一种基于新型缺陷地结构的宽带微带耦合器

摘要

本发明公开基于缺陷地结构的宽带微带耦合器包括：缺陷地结构、微带结构信号层和端口，其中缺陷地结构包括：接地层、开口环和交指线；根据耦合器的技术指标耦合系数C、各端口的特性阻抗Z0、中心频率fc、以及微带基板的参数(εr，h)确定缺陷接地结构的f0和f1，使得f0＜fc＜f1，且见式Ⅰ，根据带宽要求选取f1/f0的值；根据f0、f1和(εr，h)确定缺陷接地结构的尺寸。利用仿真软件计算耦合微带线的宽度W和间距d以及长度P，再经过优化以满足设计要求。与传统的平行耦合线定向耦合器相比，加载交指线的开口环缺陷接地结构的宽带耦合微带定向耦合器可以有效提高耦合器的工作带宽；这种缺陷接地结构的存在可以提高耦合器的耦合度。

说明书

技术领域

本发明属于微波电路设计技术领域，具体的涉及一种宽带微带耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，在微波电路中应用广泛。在目前迅速发展的无线通讯领域，平面结构的定向耦合器得到了越来越广泛的应用空间。近几十年来，在各种文献上不断有新型结构的定向耦合器方案被提出，其中尤以微带线结构来实现最为广泛。同时随着通信领域对带宽的要求越来越高，如何研制宽带的定向耦合器也成为了一个紧迫的课题。传统的单节λ/4微带定向耦合器的带宽相对较窄。为了提高它的方向性和带宽，科研工作者提出了很多的改进方法，其中最常用的方法是把λ/4耦合器级联，但这种方法增加了耦合器的尺寸和设计的复杂性。此外还有耦合带条开槽法和渐变线法[1](顾其诤，项家祯，袁考康.微波集成电路设计，人民邮电出版社，1978)。

传统的微波电路设计中，往往局限于电路板表面设计，为最大化开发和利用有限的电路结构，为了满足日新月异的无线通信技术对小型化、低成本、低功耗、便携式通信设备的要求，多芯片模块、低温共烧陶瓷多层结构、SiP等集成技术相继问世。无论是在传统电路设计中，还是在这些新提出的电路集成技术中，人们却忽略了电路的背面——金属接地板的开发和利用。

1987年，E.Yablonovitch和S.John提出了光子带隙结构(photonicbandgap，简称PBG)，在微波频段又称电磁带隙结构(electromagneticbandgap，简称EBG)[2](E.Yablonovitch，“Inhibited spontaneousemission in solid-state physics and electronics”Phys.Rev.Lett.，1987，58(20)：2059-2062)；[3](S.John，“Strong localizationof photo in certain disordered dielectric super-lattices”，P Phys.Rev.Lett.，1987，58(23)：2486-2489)。周期光子带隙结构在某些频段内具有抑制效应，由于提取PBG电路的等效电路和电路参数比较复杂，因此，就增加了PBG电路应用到微波或毫米波电路中的难度。在研究EBG(PBG)结构基础上，1999年，韩国学者J.I.Park等人提出缺陷接地结构(defected ground structure，简称缺陷接地)[4](J.I.Park，C.S.Kim，J.Kim et al.“Modeling of a photonic band-gap anditsapplication for the low-pass filter design”Asia-PacificMicrowave Conference，1999，2：331-334，Singapore)。和EBG(PBG)结构类似，缺陷接地结构也是通过在电路的接地板上刻蚀出缺陷图案，以改变介质上微带线的分布电感和分布电容。与EBG(PBG)结构比较，缺陷接地结构仅由一个或几个缺陷单元构成，它的带隙中心频率仅由该缺陷单元结构决定。而EBG(PBG)结构是由若干个单元组成的阵列构成，它的带隙中心频率由阵列间距、阵列单元大小、阵列排列方式等诸多因素决定。相比之下，缺陷接地结构简单，可以采用简单的LC等效电路建模分析，且占用较小的电路面积，更适于微波毫米波集成电路实际应用。

发明内容

传统的单节λ/4微带定向耦合器的带宽相对较窄，不能满足通信领域对带宽越来越高的要求，为了解决现有技术的问题，本发明的目的是利用加载交指线的开口环缺陷接地结构缺陷接地，设计一种新型的宽带耦合微带定向耦合器。

为了实现本发明的目的，提供具有缺陷地结构的宽带耦合微带定向耦合器的技术方案，包括如下：

一接地层中间有一微带结构信号层；

一缺陷地结构位于微带结构信号层内。

根据本发明的实施例，采用一对微带结构的信号层，在两者长边的内侧之间具有一间距。

根据本发明的实施例，缺陷地结构对称于间距放置，且缺陷地结构的开口与微带结构信号层的间距重合放置。

根据本发明的实施例，所述缺陷地结构由接地层、由开口环和交指线组成，其中：

一接地层和微带结构的信号层中间有一开口环；

一开口环与一交指线连接。

根据本发明的实施例，所述开口环采用矩形形状；交指线交叉连接于开口环内。

根据本发明的实施例，在开口环的短边处置有一开口。

根据本发明的实施例，所述交指线等间距排列；交指线位于开口环长边的两端，并靠近开口处，并与开口环长边相互垂直。

本发明采取的技术方案产生的优点如下：

通常，平行耦合线定向耦合器有主线和辅线组成，两条平行微带线的长度为四分之一波长。在传统的耦合微带定向耦合器的接地平面引入加载交指线的开口环结构，如图2所示(在微带的接地层蚀刻出这种形状的缝隙，交指线的数目视具体应用而定)。这种结构的缺陷地由于加载了交指线，使得基本的谐振频率f₀减小，第一寄生谐振频率与基本的谐振频率的比值增加。

在微带传输线的接地层引入图1所示的缺陷地结构，电磁仿真得到的S参数曲线如图3所示，图中S11为端口的反射系数，S21为传输系数。由图可见，基本的谐振频率f₀＝0.68GHz，第一寄生谐振频率f₁＝2.88GHz。在f₀和f₁之间的频率范围内反射系数S11较大，这是由于缺陷接地结构的存在使得微带线的特性阻抗增加。通过以上分析得出，加载交指线的开口环形缺陷接地结构应用于平行耦合微带定向耦合器具有以下三个优点：

1.该结构基本的谐振频率较低、结构紧凑，有利于与λ/4耦合微带线结合。

2.在基本的谐振频率和第一寄生谐振频率之间的频率范围内，该结构的存在可以提高微带线的特性阻抗，有利于提高耦合器的耦合度。

3.该结构的第一寄生谐振频率与的比值的较大，有利于得到较宽的工作带宽。

本发明的有益效果是：其一，与传统的平行耦合线定向耦合器相比，加载交指线的开口环缺陷接地结构的宽带耦合微带定向耦合器可以有效提高耦合器的工作带宽；其二，加载交指线的开口环缺陷接地结构的存在可以提高耦合器的耦模阻抗，从而提高耦合器的耦合度。

附图说明

图1本发明基于缺陷接地结构的新型宽带耦合微带定向耦合器的结构示意图

图2本发明中加载交指线的开口环形状的缺陷接地结构图

图3加载交指线的开口环形缺陷接地微带线的S参数曲线

图4(a)基于缺陷接地结构的新型宽带耦合微带定向耦合器的S参数曲线的仿真结果；

图4(b)基于缺陷接地结构的新型宽带耦合微带定向耦合器的S参数曲线的实验测量结果

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1基于缺陷接地结构的新型宽带耦合微带定向耦合器的结构示意图所示包括：接地层1缺陷地结构4和微带结构信号层5；具体实施例如下：

所述采用两个微带结构的信号层5，在两个微带结构的信号层5的长边P内侧之间有一间距d。在每个微带结构的信号层5的两端部有两个端口6。

所述缺陷地结构4对称于间距d放置，且缺陷地结构4的开口g与微带结构信号层5的间距d重合放置。

如图2加载交指线的开口环形状的缺陷接地结构示意图，所述缺陷地结构4由接地层1、由开口环2和交指线3组成，其中：一接地层1和微带结构的信号层5中间有一开口环2；一开口环2与一交指线3连接。

所述开口环2采用矩形形状；交指线3交叉连接于开口环2内。

在开口环2的短边a处置有一开口g。所述交指线3等间距排列；交指线3位于开口环2长边a的两端，并靠近开口g处，并与开口环2长边a相互垂直。

本发明这种新型宽带耦合微带定向耦合器的设计步骤如下：

步骤一：确定耦合器指标：包括耦合系数C、各端口的特性阻抗Z₀、中心频率f_c、耦合器所用基板的等效介电常数ε_r和厚度h。本实施例中选择：C＝-10dB，f_c＝1.4GHz，Z₀＝50Ω，ε_r＝2.65，h＝1.5mm。

步骤二：根据耦合器的中心频率和带宽，确定缺陷接地结构4的基本谐振频率f₀和第一寄生谐振频率f₁，使得f₀＜f_c＜f₁。通常使$f_c=\sqrt{f_0·f_1},$根据带宽要求选取f₁/f₀的值。本实施例中f₀＝0.7GHz，f₁＝2.8GHz。

步骤三：根据f₀、f₁和基板参数(ε_r，h)确定缺陷接地结构4的尺寸，利用电磁仿真软件(Ansoft Designer、CST、IE3D等)仿真和优化。

步骤四：利用下列公式计算奇模阻抗和耦模阻抗Z_0o和Z_0e。

$Z_{0o}=Z_0\sqrt{\frac{|1-{10}^{C/20}|}{1+{10}^{C/20}}}---\left(1\right)$

$Z_{0e}=Z_0\sqrt{\frac{1+{10}^{C/20}}{|1-{10}^{C/20}|}}---\left(2\right)$

本设计中Z_0o＝36.04Ω，Z_0e＝69.37Ω。

步骤五：依据设计使用的基板参数(ε_r，h)和计算出的Z_0o和Z_0e，利用仿真软件(Ansoft Designer、CST、IE3D等)计算耦合微带结构信号层5的宽度W和间距d以及四分之一波长的长度P，再经过尺寸优化以达到技术指标的要求。

步骤六：根据优化后的缺陷地结构4的尺寸和微带结构信号层5的尺寸制作加工版图，进行加工。

步骤七：对加工电路板各端口6的S参数进行测量。

根据以上步骤本发明设计了耦合度为10dB的新型宽带耦合微带定向耦合器。图1中P代表微带结构信号层5的长度，W代表耦合微带线的宽度，d代表耦合微带线的间距，a代表缺陷地结构中开口环的长度，b代表开口环的宽度，g代表开口环的开口间距，L代表加载交指线的长度，s代表环线和交指线的宽度。该耦合器有缺陷地结构4和微带结构信号层5。本实施例中耦合微带线的长度P＝40mm，耦合微带线的宽度W＝6.6mm，耦合微带线的间距d＝1.3mm，缺陷地结构中开口环的长度a＝33mm，开口环的宽度b＝10.3mm，开口环的开口间距g＝0.9mm，加载交指线的长度L＝9.4mm，环线和交指线的宽度s＝1mm。基板的等效介电常数ε_r＝2.65，厚度h＝1.5mm，四个端口5的特性阻抗Z₀＝50Ω。

图4(a)给出了基于缺陷接地结构的新型宽带耦合微带定向耦合器的S参数曲线的仿真结果，图中S11代表耦合器端口1的反射系数，S21代表端口1到端口2的传输系数，S31代表端口1到端口3的耦合度，S41代表端口1与端口4的隔离度；

图4(b)给出了基于缺陷接地结构的新型宽带耦合微带定向耦合器的S参数曲线的实验测量结果；

图中的仿真和实验测量结果，可以看到，测量结果与仿真结果基本相符。从测量得到的S参数得到耦合器的性能指标如下：在0.8-2.0GHz(相对带宽为85.7％)的频带范围内，后向耦合度为10±0.5dB，反射系数小于-15dB，隔离度大于18dB。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。