小型化多层宽带3-dB耦合器制造技术

本发明专利技术公开了小型化多层宽带3‑dB耦合器，其包括多层介质层，位于结构的最顶层表面和最下层表面通过金属化通孔相连的两层金属层，以及在中间介质层上下表面的四个端口馈线和两条耦合传输线。其中，使用多层结构的宽边耦合方式，很轻松地实现了3‑dB的强耦合且可实现宽带性能。在耦合传输线的中间加载了两个电容，实现了器件的小型化。相邻端口的耦合引入了端口电容，使得传输线的奇偶模相速相等，进而耦合器的匹配和隔离得到了大大改善。此外，此结构的最上层和最下层表面均为金属层，因此，具有电磁屏蔽的效果。与现有的技术相比，本发明专利技术具有尺寸小，隔离高，良好的电磁屏蔽效果，因此可以很好的应用在未来毫米波通信系统中。

Miniaturized multilayer broadband 3-dB coupler

【技术实现步骤摘要】
小型化多层宽带3-dB耦合器
本专利技术涉及一种耦合器，尤其涉及小型化3-dB强耦合的正交耦合器，属于微波
，可用于圆极化阵列天线、平衡式放大器等微波系统中。
技术介绍
耦合器在现代无线通信系统中扮演着重要的角色，其主要应用于移向器、混频器和平衡式放大器等微波系统中，尤其是3-dB正交耦合器可被广泛地应用在圆极化阵列天线中，是下一代无线通信系统中的关键器件。耦合器是一种关键的微波器件，小型化、强耦合和自封装特性推动了它的应用。随着未来器件越来越高密度集成，器件的小型化是未来器件和微波系统发展的必经之路，其中，3-dB正交耦合器会被大量的使用在圆极化阵列天线、混频器和移向器中，因此，耦合器的小型化是非常重要的。目前，实现小型化的方式最主要也是最常用的方式就是加载电容法，然而，如果平面结构实现加载电容，很难实现3-dB耦合度的耦合器，因此多层结构的宽边耦合是最好的实现方式，同时，三维结构的收发系统是未来发展的趋势，而多层结构就是其中的一种。此外，高密度的集成会导致系统中的电磁环境更加复杂，为了保持原有的器件特性，有必要考虑器件的电磁屏蔽。目前，3-dB多层宽带耦合器主要存在以下两个问题，其一，传统的3-dB多层宽带耦合器虽然可以通过折叠的方式实现小型化，但是本质上耦合传输线的电长度是四分之一波长，不能通过减小传输线的长度，进一步减小耦合器的尺寸；其二，由于大多数的多层介质的介电常数是不同的，导致耦合传输线的奇偶模相速不相同，因而这类型的耦合器的隔离以及匹配难以达到最佳。
技术实现思路
<br>专利技术目的：针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术目的是提出一种结构简单、易于实现的小型化多层宽带3-dB耦合器，其具有小尺寸和高性能的传输特性。技术方案：本专利技术的目的将通过以下技术方案得以实现：小型化多层宽带3-dB耦合器，包括多层介质层，两层金属层，四个端口馈线，两条耦合传输线，以及在耦合传输线中间的第一电容和第二电容；所述两条耦合传输线分别位于中间介质层的上下表面，所述第一电容和第二电容的一端分别与一条耦合传输线相连，另一端通过金属化接地通孔与金属层相连；所述两层金属层分别位于结构的最顶层表面和最下层表面，并通过金属化通孔相连；所述金属层与耦合传输线之间至少设有一层介质层。作为本专利技术的优选方案，所述两层金属层外形轮廓与介质层一样，通过周围若干半圆柱通孔相连。作为本专利技术的优选方案，上下相邻的端口馈线均有一段相互耦合的部分，形成端口电容。作为本专利技术的优选方案，每条耦合传输线的电长度均小于四分之一波长。作为本专利技术的优选方案，两条耦合传输线是上下宽边耦合，每条耦合传输线弯折为S型。作为本专利技术的优选方案，所述第一电容和第二电容为平板电容。作为本专利技术的进一步优化方案，通过改变两条耦合传输线之间介质层的厚度以及介电常数，或者增加耦合传输线之间的层数来改变耦合度。作为本专利技术的进一步优化方案，通过改变不同层相邻端口的重叠部分，改变端口耦合电容的大小，进而可以调节端口匹配和隔离。作为本专利技术的进一步优化方案，通过改变耦合传输线的电长度从而改变此耦合器的工作频率。作为本专利技术的进一步优化方案，通过改变加载电容的大小，可以缩小耦合传输线的电长度，进而可以缩小尺寸。作为本专利技术的进一步优化方案，通过增加连接两层金属地的半圆柱通孔的个数，可以提高电气一致性，同时，进一步改善电磁屏蔽效果。有益效果：本专利技术与现有技术比较，具有以下显著技术效果：一、本专利技术所提出小型化多层宽带3-dB耦合器，通过在耦合传输线的中间加载电容，可以明显减小传输线的长度，进而耦合器的尺寸得到极大得减小。二、本专利技术所提出小型化多层宽带3-dB耦合器，在相邻两条端口馈线之间通过部分重叠实现容性耦合，可以有效地补偿奇模相速，端口匹配和耦合器的隔离均能够达到最优值。三、本专利技术所提出小型化多层宽带3-dB耦合器，在此结构的上下表面均有金属，自封装特点，很适合未来毫米波通信系统中。附图说明图1为本专利技术实施例的立体图；图2为本专利技术实施例的两条耦合传输线的平面图；其中(a)为上层耦合传输线示意图，(b)为下层耦合传输线示意图。图3为本专利技术实施例的电路等效模型图。图4为本专利技术实施例的电磁仿真结果图；其中(a)、(b)、(c)分别为耦合器的插入损耗，回拨损耗和隔离，以及两个输出端口的相位差。图中：1-金属层，2-端口馈线，3-耦合传输线，4-第一电容，5-第二电容，6-金属化接地通孔，7-金属化通孔。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1所示，本专利技术实施例公开的小型化多层宽带3-dB耦合器，包括七层介质层(Layer1-Layer7)和两层金属层1，连接两层金属层1的半圆柱形金属化通孔7，四个馈线端口2通过两条耦合传输线3相连接，两条耦合传输线3弯折为S型，中间加载了第一电容4和第二电容5，且这两个电容为平板电容，一端分别连接一条耦合传输线3，另一端通过金属化接地通孔6与金属层1相连。本例以七层介质层为例，在实际场景中可根据实际需求对介质层的厚度、介电常数或层数进行调整。为了实现3-dB强耦合和小型化的特性，首先，我们使用多层宽边耦合可以实现强耦合的性能；其次，在两条耦合传输线的中间均加载平板电容，通过增大此电容的值，可以有效地减小耦合传输线的电长度，从而达到了小型化的效果；然后，在相邻两条端口馈线之间通过部分重叠实现容性耦合，此优势是在没有增加外围电路的情况下，可以有效地补偿奇模相速，从而每个端口的匹配以及提高隔离端口的隔离度；最后，在此结构的上下表面引入金属板，从而起到了电磁屏蔽的作用。为了快速地设计这个耦合器的电磁模型，我们提出了其相应的等效电路如图3所示。此四端口等效电路是由两条相同的耦合线(奇偶模阻抗均为Zse和Zso，电长度为θs)，两个接地电容(C1和C3)以及两个端口电容C2构成，其中电路中的Zso和C2可以通过以下公式求得，Zso＝20.67/(sin(2θs)-wC1sin2(θs))其中，w是工作角频率。其它电路参数(C1、θs和Zse)可以通过电路优化而得。为了验证上述的理论分析，本专利技术实施例设计了一款中心频率为2.25GHZ的3-dB耦合器。Layer1，Layer3，Layer5，Layer7均为RO4350，且厚度为0.508mm；Layer2和Layer6均为RO4450，厚度为0.2mm；Layer4为RO4450，厚度为0.1mm。首先，根据图3中的电路模型确定元件参数；然后，使用电磁模型的提取法，将电路参数值映射到电磁模型中，从而也就确定了电磁模型的空间大小。接着，电磁优化软件得到电磁模型的最佳响应。最后，根据仿真尺寸进行加工与测试。综上所述，本专利技术的小型化多层宽带3-dB耦合器，通过在耦合传输线的中间加载接地电容，使得其传输线长度至少缩小了12％。如图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.小型化多层宽带3-dB耦合器，其特征在于，包括多层介质层，两层金属层（1），四个端口馈线（2），两条耦合传输线（3），以及在耦合传输线（3）中间的第一电容（4）和第二电容（5）；所述两条耦合传输线（3）分别位于中间介质层的上下表面，所述第一电容（4）和第二电容（5）的一端分别与一条耦合传输线（3）相连，另一端通过金属化接地通孔（6）与金属层相连；所述两层金属层（1）分别位于结构的最顶层表面和最下层表面，并通过金属化通孔（7）相连；所述金属层（1）与耦合传输线（3）之间至少设有一层介质层。/n

【技术特征摘要】
1.小型化多层宽带3-dB耦合器，其特征在于，包括多层介质层，两层金属层（1），四个端口馈线（2），两条耦合传输线（3），以及在耦合传输线（3）中间的第一电容（4）和第二电容（5）；所述两条耦合传输线（3）分别位于中间介质层的上下表面，所述第一电容（4）和第二电容（5）的一端分别与一条耦合传输线（3）相连，另一端通过金属化接地通孔（6）与金属层相连；所述两层金属层（1）分别位于结构的最顶层表面和最下层表面，并通过金属化通孔（7）相连；所述金属层（1）与耦合传输线（3）之间至少设有一层介质层。


2.根据权利要求1所述的小型化多层宽带3-dB耦合器，其特征在于，所述两层金属层（1）外形轮廓与介质层一样，通过周围若干半圆柱金属化通孔（7）相连。


3.根据权利要求1所述的小型化多层宽带3-dB耦合器，其特征在于，上下相邻的端口馈线（2）均有一段相互耦合的部分，形成端口电容。


4.根据权利要求1所述的小型化多层宽带3-dB耦合器，其特征在于，每条耦合传输线（3）的电长度均小于四分之一波长。

【专利技术属性】
技术研发人员：吕云鹏，刘宝光，祝雷，程崇虎，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32