一种超宽带混合环的制作方法

1.本发明实施例涉及微波技术领域，尤其涉及一种超宽带混合环。


背景技术：

2.混合环是一种用于射频微波的四端口电路，用来形成微波和差网络，是单脉冲雷达天馈系统的关键部件，在单脉冲天线阵列的设计中用于形成和差波束，以实现对目标的跟踪。
3.现有技术中的环形混合环具有尺寸大且适用带宽范围较窄的缺点。图1是现有技术提供的一种环形混合环的结构示意图，如图1所示，端口p2和端口p3之间的混合环长为3λ0/4，端口p2和端口p1、端口p1和端口p4以及端口p4和端口p3之间的混合环长度均为λ0/4，整体混合环长为3λ0/2，尺寸较大且工作带宽小于25%。图2是现有技术提供的又一种环形混合环的结构示意图，如图2所示，混合环中引入反相器，采用180
°
的反相单元代替了图1中端口p2和端口p3之间长为3λ0/4的环形传输线，使端口q1、端口q2、端口q3和端口q4中的相邻两端口之间环形传输线长度均为λ0/4，混合环整体的长度缩小为λ0。该结构的混合环带宽虽有所扩展，但仍无法实现6-18ghz的带宽要求。若采用多层板孔耦合技术，虽可满足带宽要求，但混合环的外形尺寸大、工艺复杂、成品率低、成本昂贵、调试不便，且不便于与其他微带电路集成。
4.基于此，缩小混合环尺寸并扩展带宽成为行业内亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种超宽带混合环，以实现缩小混合环尺寸且扩展带宽范围。
6.根据本发明的一方面，提供了一种超宽带混合环，该混合环包括：介质基板、设置于介质基板上表面的顶层导电带线和设置于介质基板下表面的底层导电带线，顶层导电带线和底层导电带线正对设置；顶层导电带线和底层导电带线均包括环形传输线、反相器、多级阶梯阻抗支节和端口，环形传输线上串联有反相器，多级阶梯阻抗支节连接于环形传输线，端口连接于多级阶梯阻抗支节。
7.可选的，顶层导电带线或底层导电带线包括四组多级阶梯阻抗支节，多级阶梯阻抗支节为连接在环形传输线上的分支，各组多级阶梯阻抗支节的结构均相同，呈中心对称结构。
8.可选的，四组多级阶梯阻抗支节与环形传输线的连接点将环形传输线等分为四段，每段环形传输线的电长度均为90
°
。
9.可选的，多级阶梯阻抗支节包括至少三段带线，且三段带线以折叠的形式依次连接于环形传输线与端口之间。
10.可选的，多级阶梯阻抗支节包括第一带线、第二带线和第三带线；第一带线的第一端连接于环形传输线，连接点位于第一相交点处，第二带线的第
一端连接于第一带线的第二端，端口与第二带线的第二端相连接，连接点位于第二相交点处，第三带线的第一端连接于第二相交点处。
11.可选的，第一带线沿环形传输线在第一相交点处的切线方向排布，第二带线沿平行于第一带线的方向排布，第三带线与第二带线排布于同一直线方向。
12.可选的，端口包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一端口为和输入端口，第四端口为差输入端口，第二端口和第三端口为输出端口；第一端口与第四端口相对设置，第二端口与第三端口相对设置。
13.可选的，多级阶梯阻抗支节的每一级以及端口对应的阻抗均不相等，具有多级阶梯阻抗。
14.可选的，多级阶梯阻抗支节的每一级以及端口对应的线宽均不相等。
15.可选的，该混合环还包括设置于反相器上的第一金属孔以及设置于各多级阶梯阻抗支节的第三带线末端的第二金属孔；介质基板上表面的反相器通过第一金属孔与介质基板下表面的反相器相连接，多级阶梯阻抗支节通过第二金属孔与介质基板下表面的接地端相连接。
16.本发明实施例的技术方案基于双面平行带线，通过采用单层介质基板，在介质基板的上表面和下表面分别蚀刻相互平行且结构、形状完全相同的导电带线。在每个表面蚀刻的导电带线上，均在环形传输线上串联设置反相器，多级阶梯阻抗支节连接在环形传输线上，并向离心方向延伸排布，多级阶梯阻抗支节中的各级阻抗支节以一定的排布方式设置，端口连接于多级阶梯阻抗支节的末端。这种结构的混合环采用多级阶梯阻抗支节，相比于现有技术，可进一步展宽带宽频段范围；并且采用单层介质基板可减小混合环的体积，便于与其他集成电路进行集成，工艺简单且成本低。
17.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是根据现有技术提供的一种环形混合环的结构示意图；图2是根据现有技术提供的又一种环形混合环的结构示意图；图3是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环的整体结构示意图；图4是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环的俯视图的结构版图；图5是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环在和输入时的传输特性的参数仿真曲线图；图6是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环在差输入时的传输特性的参数仿真曲线图；图7是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环的和差相位仿真曲线测试图；图8是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环的隔离度仿真曲线测试图；
图9是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环各端口的端口驻波仿真曲线测试图；图10是根据本发明实施例提供的一种超宽带混合环的电路结构拓扑图。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
21.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
22.本发明实施例提供一种超宽带混合环。图3为本发明实施例提供的一种超宽带混合环的整体结构示意图，图4是本发明实施例提供的一种超宽带混合环的俯视图的结构版图。参见图3和图4，该超宽带混合环包括：介质基板10、设置于介质基板10上表面的顶层导电带线20和设置于介质基板10下表面的底层导电带线30，顶层导电带线20和底层导电带线30正对设置；顶层导电带线20和底层导电带线30均包括环形传输线41、反相器42、多级阶梯阻抗支节43和端口44，环形传输线41上串联有反相器42，多级阶梯阻抗支节43连接于环形传输线41，端口44连接于多级阶梯阻抗支节43。
23.具体地，该超宽带混合环是基于双面平行带线（dspsl）形成的，即采用单层介质基板10，在介质基板10的金属上表面和金属下表面分别蚀刻出相互平行的微带线而形成。单层介质基板10可以是ro5880高频微波线路板，介质基板10的厚度h1为0.254mm，介质基板10上表面形成的上层空气腔体的高度h2和介质基板10下表面形成的下层空气腔体的高度h3均为5mm，符合混合环的工艺参数要求，构成的混合环外形尺寸可减小为14mm*14mm。采用单层介质基板10可减小混合环的外形尺寸，工艺相对简单，并且便于混合环与其他微带线电路进行集成，扩大应用范围。
24.在介质基板10的金属上表面蚀刻出顶层导电带线20，在介质基板10的金属下表面蚀刻出底层导电带线30，并且顶层导电带线20和底层导电带线30正对设置，单层介质基板10的上表面和下表面的导电带线的结构和形状完全相同。设置于单层介质基板10上的混合环，采用双面平行带线的结构，可扩展带宽频段且尺寸较小。
25.如图4所示，介质基板10上表面的顶层导电带线20和介质基板10下表面的底层导电带线30均包括环形传输线41、反相器42、多级阶梯阻抗支节43和端口44。在本发明各实施例中，以介质基板10上表面的带线结构为例，对超宽带混合环的结构进行解释说明。环形传
输线41的长度为λg，反相器42串联连接于环形传输线41上，用于将介质基板10的上表面金属层和下表面金属层信号进行反转，实现180
°
相位移动，从而减小了混合环的尺寸。多级阶梯阻抗支节43的阻抗呈多级阶梯式分布，相比于现有技术中的单级阻抗支节，采用多级阶梯阻抗支节43可进一步展宽带宽频段。多级阶梯阻抗支节43连接在环形传输线41上，由连接点向离心方向发散设置，并且多级阶梯阻抗支节43以一定的方式设置排布，可达到减小混合环体积的效果。端口44设置于多级阶梯阻抗支节43的末端，用于输入或输出信号。
26.本实施例的技术方案基于双面平行带线，通过采用单层介质基板，在介质基板的上表面和下表面分别蚀刻相互平行且结构、形状完全相同的导电带线。在每个表面蚀刻的导电带线上，均在环形传输线上串联设置反相器，多级阶梯阻抗支节连接在环形传输线上，并向离心方向延伸排布，多级阶梯阻抗支节中的各级阻抗支节以一定的排布方式设置，端口连接于多级阶梯阻抗支节的末端。这种结构的混合环采用多级阶梯阻抗支节，相比于现有技术，可进一步展宽带宽频段范围；并且采用单层介质基板可减小混合环的体积，便于与其他集成电路进行集成，工艺简单且成本低。
27.可选的，在上述实施例的基础上，参见图4，顶层导电带线或底层导电带线包括四组多级阶梯阻抗支节43，多级阶梯阻抗支节43为连接在环形传输线41上的分支，各组多级阶梯阻抗支节43的结构均相同，呈中心对称结构。
28.具体地，混合环的顶层导电带线和底层导电带线的结构完全相同，均包括四组多级阶梯阻抗支节43，用作混合环的输入或输出传输线路的阻抗支节。多级阶梯阻抗支节43的结构也可称为阶梯阻抗的支节加载谐振器（stepped-impedance stub-loaded resonator，sislr），结合了阶梯阻抗谐振器（stepped impedance resonator，sir）和包含支节加载谐振器（stub-loaded resonator，slr）的多模谐振器。slr的支节部分采用阶梯阻抗传输线，主干部分也采用阶梯阻抗。四组多级阶梯阻抗支节43作为环形传输线41上的四个分支，连接在环形传输线41上，并且四组多级阶梯阻抗支节43的结构及形状均相同，呈中心对称式分布并连接于环形传输线41上。采用多级阶梯阻抗支节43有利于展宽带宽范围，使相对带宽可达到甚至超过110%，可满足混合环工作于6-18ghz的宽带频段范围。
29.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，四组多级阶梯阻抗支节43与环形传输线41的连接点将环形传输线41等分为四段，每段环形传输线41的电长度均为90
°
。
30.具体地，四组多级阶梯阻抗支节43与环形传输线41存在四个连接点，四个连接点将环形传输线41等分为四段，即相邻两个连接点之间的传输线长度均为λg/4，电长度为90
°
。
31.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，多级阶梯阻抗支节43包括至少三段带线，且三段带线以折叠的形式依次连接于环形传输线41与端口44之间。
32.具体地，多级阶梯阻抗支节43可以包括至少三段带线，即至少包括三级阶梯阻抗，在现有技术的基础上可进一步展宽带宽频段。多级阶梯阻抗支节43包括的三段带线改变了传统的首尾相接，由与环形传输线41的连接点向离心方向沿直线排布的形式，变为将三段带线以一定的方式折叠起来，连接于环形传输线41与端口44之间，大大减小了混合环的外形尺寸，便于与其他集成电路集成。
33.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，多级阶梯阻抗支节43包括第一带线431、第二带线432和第三带线433；
第一带线431的第一端连接于环形传输线41，连接点位于第一相交点m1处，第二带线432的第一端连接于第一带线431的第二端，端口44与第二带线432的第二端相连接，连接点位于第二相交点m2处，第三带线433的第一端连接于第二相交点m2处。
34.具体地，多级阶梯阻抗支节43包括三级阶梯阻抗，分别为第一带线431、第二带线432和第三带线433。第一带线431、第二带线432和第三带线433均可以是微带线，用于传输信号。第一带线431为第一级阶梯阻抗，第一带线431的第一端连接于环形传输线41的第一相交点m1处；第二带线432为第二级阶梯阻抗，第二带线432的第一端与第一带线431的第二端相连接；端口44连接于第二带线432的第二端，连接点位于第二相交点m2处；第三带线433的第一端与第二相交点m2相连接。并且第一带线431、第二带线432和第三带线433并不沿一条直线向环形传输线41的离心方向排布，而是以一定的折叠形式排布，可有效减小混合环的外形尺寸，趋于小型化。
35.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，第一带线431沿环形传输线41在第一相交点m1处的切线方向排布，第二带线432沿平行于第一带线431的方向排布，第三带线433与第二带线432排布于同一直线方向。
36.具体地，由于环形传输线41上连接的四组多级阶梯阻抗支节43的结构和形状完全相同，则在本实施例中，以其中任一组多级阶梯阻抗支节43对各带线的排布方式进行说明，而对其余组多级阶梯阻抗支节43的排布方式不作赘述。第一带线431连接于第一相交点m1处，并沿环形传输线41在第一相交点m1处的切线方向延伸排布；第二带线432连接于第一带线431，并沿与第一带线431平行的直线方向延伸排布；端口44连接于第二带线432，连接点位于第二相交点m2处，并且端口44沿着环形传输线41的半径所在直线的方向排布，且第一带线431和第二带线432的排布方向与端口44的排布方向呈垂直关系；第三带线433与第二相交点m2相连接，并且排布方向与端口44的排布方向垂直，与第二带线432的排布方向在同一直线上。按照上述方式折叠设置多级阶梯阻抗支节43中的各段带线，既可实现展宽带宽频段，又能减小混合环的体积。
37.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，端口44包括第一端口441、第二端口442、第三端口443和第四端口444，第一端口441为和输入端口，第四端口444为差输入端口，第二端口442和第三端口443为输出端口；第一端口441与第四端口444相对设置，第二端口442与第三端口443相对设置。
38.具体地，和差混合环包括四个端口。在本实施例中，第一端口441为和输入端口，第四端口444为差输入端口，信号可通过和输入端口或差输入端口输入混合环。第二端口442和第三端口443为两个输出端口，信号由输入端口输入后，可由第二端口442和第三端口443同时输出。当信号由第一端口441输入时，即由和输入端口输入，则第四端口444为隔离端口，信号可由第二端口442和第三端口443等分同相输出；当信号由第四端口444输入时，即由差输入端口输入，则第一端口441为隔离端口，信号可由第二端口442和第三端口443等分反相输出，从而形成微波和差网络，实现对目标的跟踪。
39.图5是本发明实施例提供的一种超宽带混合环在和输入时的传输特性的参数仿真曲线图，图6是本发明实施例提供的一种超宽带混合环在差输入时的传输特性的参数仿真曲线图。如图5所示，实线曲线51表示由第二端口442输入，第一端口441输出的传输特性曲线，虚线曲线52表示由第三端口443输入，第一端口441输出的传输特性曲线，第一端口441
作为和输入端口。需要说明的是，对于混合环，信号由第二端口442输入并由第一端口441输出，等效于信号由第一端口441输入并由第二端口442输出，测试曲线表示的结果相同。由图5可得，混合环的工作带宽在6-18ghz的频带内，频带内曲线平坦，幅度起伏波动小于
±
0.3db。并且在具有3db的固有信号损耗的基础上，混合环在和输入时的信号损耗增量小于0.5db。因此，混合环在和输入时具有良好的传输特性。如图6所示，实线曲线61表示由第二端口442输入，第四端口444输出的传输特性曲线，虚线曲线62表示由第三端口443输入，第四端口444输出的传输特性曲线，第四端口444作为差输入端口。由图6同样可知，混合环可工作于在6-18ghz的带宽频带内，频带内曲线平坦，幅度起伏波动小于
±
0.3db。并且在具有3db的固有信号损耗的基础上，混合环在差输入时的信号损耗增量小于0.5db。另外，由于设置有反相器42，相位可翻转180
°
，使得和输入与差输入时的传输特性曲线对称性较好。
40.图7是本发明实施例提供的一种超宽带混合环的和差相位仿真曲线测试图。如图7所示，实线曲线71表示混合环在和输入时两端口输出信号的相位差曲线，虚线曲线72表示混合环在差输入时两端口输出信号的相位差曲线。由图7可知，在6-18ghz的工作频带内，混合环和输入时，两输出端口输出的信号的相位差在0.47
°‑
4.68
°
的范围内，相位波动小于4.2
°
，则表明第二端口442和第三端口443这两个输出端口为同相输出，且信号传输的一致性较好。在混合环差输入时，两输出端口输出的信号的相位差在180.2
°‑
184.5
°
的范围内，相位波动小于4.3
°
，则说明第二端口442和第三端口443这两个输出端口为反相输出，并且在混合环的带宽扩展至110%时，相位波动仍可小于4.2
°
，相位一致性较好。
41.图8是本发明实施例提供的一种超宽带混合环的隔离度仿真曲线测试图。如图8所示，实线曲线81表示混合环的第一端口441与第四端口444，即和输入端口与差输入端口之间的隔离度，虚线曲线82表示混合环的第二端口442与第三端口443，即两输出端口之间的隔离度。对于信号传输，两端口之间的隔离度越大，表明信号泄漏越小。由图8可得，混合环在6-18ghz的工作带宽内，和输入端口与差输入端口之间的隔离度超过25db，两输出端口的隔离度超过23db，相比于其他形式的宽带混合环，本发明实施例提供的超宽带混合环的隔离度已达到较高水平。图9是本发明实施例提供的一种超宽带混合环各端口的端口驻波仿真曲线测试图。如图9所示，虚线曲线91表示第一端口441的端口驻波曲线，双点虚线曲线92表示第二端口442的端口驻波曲线，点虚线曲线93表示第三端口443的端口驻波曲线，实线曲线94表示第四端口444的端口驻波曲线。端口驻波参数可反映端口对信号的反射情况，端口驻波越接近1，则信号反射越小，混合环的信号传输性能越好。由图9可知，混合环的各端口驻波最大为1.5，对于工作于6-18ghz的带宽频段内的超宽带混合环，信号传输性能以达到良好水平。
42.可选的，在上述实施例的基础上，多级阶梯阻抗支节43的每一级以及端口对应的阻抗均不相等，具有多级阶梯阻抗。
43.具体地，环形传输线41、多级阶梯阻抗支节43的各段带线以及端口44所对应的阻抗均不相等，从而可进一步展宽带宽，使混合环的工作带宽可达110%。图10是本发明实施例提供的一种超宽带混合环的电路结构拓扑图。如图10所示，环形传输线41的阻抗可等效记为z1，多级阶梯阻抗支节43中的第一带线431的等效阻抗可记为z2，第二带线432的等效阻抗可记为z3，第三带线433的等效阻抗可记为z4，端口44的等效阻抗可记为z5。环形传输线41、第一带线431、第二带线432及第三带线433的电长度均为90
°
。为满足第一端口441、第二
端口442、第三端口443及第四端口444的特性阻抗均为50欧姆，则可根据不同的工作带宽范围对混合环的各级阶梯阻抗值进行调试。示例性地，将各级阶梯阻抗参数分别设置为z1=68ω、z2=53ω、z3=49ω、z4=145ω以及z5=50ω时，混合环的各项信号传输性能指标均可达到较优水平。
44.可选的，在上述实施例的基础上，多级阶梯阻抗支节43的每一级以及端口44对应的线宽均不相等。
45.具体地，在不考虑其他因素变化的前提下，混合环传输线的线宽与阻抗值相对应，即不同线宽的带线具有不同的阻抗值。对于具有多级阶梯阻抗的混合环，各级阶梯阻抗对应的带线线宽也不相同，可对各传输带线的线宽进行调节，以得到较好的传输性能。示例性地，对于工作带宽在6-18ghz频带内的混合环，可设置环形传输线41的线宽w1为0.49mm，第一带线431的线宽w2为0.7mm，第二带线432的线宽w3为0.745mm，第三带线433的线宽w4为0.2mm，端口44的线宽w5为1mm，混合环的各项传输性能可达到较好水平，从而实现混合环的综合性能达到最优。
46.可选的，在上述实施例的基础上，参见图3和图4，该超宽带混合环还包括：设置于反相器42上的第一金属孔451以及设置于各多级阶梯阻抗支节43的第三带线433末端的第二金属孔452；介质基板10上表面的反相器42通过第一金属孔451与介质基板10下表面的反相器42相连接，多级阶梯阻抗支节43通过第二金属孔452与介质基板10下表面的接地端相连接。
47.具体地，介质基板10上表面的反相器42上设置有2个第一金属孔451，第一金属孔451将介质基板10上表面的反相器42与介质基板10下表面的反相器42连接起来，使介质基板10上表面金属层的信号与下表面金属层的信号发生反转，实现180
°
相位移动。多级阶梯阻抗支节43中第三带线433的末端设置的第二金属孔452将介质基板10上表面的多级阶梯阻抗支节43与下表面相对应的多级阶梯阻抗支节43相连接，并且与接地端并联，使多级阶梯阻抗支节43的末端短路，第二金属孔452的直径可以是0.2mm。介质基板10的上下表面通过第一金属孔451和第二金属孔452的连接，实现了双面平行带线的结构，从而减小混合环的体积，扩展工作带宽频段。
48.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。