阅读说明：本技术 一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路 (Miniaturized broadband forward wave directional coupler unit circuit ) 是由 于正永 易鑫 施永荣 钱建波 王志勃 乔琪 丁胜高 张悦 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路。该前向波定向耦合器单元电路共有五层电路结构。开槽的耦合微带线位于整体电路第一层,交指金属平行板位于整体电路第二层和第三层,开槽的耦合微带线和交指金属平行板通过金属过孔连接；垂直折叠金属线从第二层中间位置开始,折叠弯曲至第四层中间位置,层与层之间通过金属过孔连接；第五层为整体电路的参考地。所述五层电路结构的每层金属层之间为衬底介质。5个单元电路的级联,增大了奇偶模累积相位差,在5.5-9GHz频段内实现0.5dB的能量耦合度,耦合相对带宽达48.27％。所述前向波定向耦合器单元电路大大缩小了整体电路尺寸,结构较简单,实用性较强。(The invention discloses a miniaturized broadband forward wave directional coupler unit circuit. The forward wave directional coupler unit circuit has a five-layer circuit structure. The slotted coupling microstrip line is positioned on the first layer of the whole circuit, the interdigital metal parallel plates are positioned on the second layer and the third layer of the whole circuit, and the slotted coupling microstrip line and the interdigital metal parallel plates are connected through a metal through hole; the vertical folding metal wire is folded and bent to the middle position of the fourth layer from the middle position of the second layer, and the layers are connected through metal through holes; the fifth layer is the reference ground of the whole circuit. And a substrate medium is arranged between each metal layer of the five-layer circuit structure. The cascade connection of 5 unit circuits increases the accumulated phase difference of odd-even mode, realizes 0.5dB energy coupling degree in the frequency band of 5.5-9GHz, and the relative coupling bandwidth reaches 48.27%. The forward wave directional coupler unit circuit greatly reduces the size of the whole circuit, and has a simpler structure and stronger practicability.)

一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路

技术领域

本发明属于无源微波器件领域，具体涉及一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路。

背景技术

定向耦合器是一种能够按一定比例进行能量分配的无源微波器件，经常集成在各种微波毫米波电路中。

定向耦合器的耦合机制有两种：后向耦合与前向耦合。后向耦合的耦合强度由奇偶模特性阻抗差值决定，而前向耦合的耦合强度则由奇偶模相位差决定；与后向耦合相比，基于前向耦合机制的耦合器(前向波定向耦合器)能够实现较高的耦合强度，理想条件下能够达到0dB。在实际设计中，定向耦合器采用的技术主要分为三种：(1)利用分支节结构或波导实现耦合，缺点是带宽较窄、耦合度低，且尺寸较大，不能适应现代小型化电路系统集成的需求；(2)在耦合微带线的参考地平面引入缺陷地结构(DGS，Defect GroundStructure)，增大奇偶模之间的相位差，从而缩小电路尺寸，实现能量耦合，但DGS结构的耦合带宽较窄，且需要额外的阻抗匹配结构；(3)多层电路技术，涉及到的主要工艺技术有多层PCB工艺和低温共烧陶瓷(LTCC，Low Temperature Co-Fired Ceramic)工艺。本发明采用的是第三种技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路，实现宽带高耦合度的同时缩小电路尺寸。通过5个单元的级联，本发明在5.5-9GHz频段内达到0.5dB耦合强度，同时直通、隔离、驻波均在-10dB以下，耦合相对带宽达48.27％，结构简单，实用性较强。

本发明采用的技术方案如下：

该前向波定向耦合器单元电路共有五层电路结构，包括开槽的耦合微带线、交指金属平行板、金属过孔和多层垂直折叠金属线。开槽的耦合微带线位于整体电路第一层；交指金属平行板分别位于整体电路第二层和第三层，通过金属过孔分别与第一层开槽的耦合微带线连接，形成串联交指电容；垂直折叠金属线从第二层中间位置开始，折叠弯曲至第四层中间位置，层与层之间通过金属过孔连接，实现并联折叠电感。第五层为整体电路的参考地。五层电路结构的每层金属层之间为衬底介质。

本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路利用多层电路的优势，采用交指金属平行板结构实现串联交指电容，且在垂直方向上将金属互连线折叠，合理利用电路面积，实现并联折叠电感。对于偶模激励，开槽耦合微带线与交指金属平行板形成了一个串联交指电容，由于对称面可以等效为理想磁壁，多层垂直折叠金属线可以等效为开路，整体电路引入了一个串联谐振点，偶模能够在合适的频点传输；对于奇模激励，由于对称面可以等效为理想电壁，交指金属平行板之间的互连线中点可以等效为虚拟地，引入了一个并联到地的电感，整体电路构成了复合左右手(CRLH，composite right/left hand)传输线，拥有串联谐振点与并联谐振点；通过合理调节并联谐振点可以使奇偶模相位起始点分离，增大奇偶模之间相位差(每个单元电路提供36°相位差)，缩小电路尺寸。通过5个单元电路的级联，该前向波定向耦合器在5.5-9GHz频段范围内实现0.5dB的能量耦合，同时能够保持良好的阻抗匹配，实现电路的小型化。

附图说明

图1为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路三维结构示意图。

图2为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路的俯视图。

图3为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路剖分示意图。

图4为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路的MM₁剖视图。

图5为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路的LL₁剖视图。

图6为本发明5个单元电路级联后的散射参数(S参数)仿真结果图。

其中，附图标记说明如下：1-开槽的耦合微带线，第一层电路；2-交指金属平行板、第一层垂直折叠金属线，第二层电路；3-交指金属平行板、第二层垂直折叠金属线，第三层电路；4-第三层垂直折叠金属线，第四层电路；5-整体电路参考地，第五层电路；MM₁为开槽的耦合微带线对称面；LL₁为交指金属平行板处剖切面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路具体实施方式进行说明：

结合图1和图2，本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路共有五层电路结构，均由金属构成，层与层之间是介质。其中，包括开槽的耦合微带线、交指金属平行板、金属过孔和多层垂直折叠金属线。本发明采用的是LTCC工艺，介质材料为FerroA6M，相对介电常数ε_r＝5.9，损耗角正切tanδ＝0.002，介电常数较大，利于实现电路尺寸的小型化。开槽的耦合微带线的线宽w＝1.8mm，耦合间距s＝1.2mm，单元周期d＝6mm，折叠金属线宽度m＝0.15mm，折叠金属线距开槽的耦合微带线距离w₁＝0.3mm，折叠金属线单侧长度L＝1.2mm。

图3为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路剖分示意图，MM₁为开槽的耦合微带线对称面，LL₁为交指金属平行板处剖切面。

图4为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路的MM₁剖视图，这是垂直折叠的金属线，该金属线从整体电路第二层中间位置开始，通过弯曲折叠至第四层中间位置，层与层之间通过金属过孔连接，过孔半径r＝0.075mm，第一层与第四层金属间的3层介质厚度均为h₁＝0.098mm，整体电路介质厚度h＝1.176mm。

图5为本发明所提供的小型化宽带前向波定向耦合器单元电路的LL₁剖视图，这是交指金属平行板与开槽的耦合微带线的垂直分布情况。耦合微带线在距单元中点L₁/2处开槽，槽宽g＝0.15mm，通过金属过孔与第二层和第三层的交指金属平行板相连，平行板重合区域长度L₁＝0.4mm。

图6为本发明5个单元级联后的散射参数(S参数)仿真结果，其中S₁₁代表驻波，S₂₁为直通端的输出，S₃₁为耦合端口输出，S₄₁为隔离端口输出。对于奇偶模激励而言，通过该前向波定向耦合器单元电路，在5.5-9GHz频段范围内实现180°累计相位差，最高耦合强度S₃₁达0.5dB，耦合带宽达48.27％，在5.8-9GHz频段范围内驻波S₁₁、直通端S₂₁与隔离端口S₄₁均在-10dB以下，结构简单，实用性较强。