一种HMSIW平衡定向耦合器制造技术

本发明专利技术公开了一种HMSIW平衡定向耦合器，适用于较高的厘米波和毫米波频段，由两个垂直堆叠的单端定向耦合器组成，在公共地面上刻蚀矩形缝隙并引入人工表面等离激元(SSPP)结构。在差模激励下，矩形缝隙区域被等效为理想电壁(PEC)，由于公共金属面近似认为是理想电壁，因此其差模等效电路即对应的单端定向耦合器。然而，在共模激励下时，公共金属面被等效为理想磁壁(PMC)。根据PEC‑PMC结构的边界条件，TE

An hmsiw balanced directional coupler

【技术实现步骤摘要】
一种HMSIW平衡定向耦合器
本专利技术涉及一种耦合器，特别是一种HMSIW平衡定向耦合器。
技术介绍
在现代无线通信系统中，平衡器件受到了越来越多的关注，因为平衡器件可以有效抑制环境噪声和系统内部的噪声。平衡定向耦合器具有分配差分信号的幅度和相位的功能，是通信系统设备中必不可少的器件。目前已有学者通过利用枝节线和耦合线结构设计出若干种形式的平衡耦合器。然而，由于枝节线和耦合线在高频工作时损耗很大(主要为辐射损耗)，这些平衡耦合器难以应用于较高的微波频段，主要适用于5GHz以下的频段。此外，这些平衡耦合器无法在很宽的频带内实现高共模抑制(噪声抑制)，只能在差模通带附近(几百兆赫兹)实现30dB以上的共模抑制。基片集成波导(SIW)与传统金属波导结构相类似，传播特性基本一致，所以基片集成波导具有Q值高，传输能力强等特点。同时，基片集成波导的结构还类似于微带结构，体积小，重量轻，成本低，易于加工及集成度高等诸多特点。因而基片集成波导在高集成度的微波系统中有着广泛的应用。根据SIW的模式分布特性，有学者提出了半模基片集成波导(HMSIW)。HMSIW可以在保持SIW优良传输特性的基础上将尺寸缩小一半，适应现代无线通信系统小型化的趋势。若能将HMSIW传输线运用到平衡耦合器的设计中，则可以设计出适用于高频段且结构紧凑的平衡耦合器。然而，HMSIW的传输特性和结构形式与微带线以及耦合线存在很大的差异，所以已有的设计方法无法运用到HMSIW平衡定向耦合器中。据已查文献，目前还没有利用SIW或者HMSIW传输线设计平衡定向耦合器的工作。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种HMSIW平衡定向耦合器，该HMSIW平衡定向耦合器基于半模基片集成波导(HMSIW)和人工表面等离激元(SSPP)，结构紧凑，能适用于较高的厘米波和毫米波频段。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种HMSIW平衡定向耦合器，包括上介质基板和下介质基板。上介质基板和下介质基板共用一块金属面，称为公共金属面。上介质基板和下介质基板上各设置一个HMSIW定向耦合器，两个HMSIW定向耦合器垂直堆叠。每个HMSIW定向耦合器均包括两根对称且相背设置的HMSIW传输线。每个HMSIW定向耦合器均具有四个平衡端口，两个HMSIW定向耦合器的八个平衡端口形成四个差分端口。公共金属面上蚀刻矩形缝隙。四个差分端口分别为第一差分端口、第二差分端口、第三差分端口和第四差分端口。当差模信号激励第一差分端口时，矩形缝隙区域等效为PEC面，此时差分信号能在HMSIW定向耦合器中正常传输，第二差分端口为直通端，第三差分端口为耦合端，第四差分端口为隔离端。当共模信号激励第一差分端口时，矩形缝隙区域等效为PMC面，此时共模信号在矩形缝隙边缘被阻断，无法正常传输。矩形缝隙区域中设置有周期性的SSPP结构，该SSPP结构能使得HMSIW平衡定向耦合器中的槽线传输模式所对应的频率处于SSPP结构中色散曲线的截止区域内，从而能有效抑制槽线传输模式，进一步提高共模抑制能力。SSPP结构的底部与矩形缝隙的边缘相连。通过调整SSPP结构的高度hs，改变SSPP结构的传输特性，进而影响对共模信号的抑制效果。矩形缝隙区域中设置有两个对称的SSPP结构，每个SSPP结构均沿矩形缝隙的长边布设，每个SSPP结构均包括若干个均与矩形缝隙长边相垂直且间隔均匀的金属长条。通过调整矩形缝隙的尺寸，进而调整共模信号的抑制效果。上介质基板的上表面中心印刷有矩形的上金属层。下介质基板的下表面中心印刷有矩形的下金属层。上金属层和下金属层的四个角端各设置一根馈电微带线。上金属层和下金属层的对称中心处设置有与长边平行的耦合窗。耦合窗的两侧对称布设两条通孔带，每条通孔带均由若干个金属通孔呈直线排列形成。矩形缝隙的长度大于耦合窗的长度，矩形缝隙的两条短侧边上均设置有一根位于矩形缝隙内的通孔地面金属条，通孔地面金属条与对应金属通孔的位置相对应。每根馈电微带线均包括渐变段和直线段。其中，渐变段连接直线段与上金属层或下金属层。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术具有四对差分端口，分别为第一、第二、第三和第四差分端口。在差模激励下，若第一差分端口为信号输入端，则第二差分端口为直通端，第三差分端口为耦合端，第四差分端口为隔离端。由于其上下对称结构，高速信号在其中传输时可保持良好的完整性。在差模激励下，矩形缝隙区域被等效为理想电壁(PEC)，由于公共金属面近似认为是理想电壁，因此其差模等效电路即对应的单端定向耦合器。然而，在共模激励下时，其中间层被等效为理想磁壁(PMC)。根据PEC-PMC结构的边界条件，TEn0模式无法在SIW中传输，此时共模信号在矩形缝隙边缘被全反射，实现了良好的共模抑制。相对于传统的SIW平衡定向耦合器，HMSIW的使用大大减小了耦合器的尺寸。2、本专利技术能适用于较高的厘米波和毫米波频段。由于本专利技术采用高品质因数的SIW传输线作为主体结构，故可以运用于较高的频段，优选频段为10-40GHz。3、本专利技术能实现差分信号的-3dB耦合，同时保证差分信号传输过程中的完整性。4、本专利技术能在很宽的频带内(如0-60GHz)实现对共模噪声的良好的抑制效果，降低环境噪声、电路噪声等对目标信号的干扰，从而显著提高了通信系统中的信噪比，改善了通信质量。在共模激励下时，公共金属面被等效为理想磁壁(PMC)。根据PEC-PMC结构的边界条件，TEn0模式无法在SIW中传输，此时共模信号在矩形缝隙边缘被全反射，实现了良好的共模抑制。此外，在公共金属面上加载SSPP结构，抑制了槽线模式的传输，进一步提高了共模抑制，从而能够很宽的频带。附图说明图1显示了本专利技术所采用印刷电路板的示意图。图2显示了本专利技术一种HMSIW平衡定向耦合器的三维结构示意图。图3显示了本专利技术一种HMSIW平衡定向耦合器的俯视图。图4(a)显示了本专利技术的HMSIW平衡定向耦合器在差模激励时的信号传输图。图4(b)显示了本专利技术的HMSIW平衡定向耦合器在共模激励时的信号传输图。图5(a)显示了本专利技术在槽线模式影响下的双层HMSIW传输线的电场分布图。图5(b)显示了本专利技术在槽线模式影响下的双层HMSIW传输线的传输系数图。图6显示了本专利技术在加载SPP结构单元时双层HMSIW结构中的电场分布图。图7(a)显示了本专利技术的差模散射参数仿真和实测结果图。图7(b)显示了本专利技术的共模散射参数仿真和实测结果图。图7(c)显示了本专利技术在差模激励下直通端和耦合端的相位差的仿真和测量结果图。其中有：S1.介质基片；S2.上金属层；S3.下金属层；10.上介质基板；11.金属层；12.渐变段；13.直线段；14.金属通孔；port1.上第一平衡端口；port2.上第二平衡端口；port3.上第三平衡端口；port4.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种HMSIW平衡定向耦合器，其特征在于：包括上介质基板和下介质基板；上介质基板和下介质基板共用一块金属面，称为公共金属面；/n上介质基板和下介质基板上各设置一个HMSIW定向耦合器，两个HMSIW定向耦合器垂直堆叠；每个HMSIW定向耦合器均包括两根对称且相背设置的HMSIW传输线；每个HMSIW定向耦合器均具有四个平衡端口，两个HMSIW定向耦合器的八个平衡端口形成四个差分端口；公共金属面上蚀刻矩形缝隙。/n

【技术特征摘要】
1.一种HMSIW平衡定向耦合器，其特征在于：包括上介质基板和下介质基板；上介质基板和下介质基板共用一块金属面，称为公共金属面；
上介质基板和下介质基板上各设置一个HMSIW定向耦合器，两个HMSIW定向耦合器垂直堆叠；每个HMSIW定向耦合器均包括两根对称且相背设置的HMSIW传输线；每个HMSIW定向耦合器均具有四个平衡端口，两个HMSIW定向耦合器的八个平衡端口形成四个差分端口；公共金属面上蚀刻矩形缝隙。


2.根据权利要求1所述的HMSIW平衡定向耦合器，其特征在于：四个差分端口分别为第一差分端口、第二差分端口、第三差分端口和第四差分端口；当差模信号激励第一差分端口时，矩形缝隙区域等效为PEC面，此时差分信号能在HMSIW定向耦合器中正常传输，第二差分端口为直通端，第三差分端口为耦合端，第四差分端口为隔离端；当共模信号激励第一差分端口时，矩形缝隙区域等效为PMC面，此时共模信号在矩形缝隙边缘被阻断，无法正常传输。


3.根据权利要求1或2所述的HMSIW平衡定向耦合器，其特征在于：矩形缝隙区域中设置有周期性的SSPP结构，该SSPP结构能使得HMSIW平衡定向耦合器中的槽线传输模式所对应的频率处于SSPP结构中色散曲线的截止区域内，从而能有效抑制槽线传输模式，进一步提高共模抑制能力。


4.根据权利要求3所述的HMSIW平衡定向耦合器，其特征在于：SSPP结构的底部与矩形缝隙的边缘相连；通过调整SS...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙亮，韩杨昆，朱家明，邢思贝，邓宏伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32