构示意图；
25.图3为本发明所述间隙波导毫米波环形耦合器的微带线电路平面结构示意图；
26.图4为本发明实施例中周期性ebg结构的色散曲线仿真结果示意图；
27.图5为本发明实施例中混合环耦合器在端口1被激励时的匹配、隔离、耦合以及传输系数的仿真结果示意图；
28.图6为本发明实施例中混合环耦合器在端口3被激励时被激励时的匹配、隔离、耦合以及传输系数的仿真结果示意图；
29.图7为本发明实施例中混合环耦合器的输出端口幅度和相位不平衡的仿真结果示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
31.间隙波导分为3类，分别为脊间隙波导，槽间隙波导和微带间隙波导。在脊间隙波导和槽间隙波导中，电磁波分别沿金属脊和槽传播，这两种结构不需要任何其他电解质，通过使用金属引脚的结构来实现。微带间隙波导类似于倒置或者悬置的微带线，在放置的人造磁导体(amc)的作用下，电磁场在微带线和上层金属板之间的气隙中传播。
32.电磁波在两块上下平行的金属板之间的空气缝隙里传播，而由于电磁带隙(ebg)结构的禁带特性，使得电磁波只能沿着规划好的金属脊或者槽上方的空隙缝隙传播，它很好的避免了电磁波在介质传播中的损耗问题。
33.本发明一种基于多层封装集成基片间隙波导的毫米波环形耦合器，如图1所示，由多层印制电路板来实现，整体上下表面覆一层金属铜，可以实现屏蔽作用和自封装，有三层介质层，其中介质层1为间隙层，其下表面印刷有混合环耦合微带线，介质层2为中间层，介质层3为pmc层，由周期排列的蘑菇型ebg阵列组成。所述的毫米波混合环耦合器整体具有一个输入端口1、一个直通输出端口2、一个耦合输出端口4以及一个隔离端口3，均为波端口。
34.如图2所示，所述毫米波混合环耦合器的三层介质中，最底层为pmc层，该层下表面涂了一层金属铜，通过在将pmc层上周期排列若干金属过孔，各金属过孔整体穿过pmc层，上边紧顶圆形金属贴片，下边与金属铜相连，组成蘑菇型ebg阵列；结构尺寸完全相同。
35.蘑菇型ebg阵列的上方为一层介质板作为中间层；中间层优选为不做任何处理的rt5880介质层，中间层的上方为一层介质板作为间隙层；
36.间隙层的下表面印刷有混合环耦合微带线，通过中间层的介质板将该混合环耦合微带线与圆形金属贴片隔开；间隙层的上表面涂了一层金属铜，用于屏蔽电磁波，实现自封装。
37.所述混合环耦合微带线由11节微带线构成，其中微带线1、微带线2、微带线3和微带线4为端口阻抗匹配微带线，剩下微带线5、微带线6、微带线7、微带线8、微带线9、微带线10和微带线11组成两段式混合环。
38.具体结构为：微带线1为整体电路的输入端口，与微带线1垂直设置的微带线包括：从上到下依次为微带线2作为输出直通端口，微带线5，和微带线4作为输出耦合端口；微带线1位于微带线5的正中间处；微带线2，微带线5和微带线4的左侧对齐。
39.微带线2同时垂直连接微带线6，微带线6同时水平连接微带线9，垂直连接微带线8；且微带线6位于微带线8和9的相连之处；微带线8的另一端垂直连接微带线7和微带线10；且位于微带线7和10的连接之处；微带线7的另一端位于微带线4和微带线5的连接之处；与微带线7水平连接的微带线10另一端同时水平连接微带线3，微带线3为隔离输出端口；且垂直连接微带线11，微带线11位于平行微带线9和微带线10的中间；同时与微带线3相连。
40.所述微带线1
‑
4均为波端口，具有相同的宽度，微带线6、7、9和10均为λ/4分支线，具有相同的长度；其中微带线6和7平行且尺寸完全相同，微带线9和10平行且尺寸完全相同，微带线5、8和11平行，且均为λ/2分支线，具有相同的长度。
41.所述的毫米波环形耦合器的工作过程为：
42.当输入端口1被激励时，由于间隙层上方的铜层，以及下方蘑菇型ebg阵列的封装，导致准tem模式波沿着微带线1在间隙层中传播，经过微带线5，均分为两路，在微带线2处的输出直通端口和微带线4的输出耦合端口信号功率等分，相位相同；沿着微带线6和微带线7传输的波经过微带线8，电磁场相互抵消；所以微带线3的隔离输出端口被隔离。
43.当隔离输出端口3被激励时，同理，由于封装，导致准tem模式波沿着微带线3在间隙层中传播，经过微带线11传到微带线9，与同时在微带线10中传输的波在微带线8处，电磁场相互抵消；沿着微带线6和7的波分别到达微带线2的输出直通端口和微带线4的输出耦合端口信号功率等分，相位相差180
°
，经微带线5电磁场相互抵消，所以在微带线1处的输入端口1隔离。
44.当作为功率合成器使用时，微带线2的输出直通端口和微带线4的输出耦合端口被同时激励，同理，由于封装，导致准tem模式波沿着微带线2和4在间隙层中传播，经过微带线
5，在微带线1的端口形成输入信号的和，沿着微带线6和7的波经过微带线8，电磁场相互抵消；微带线3的隔离输出端口形成输入信号的差。
45.传统混合环耦合器采用3节λ/4传输线和1节3λ/4传输线，带宽只有20％
‑
30％，而本发明通过三节λ/2分支微带线5、8和11，以及四节λ/4分支微带线6、7、9和10构成两段式混合环结构，增加了一段rat
‑
race增强带宽到50％；采用三层介质板结构中，间隙层上表面的金属铜，以及中间层介质板下方的蘑菇型ebg阵列，使得准tem模式波只能在间隙层传播，形成三层封装集成基片间隙波导，工作频段分布在24ghz至40ghz，覆盖大部分的5g毫米波频段，同时且满足3db混合环耦合器特性。
46.3db混合环耦合器的散射矩阵为：
[0047][0048]
j为虚数；矩阵s的第一行中四个值分别表示：端口1完全匹配，端口3完全隔离，端口2和4的信号幅度值都是输入信号的二分之一，并且相位相差输入端信号负90度，所以2和4同相。
[0049]
再比如第三行，就相当于端口2相差输入端口90度，端口4相差输入端口负90度，所以端口2和4相差180度。
[0050]
实施例
[0051]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
[0052]
目前射频领域的专家和学者已经开始对毫米波的器件进行研究，为了满足未来通信系统的需求，本发明展示了基于多层封装集成基片间隙波导的毫米波环形耦合器实施例。
[0053]
其中介质层1间隙层和介质层2中间层均选择rogers rt/duroid 5880，介电常数2.2，厚度0.127mm，介质损耗0.0009，介质层3的pmc层选择rogers ro4350b，介电常数3.48，厚度1.524mm，介质损耗0.004。利用多层印制电路板技术来实现，方法成熟，设计思路简单；具有结构紧凑、频带较宽，带通特性明显、插入损耗小，相位不平衡和幅度不平衡特性良好、工作于毫米波频段的特点。
[0054]
如图3所示，耦合器微带线电路印刷在介质层1和2之间。输入端口、直通端口、隔离端口以及耦合端口的特征阻抗均为50欧姆，端口微带线1
‑
4的宽度w0为0.34mm，长度任意，在本实施例中分别为长度l1＝1.54mm，长度l2＝2.1mm，长度l3＝1.44mm，长度l4＝2.1mm。
[0055]
微带线5、8和11均为λ/2分支线，具有相同的长度l
180
＝3.3mm，宽度分别为w1＝0.21mm，w3＝0.7mm，w5＝0.31mm，微带线6、7、9和10均为λ/4分支线，具有相同的长度l
90
＝1.65mm，其中微带线6、7的宽度相同为w2＝0.28mm，微带线9、10的宽度相同为w4＝0.17mm。蘑菇型ebg结构由金属贴片和金属过孔连接而成，其中金属贴片直径dc＝1.2mm，金属过孔直径dp＝0.4mm，过孔高度hp＝1.524mm，周期p＝1.5mm。
[0056]
本实施例将
‑
10db带宽作为通带，在其通带内回波损耗很小，而在更低或更高的频率处则有很大的回波损耗，充分说明了实施例具有很好的带通特性。
[0057]
如图4所示，为实施例中所使用的电磁带隙单元(ebg)的色散曲线仿真示意图；由图中可知，电磁带隙单元可以提供14
‑
40.5ghz的波阻带，即为间隙波导提供14
‑
40.5ghz的通带；得知实施例中的电磁带隙单元均提供了很宽的波阻带，为集成基片间隙波导的频率选择提供了很大的空间。
[0058]
如图5和图6所示，为实施例(中心频率为32ghz)端口1和端口3被激励时的回波损耗、隔离和插入损耗参数；
[0059]
当端口1被激励时，其回波损耗小于
‑
10db的频率范围为24ghz到40ghz，相对带宽达到50％；当端口3被激励时，其回波损耗小于
‑
10db的频率范围为23.9ghz到39.6ghz，相对带宽达到49％，可以看出本实施例相比于传统的毫米波混合环耦合器具有更好地的宽带性能。其隔离性能在通带24ghz到40ghz均大于20db。
[0060]
损耗参数在24ghz到40ghz范围内s
21
和s
41
幅值均在
‑3±
0.5db，在中心频率32ghz处的s
21
和s
41
的幅值大小分别为
‑
3.1db和
‑
3.05db，表明其在通带内的插入损耗很小。本实施具有带宽大、端口匹配良好和隔离性能高的特性。
[0061]
如图7所示为本发明实施例的幅度、相位不平衡仿真结果。如左轴，在通带24ghz到40ghz范围内幅度不平衡(|s
21
|
‑
|s
41
|)均小于0.5db，在通带范围内幅度不平衡(|s
23
|
‑
|s
43
|)均大于
‑
0.67db。右轴为本实施例的相位不平衡曲线，在本实施例的通带范围内相位不平衡度为180
±
6.7
°
。以上实验数据能很好地体现了本实施例基于多层封装集成基片间隙波导的毫米波环形耦合器的各项性能，且能覆盖到较宽的频率范围，应用场景广阔。
[0062]
整个实施例的尺寸大小为7.5mm
×
7.5mm
×
1.778mm具有小型化和集成化特点，基于多层封装集成基片间隙波导的结构，可以采用印制电路版技术进行加工，使得混合环耦合器能够在毫米波频段工作。