一种基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器

摘要

本发明提出了一种基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器，该定向耦合器的结构分为四层，第一层和第三层均为陶瓷层，作为毫米波亚毫米波信号的传输介质；第二层为金属层，作为第一层和第三层信号的公用地；最底层为铁氧体复合材料，用于振荡吸收超指数线所辐射的微波能量。本发明采用铁氧体阻尼振荡式负载，可避免毫米波亚毫米波频段下热阻膜式吸收负载寄生效应对耦合器的影响，无热阻膜式吸收负载，隔离端反射小；而且，采用超指数线振荡式负载结构，阻抗过渡平滑，其工作频带更宽；再者，采用了平面多层耦合结构，有效提高空间利用率，且可直接和平面微带电路进行临时键合。

说明书

技术领域

本发明涉及微波领域，特别涉及一种基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波毫米波系统中应用广泛的一种微波器件，其功能是将微波信号按一定的比例进行功率定向分配。在微波网络分析仪、信号发生器中的功率装置、平衡放大器以及自动增益控制中都要用到定向耦合器。此外，在实现各种功能的微波组件以及整机中，都能看到定向耦合器发挥的作用。定向耦合器根据传输线类型可分为平面传输线结构和空间传输线结构。

与本发明最相近的实现方案是采用平面传输线结构的热阻膜式吸收负载微带定向耦合器和采用空间结构的矩形波导定向耦合器。

采用平面传输线结构的热阻膜式吸收负载微带定向耦合器原理框图如图1所示，微波信号从端口1输入耦合器，从端口2输出。平行于主传输线的耦合线从主传输线耦合一定比例的功率，将耦合信号由端口3输出。端口4一般接匹配负载以吸收由隔离端口输出的信号，防止其反射回其他端口。匹配负载采用热阻膜式吸收负载，热阻膜式吸收负载一端通过过孔与微带片下的金属地相连，一端接隔离端口，通过热阻膜式吸收负载吸收端口4输出的功率。

采用空间结构的矩形波导定向耦合器原理图如图2所示，微波信号经由波导端口1进入耦合器，从端口2输出。主传输波导的宽边开有一定大小和间隔的圆孔8，用以向平行于主传输波导的矩形波导耦合能量。耦合能量由端口3输出。端口4放置由铁氧体复合材料制作的劈尖型负载9以吸收端口4输出的能量，防止其反射到其他端口。

采用平面传输线结构的热阻膜式吸收负载微带定向耦合器，该阻膜一端与耦合器的隔离端口相连，另一端通过过孔接地，通过阻膜的热损耗吸收从隔离端输出的功率。采用热阻膜式吸收负载的微带定向耦合器，在射频和微波波段有优良的性能，而当工作频段进入毫米波亚毫米波频段时，薄膜电阻会产生明显的寄生效应，产生不可预知的寄生电感和电容，从而造成耦合器负载的失配，影响到耦合器的宽频工作状态。

采用空间结构的矩形波导定向耦合器，与平面电路连接必须通过过渡结构进行转化，与平面电路的集成度较差，不能满足当前对毫米波系统小型化的设计要求。

发明内容

为解决上述现有技术方案的不足，本发明提出了一种基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器，通过采用无电阻膜和平面多层结构的设计思路，克服热阻膜式吸收负载在毫米波亚毫米波频段下寄生效应明显、宽频特性差的问题，同时提升毫米波亚毫米波系统小型化和集成化程度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器，该定向耦合器的结构分为四层，第一层和第三层均为陶瓷层，作为毫米波亚毫米波信号的传输介质；第二层为金属层，作为第一层和第三层信号的公用地；最底层为铁氧体复合材料，用于振荡吸收超指数线所辐射的微波能量；

第一层陶瓷层的表面镀涂有厚度均匀的金属导带，包括一条主传输线和一条耦合线；输入信号从第一端口输入，第二端口输出，耦合信号由第三端口输出，隔离端口经由金属填充的过孔穿过第二层金属层并与第三层陶瓷层的超指数线相连接；

第三层陶瓷层的下表面也镀涂有厚度均匀的金属导带，该导带呈超指数螺旋渐变，即超指数线；第一层传入隔离端口的信号经由过孔穿过第二层金属层传入第三层的超指数线并沿其传输，由于超指数线的辐射效应，辐射的微波能量与铁氧体复合材料中电偶极子和磁畴发生阻尼振荡，被衰减吸收。

本发明的有益效果是：

(1)采用铁氧体阻尼振荡式负载，可避免毫米波亚毫米波频段下热阻膜式吸收负载寄生效应对耦合器的影响，无热阻膜式吸收负载，隔离端反射小；

(2)而且，采用超指数线振荡式负载结构，阻抗过渡平滑，其工作频带更宽；

(3)再者，采用了平面多层耦合结构，有效提高空间利用率，且可直接和平面微带电路进行临时键合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。

图1为采用平面传输线结构的热阻膜式吸收负载微带定向耦合器原理图；

图2为采用空间结构的矩形波导定向耦合器原理图；

图3为本发明的基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器原理图。

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，都属于本发明保护的范围。

射频功率定向耦合器是微波固态电路系统中的关键器件，广泛的应用在微波网络分析仪、信号发生器中的功率装置、平衡放大器以及自动增益控制系统当中。随着各种应用系统进入毫米波亚毫米波频段，传统平面传输线微带定向耦合器中的热阻膜式吸收负载，会产生明显的寄生效应，进而影响到耦合器的宽频性能；空间波导定向耦合器因在毫米波亚毫米波段有优良的性能，从而广泛的应用在各种毫米波亚毫米波系统中，但其与平面电路必须通过过渡结构进行能量转换，不利于电路整体的小型化和与平面电路的集成化。

本发明所解决得问题就是消除传统平面传输线定向耦合器在毫米波亚毫米波频段下热阻膜式吸收负载寄生效应，同时提高耦合器的空间利用率，提高可集成度。

本发明提出了一种基于超指数线振荡式负载的多层定向耦合器，如图3所示，该定向耦合器的结构分为四层，第一层和第三层均为陶瓷层(10、30)，作为毫米波亚毫米波信号的传输介质；第二层为金属层20，作为第一层和第三层信号的公用地；最底层为铁氧体复合材料层40，用于振荡吸收超指数线所辐射的微波能量。

上层陶瓷层的表面镀涂有厚度均匀金属导带，包括一条主传输线和一条耦合线。输入信号从端口1输入，端口2输出，耦合信号由端口3输出，隔离端口4经由金属填充的过孔50穿过第二层金属层20并与第三层陶瓷层30的超指数线31相连接；第三层陶瓷层30的下表面也镀涂有厚度均匀的金属导带，该导带呈超指数螺旋渐变，即超指数线31。第一层传入隔离端口4的信号经由过孔50穿过第二层金属层传入第三层的超指数线31并沿其传输，由于超指数线的辐射效应，辐射的微波能量与铁氧体复合材料中电偶极子和磁畴发生阻尼振荡，进而被衰减吸收，采用此种形式的负载在毫米波亚毫米波频段内有良好宽带特性。采用该平面多层结构设计的定向耦合器，抛弃的原有隔离端口处使用的热阻膜式吸收负载，消除了阻膜在高频工作条件下的寄生效应，此外该结构能够和平面传输线进行临时键合互联，有效提高了毫米波亚毫米波系统的集成度。

本发明的定向耦合器中，采用铁氧体阻尼振荡式负载，可避免毫米波亚毫米波频段下热阻膜式吸收负载寄生效应对耦合器的影响，无热阻膜式吸收负载，隔离端反射小；而且，采用超指数线振荡式负载结构，阻抗过渡平滑，其工作频带更宽；再者，采用了平面多层耦合结构，有效提高空间利用率，且可直接和平面微带电路进行临时键合。

本发明不仅克服了传统平面微带定向耦合器易受电阻膜负载寄生效应影响或同轴负载受大小和工作频率限制的缺点，而且解决了空间波导定向耦合器加工难度和成本过高，不易与平面电路集成难题，具有较好的宽频特性和较小的外形尺寸，尤其在毫米波亚毫米波频段具有很好的使用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。