谐波抑制宽带贴片耦合器及其调整功分比的方法、同时实现宽带和二次谐波抑制的方法

摘要

本发明涉及一种谐波抑制宽带贴片耦合器及其调整功分比的方法、同时实现宽带和二次谐波抑制的方法，其结构包括从上往下依次排布的扇形贴片层、顶层介质基板、电磁带隙层、底层介质基板以及金属地层；所述扇形贴片层包括两对半径一大一小且圆心角均为90度的扇形贴片组，每一对扇形贴片组的两个扇形贴片以原点对称。相邻两个扇形贴片之间设有输出端口；所述电磁带隙层阵列布置有N*N个矩形良导体贴片，N为大于等于2的正整数；所述底层介质基板对应矩形良导体贴片的中心设有金属过孔，金属过孔贯穿底层介质基板、并分别与矩形良导体贴片和金属地层连接。发明可以同时实现宽带和二次谐波抑制功能的任意公分比输出。

说明书

技术领域

本发明涉及微波通信中使用的耦合器，特别涉及一种可同时实现宽带和二次谐波抑制的任意功分比输出的谐波抑制宽带贴片耦合器。

背景技术

耦合器是一种具有方向性的功率分配元件，它能从主传输系统的正向波中按照不同比例把功率分配到耦合端。在功率增益控制器件、平衡放大器、调制解调电路、相控阵雷达系统的馈电网络中，都需要用到耦合器。

如今用来实现宽带和谐波抑制的方法主要有以下几种：

一是设计一种结构基于贴片结构的正交耦合器，来实现带宽的拓展，它由四个圆心角为90°，半径可调的扇形金属贴片构成。但是这种设计无法同时抑制谐波的通过。

二是设计一种结构基于电磁带隙的分支线耦合器，实现谐波的抑制功能。由于慢波效应的存在，这种设计的尺寸也得到进一步减小。但是此设计牺牲了耦合器的带宽。

三是设计一种使用集总原件带阻谐振器的耦合器，因为带阻谐振器本身具备谐波抑制功能，通过在耦合器中使用带阻谐振器来实现谐波抑制所需要的高通和低通特性，实现谐波抑制的功能。

四是使用一段耦合线部分插入传统耦合器的低阻抗微带线，由于固有的在奇次谐波的不对称性，可以实现耦合器的谐波抑制。

然而，以上的宽带和谐波抑制的任意输出功分比耦合器的研究只能单一实现宽带或者谐波抑制功能之一，未能同时实现两者并满足任意功分比输出功能。因此，需要一种能同时实现宽带和二次谐波抑制并输出任意功分比的耦合器结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术结构中存在的不足，而提供一种结构简单、合理，可以同时实现宽带和二次谐波抑制功能的任意公分比输出的谐波抑制宽带贴片耦合器。

本发明的目的是这样实现的：

一种谐波抑制宽带贴片耦合器，其特征是，包括从上往下依次排布的扇形贴片层、顶层介质基板、电磁带隙层、底层介质基板以及金属地层；所述扇形贴片层包括两对半径一大一小且圆心角均为90°的扇形贴片组，每一对扇形贴片组的两个扇形贴片以原点对称。相邻两个扇形贴片之间设有输出端口；所述电磁带隙层阵列布置有N*N个矩形良导体贴片，N为大于等于2的正整数；所述底层介质基板对应矩形良导体贴片的中心设有金属过孔，金属过孔贯穿底层介质基板、并分别与矩形良导体贴片和金属地层连接。

上述两对扇形贴片组共四个扇形贴片的半径可调，圆心角为90°，用以实现基本正交耦合器功能。矩形良导体贴片与金属过孔共同构成蘑菇型结构，用以同时实现所提出耦合器的宽带和二次谐波抑制功能。所述蘑菇型结构的中心位于矩形良导体贴片的圆心位置正下方，整个耦合器由顶层介质基片和底层介质基片压制而成，从而同时实现所提出耦合器的宽带和二次谐波抑制功能。本发明首次提出一种能同时实现宽带和二次谐波抑制，且输出任意功分比的贴片耦合器，大大降低了设计不同要求耦合器的成本和复杂度。可用于C波段卫星电视广播和小型卫星地面站等无线通信系统。

上述扇形贴片层包括两对半径一大一小且圆心角均为90°的扇形贴片组，每一对扇形贴片组的两个扇形贴片以原点对称，也就是说贴片耦合器包括两对半径不等且其圆心角均等于90°的四个扇形组成，半径相等扇形以原点对称且半径可调，以改变能量导向比例大小，从而影响端口功分比输出。所述扇形半径共同影响耦合器工作频率，耦合器工作频率会随着扇形半径的增大而减小。

所述蘑菇型结构为一种电磁带隙结构，对于特定频率的信号具有阻带效果，从而实现二次谐波的抑制功能。此外，其所产生的慢波效应保证了所提出的耦合器尺寸没有进一步加大。由于顶层介质基板（第二层介质基片）的介入，针对扇形贴片层（贴片耦合器）进行阻抗匹配，从而实现宽带功能。

本发明的目的还可以采用以下技术措施解决：

作为更具体的一种方案，所述扇形贴片层的输出端口设有四个，各输出端口分别连接有50欧姆微带线。

所述N为4或5。

所述两对扇形贴片组分别为第一扇形贴片组和第二扇形贴片组，第一扇形贴片组中扇形贴片的半径R1为4.9mm，R2为6.6mm，第二扇形贴片组中扇形贴片的半径R1为1.3mm，R2为4.9mm。能通过调整扇形贴片的半径大小，在任意单个频率实现任意功分比输出。

所述矩形良导体贴片呈边长为Wp的正方形，第一扇形贴片组中扇形贴片的Wp为2.8mm，第二扇形贴片组中扇形贴片的Wp为2.6mm，两扇形贴片组中矩形良导体贴片之间间隙G为0.8mm。

所述金属过孔的半径Rv为0.25mm

所述矩形良导体贴片与金属过孔连接构成蘑菇型结构，矩形良导体贴片与金属过孔连接后的厚度等于底层介质基板厚度h，h为0.508mm。采用蘑菇型结构的贴片耦合器，能同时实现宽带和二次谐波抑制并实现任意功率分配比的输出。蘑菇型结构内单个矩形良导体贴片的面积、矩形良导体贴片之间的距离、金属过孔的直径均为可调量，用以同时实现对于所提出耦合器不同功分比的宽带和二次谐波抑制功能。

所述顶层介质基板和底层介质基板厚度相等、并压制成一体。

一种谐波抑制宽带贴片耦合器调整功分比的方法，其特征是，通过调整两对扇形贴片组的半径比值可以控制耦合器任意功分比的输出。

一种谐波抑制宽带贴片耦合器同时实现宽带和二次谐波抑制的方法，其特征是，当需要的功分比由调整两对扇形贴片组的半径比值得到时，改变矩形良导体贴片的边长、相邻矩形良导体之间间隙、金属过孔的半径、矩形良导体贴片数量的值可以同时实现耦合器宽带和二次谐波抑制的功能, 使得矩形良导体贴片与金属过孔连接构成的蘑菇型结构只影响耦合器的工作频率，而不影响功率分配特性，同时在二次谐波频率实现信号抑制。

与现有技术相比，实施本发明中所采用的蘑菇型结构的贴片耦合器，具有以下效果：

1、在贴片的介质基片下方使用蘑菇型结构，可以使得特定频率的信号通过耦合器，同时抑制特定频率的信号通过耦合器，从而实现谐波抑制功能。可以通过调整顶层基片上的四个圆心角为90°的扇形的半径实现任意功分比输出。

2、所述蘑菇型结构为电磁带隙结构，由于其中的慢波效应，单位长度内的电长度更长，由此所设计电路的尺寸不会进一步增大。

3、用贴片取代以往所使用的分支线结构，使结构更简单，成本更低。

4、相对于别的结构而言，本发明能提供较宽的相对带宽。

5、相对于分支线结构而言，本发明可以在实现较大的功分比，其耦合系数最大可以达到6 dB。

6、相对于别的微带线结构而言，本发明更加适合在高工作频率的情况下使用。

附图说明

图1为本发明一实施例结构示意图。

图2为本发明俯视状态下扇形贴片层与蘑菇型结构的位置关系图。

图3为本发明侧面结构示意图。

图4为本发明扇形贴片层结构示意图。

图5为本发明电磁带隙层结构示意图。

图6为用以反映本发明蘑菇型结构的侧面透视图。

图7为发明一实施例耦合系数对比的仿真与实测效果对比图。

图8为发明一实施例相位差对比的仿真与实测效果对比图。

图9为发明另一实施例耦合系数对比的仿真与实测效果对比图。

图10为发明另一实施例相位差对比的仿真与实测效果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例所采用的技术方案进行清晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。

参见图1和图6所示，一种谐波抑制宽带贴片耦合器，包括从上往下依次排布的扇形贴片层101、顶层介质基板102、电磁带隙层103、底层介质基板104以及金属地层105；所述扇形贴片层101包括两对半径一大一小且圆心角均为90°的扇形贴片组201，每一对扇形贴片组201的两个扇形贴片以原点对称，相邻两个扇形贴片之间设有输出端口203；所述电磁带隙层103阵列布置有N*N个矩形良导体贴片202，N为大于等于2的正整数；所述底层介质基板104对应矩形良导体贴片202的中心设有金属过孔，金属过孔贯穿底层介质基板104、并分别与矩形良导体贴片202和金属地层105连接。

所述扇形贴片层101的输出端口203设有四个，各输出端口203分别连接有50欧姆微带线（连接微带线）。

所述N为4或5。

所述两对扇形贴片组201分别为第一扇形贴片组和第二扇形贴片组，第一扇形贴片组中扇形贴片的半径R1为4.9mm，R2为6.6mm，第二扇形贴片组中扇形贴片的半径R1为1.3mm，R2为4.9mm。所述矩形良导体贴片202呈边长为Wp的正方形，第一扇形贴片组中扇形贴片的Wp为2.8mm，第二扇形贴片组中扇形贴片的Wp为2.6mm，两扇形贴片组中矩形良导体贴片202之间间隙G为0.8mm。

所述金属过孔的半径Rv为0.25mm。

所述矩形良导体贴片202与金属过孔连接构成蘑菇型结构，矩形良导体贴片202与金属过孔连接后的厚度等于底层介质基板104厚度h，h为0.508mm。

所述顶层介质基板102和底层介质基板104厚度相等、并压制成一体。

上述顶层介质基板102采用厚度为0.508 mm的Rogers RO4003C材料介质基板，其介电常数为3.38。底层介质基板104采用厚度为0.508mm的Rogers RO 4003C材料介质基板，其介电常数为3.38。金属地层105采用铺满良导体的结构。

由于本发明采用贴片结构，改变其结构中的尺寸参数，如R1、R2、Wp、G、Rv、N的大小会同时影响耦合器的功分比，宽带和二次谐波抑制的性能，因此可以通过调整上述尺寸的大小来实现宽带、二次谐波抑制、任意功分比输出的耦合器结构。

调整功分比的方法：

改变所提出耦合器中的R1，R2可以用来对耦合器的功率分配比进行调整，当R2、Wp、G、Rv参数不变，调整R1的尺寸变小时，耦合系数S21将会变大，而耦合系数S31将会变小。当R1、Wp、G、Rv参数不变，R2变小时，耦合系数S21将会变小，而耦合系数S31将会变大，由此可以得出，R1和R2的比值可以控制耦合器任意功分比的输出。

同时实现宽带和二次谐波抑制的方法：

当需要的功分比由调整R1和R2的比值得到时，改变Wp、G、Rv、N的值可以同时实现耦合器宽带和二次谐波抑制的功能, 使得蘑菇型结构只影响耦合器的工作频率而不影响功率分配特性，同时在二次谐波频率实现信号抑制。

下面给出两组不同的仿真和实测结果对比以展示表明本发明的效果。

参见图7和图8所示，其展示的是用本发明在6.85 GHz同时实现宽带和二次谐波抑制功能的等功分输出的仿真与实测对比图，设计实例1在输出端口203的耦合系数为3.5±0.5dB 。具体电路参数为：R1 = 4.9 mm，R2 = 6.6 mm，Wp = 2.8 mm，G= 0.8 mm，Rv = 0.25 mm，N =4。该耦合器工作频率为5.6 GHz-8.1 GHz，相对带宽为36.5%z。在此工作频率范围内，端口3与端口2之间相位差为89°±2°，端口2和端口3间幅度不平衡度小于1 dB。所设计电路显示出良好的二次谐波抑制功能，在二次谐波频率实现了和少14db的谐波抑制功能。

参见图9和图10所示，其展示的是用本发明在较高工作频率点同时实现宽带和二次谐波抑制功能的大功分比输出的仿真与实测对比图，设计实例二在2端口提供6dB的耦合系数(耦合范围为6.5±0.5dB)。 图中电路的参数为：R1 = 1.3 mm，R2 = 6.1 mm，Wp = 2.6 mm, G = 0.8 mm，Rv = 0.25 mm，N =5。该耦合器工作频率为5 GHz-8 GHz，相对带宽为46.2%。在此工作频率范围内，端口3与端口2之间相位差为90°±6°。在二次谐波频率范围内，所设计电路显示出良好的二次谐波抑制功能，实现了和少15dB的谐波抑制功能，可见本发明可用以实现大耦合系数输出。

其中，图7和图10中，S-parameters指的是耦合系数，Frequency指的是频率，Phase Difference（Degree）指的是相位差（度），Simulated指的是仿真 ，Measured指的是实际。

以上的结果均在基板材料为Rogers RO4003C，介电常数为3.38，基板厚度为0.508 mm的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高，表明了本发明的方案切实可行。

以上是对本发明一种能同时实现宽带和二次谐波抑制并提供任意不等功分比输出的新型耦合器所提供实施例的详细介绍，同时包括了实现调整工作频率及在相应工作频率调整其功分比的方法。本文运用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。