專利名稱：補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元及分支線耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波分支線耦合器的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元以及基于該微帶諧振單元的分支線耦合器。
背景技術(shù)：
分支線耦合器在微波集成電路中廣泛應(yīng)用，尤其是功率等分的-3dB耦合器，不僅制作容易，而且它的輸出端口位于同一側(cè)，因而結(jié)構(gòu)上易于同半導(dǎo)體器件結(jié)合，構(gòu)成如平衡混頻器、移相器和開關(guān)等集成電路。分支線耦合器兩個(gè)輸出端口的輸出信號(hào)，在中心頻率的理論相位差總是90度。
圖1顯示了傳統(tǒng)的分支線耦合器的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看到，在耦合器內(nèi)部共有四條微帶線組成，其中橫向的兩條微帶線的特征阻抗為35Ω，垂直的兩條微帶線的特征阻抗為50Ω，每條微帶線的長度都是工作頻率的四分之一波長。該分支線耦合器，工作頻率為2.4GHz，使用普通的微波襯底材料，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm，整個(gè)分支線耦合器的大小為23.2mm×24.1mm。其中橫向微帶線的線寬為1.28mm，特征阻抗設(shè)計(jì)為35Ω；垂直微帶線的線寬為0.78mm，特征阻抗設(shè)計(jì)為50Ω。四個(gè)端口的輸入輸出阻抗均為50Ω。從端口1輸入一個(gè)信號(hào)，將分別從端口2、3輸出該信號(hào)一半的功率，即信號(hào)強(qiáng)度是原來的-3dB，并且端口2、3的相位差為90度。同時(shí)理想的分支線耦合器，在端口1、4之間有著良好的隔離度。圖2是以2.4GHz為例的傳統(tǒng)分支線耦合器的頻率響應(yīng)圖。圖中，S21、S31是端口1分別到端口2、3的傳輸特性，在2.4GHz都接近-3dB；S11是耦合器的反射損耗曲線，其駐波非常理想；S41是端口1和端口4的隔離度，在其工作頻段內(nèi)，具有非常理想的隔離度。這種傳統(tǒng)的分支線耦合器在工作頻帶內(nèi)有非常理想的性能，并且目前在微波電路中也得到了廣泛的應(yīng)用。但是通過觀察其2階和3階諧波信號(hào)發(fā)現(xiàn)，該分支線耦合器在工作頻率的諧波頻段具有相似的頻率響應(yīng)。在通信頻譜日益擁擠的今天，電磁干擾成為一個(gè)嚴(yán)重的問題，所以抑制諧波成為一個(gè)必需考慮的問題。通常的微波通信系統(tǒng)都是在系統(tǒng)內(nèi)部加入低通濾波器或者帶通濾波器來達(dá)到抑制諧波的目的，這樣的作法不僅增加了系統(tǒng)的體積，增大了成本，無源濾波器存在差損，降低了系統(tǒng)性能。并且在系統(tǒng)內(nèi)部器件互聯(lián)的時(shí)候，有可能產(chǎn)生失配，惡化系統(tǒng)性能。而且在低頻頻段，該分支線耦合器形狀過于龐大，不能非常有效的利用襯底空間，所以此種結(jié)構(gòu)并不十分理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種整體尺寸小、對(duì)諧波抑制作用強(qiáng)的補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元及用其構(gòu)成的分支線耦合器，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的體積大、成本高、無源濾波器存在差損、系統(tǒng)性能差等缺陷。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元，包括輸入端、輸出端、螺旋微帶線和中間微帶線，所述螺旋微帶線以中間微帶線為對(duì)稱線對(duì)稱設(shè)置，所述中間微帶線的兩端分別與輸入端和輸出端相連，所述螺旋微帶線為由中間微帶線中心引出且一端向內(nèi)折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心引出的長環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線位于中間微帶線的同一側(cè)。
所述螺旋微帶線有四個(gè)，分別從中間微帶線中心向上下左右引出且一端向內(nèi)螺旋折疊。
所述長環(huán)帶狀開路補(bǔ)償微帶線的電長度為工作頻率四分之一波長的兩倍，作用是在工作頻率的2階諧波產(chǎn)生抑制作用。所述短環(huán)帶狀開路補(bǔ)償微帶線的電長度視需要補(bǔ)償?shù)南辔欢ǎ溆糜趯⒄麄€(gè)補(bǔ)償型微帶諧振單元的相移補(bǔ)償?shù)焦ぷ黝l率的四分之一波長。螺旋微帶諧振單元的禁帶頻率設(shè)計(jì)為工作頻率的3階諧波，作用是抑制3階諧波，并且利用其慢波效應(yīng)，減小電路面積。
進(jìn)一步，基于上述補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元發(fā)明了分支線耦合器，所述分支線耦合器由如上所述的補(bǔ)償型微帶諧振單元相互連接成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線位于分支線耦合器的內(nèi)部。
所述分支線耦合器的橫向的兩個(gè)微帶諧振單元的特征阻抗為35Ω，垂直的兩個(gè)微帶諧振單元的特征阻抗為50Ω。
由以上公開的技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元通過采用微帶內(nèi)的螺旋結(jié)構(gòu)，加上長短各兩個(gè)開路補(bǔ)償微帶線來補(bǔ)償微帶頻率響應(yīng)和相位，使其對(duì)于諧波有很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)整體尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，而且兩者插入損耗相當(dāng)。此外，基于上述補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器，通過將長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)分別位于分支線耦合器的內(nèi)部，這樣可以充分利用襯底材料，節(jié)省空間。同傳統(tǒng)的四分之一波長分支線耦合器同樣具有很好的端口駐波、隔離度，在端口2、3具有功率等分，相位差為90度的基本特性。然而具有傳統(tǒng)分支線耦合器所不具有的諧波抑制功能，而且電路面積大大減小。本發(fā)明可用任何適合微波電路的襯底材料制作。本發(fā)明的基于補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器的工作頻率可以根據(jù)需要來設(shè)計(jì)，基于此螺旋微帶的長度、長環(huán)帶狀補(bǔ)償微帶開路線和短環(huán)帶狀補(bǔ)償微帶開路線的長度都需要視具體的工作頻率來確定。


圖1為已有的傳統(tǒng)分支線耦合器結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖2為傳統(tǒng)的2.4GHz分支線耦合器頻率響應(yīng)圖。
圖3為本發(fā)明的特征阻抗為35Ω補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元。
圖4為本發(fā)明的特征阻抗為50Ω補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元。
圖5為本發(fā)明的特征阻抗為50Ω補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的頻率響應(yīng)曲線。
圖6為本發(fā)明的基于補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的2.4GHz分支線耦合器結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖7為本發(fā)明的基于補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的2.4GHz分支線耦合器頻率響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明補(bǔ)償型微帶螺旋諧振單元及其分支線耦合器實(shí)施例及詳細(xì)說明一種補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種補(bǔ)償型微帶諧振單元的結(jié)構(gòu)布局如圖3、圖4所示。圖3、圖4的結(jié)構(gòu)分別是工作頻率下特征阻抗為35Ω和50Ω的傳輸線。其包括輸入端1、輸出端2、螺旋微帶線5和中間微帶線6，所述螺旋微帶線5以中間微帶線6為對(duì)稱線對(duì)稱設(shè)置，所述中間微帶線6的兩端分別與輸入端和輸出端相連，所述螺旋微帶線5為由中間微帶線6中心61引出且一端向內(nèi)折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心61引出的長環(huán)帶狀的微帶開路線7和短環(huán)帶狀的微帶開路線8，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的微帶開路線7、8位于中間微帶線6的同一側(cè)。螺旋微帶諧振單元的禁帶設(shè)計(jì)在工作頻率的3階諧波，從而達(dá)到抑制3階諧波的目的。由于螺旋微帶諧振單元在低頻通帶內(nèi)存在阻抗失配，引起插損過大。加上補(bǔ)償?shù)奈ч_路線7和8，補(bǔ)償了低頻通帶內(nèi)的阻抗不平衡，并且7的電長度為工作頻率四分之一波長的兩倍，從而抑制了2階諧波。圖5為兩端端口阻抗為50Ω的補(bǔ)償性螺旋微帶諧振單元的頻率響應(yīng)圖，圖中打星號(hào)的曲線為反射損耗，在工作頻率2.4GHz，端口阻抗嚴(yán)格匹配到50Ω，具有非常理想的駐波特性；打方塊的曲線為傳輸損耗曲線，在工作頻率2.4GHz傳輸損耗與傳統(tǒng)的微帶線相當(dāng)，并且從圖中可以看到在2階和3階諧波處，具有30dB以上的隔離度。
本發(fā)明根據(jù)圖3和圖4實(shí)施例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作頻率為2.4GHz的分支線耦合器，如圖6所示。所述分支線耦合器由如上所述的補(bǔ)償型微帶諧振單元9相互連接成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的微帶開路線位于分支線耦合器的內(nèi)部。其制作在介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm的微波襯底上，尺寸為10.7mm×12.5mm，面積為傳統(tǒng)分支線耦合器的四分之一。其中91是特征阻抗為35Ω的補(bǔ)償性螺旋微帶諧振單元，其寬度為1.28mm，這兩個(gè)單元分別成中心對(duì)稱水平放置，開路補(bǔ)償微帶線7、8放置在耦合器內(nèi)部，節(jié)省襯底面積。其中92是特征阻抗為50Ω的補(bǔ)償性螺旋微帶諧振單元，其寬度為0.78mm，這兩個(gè)單元分別成中心對(duì)稱豎直放置，同樣開路補(bǔ)償微帶線放置在耦合器內(nèi)部以節(jié)省襯底面積。端口1、2、3、4對(duì)應(yīng)于50Ω特征阻抗，其寬度均為0.78mm。特征阻抗為35、50Ω的補(bǔ)償性螺旋微帶諧振單元和輸入輸出端口之間用T型頭連接。本發(fā)明中僅以2.4GHz工作頻率為例來說明，使用該結(jié)構(gòu)同樣可以設(shè)計(jì)其他工作頻率的分支線耦合器。本發(fā)明還可以使用氧化鋁陶瓷等其他材料的襯底。
圖7為本分支線耦合器實(shí)例的響應(yīng)曲線圖，圖中打星號(hào)的曲線為耦合器端口1的反射系數(shù)在工作頻率2.4GHz，反射系數(shù)都小于-30dB，在2階和3階諧波處反射系數(shù)都接近0dB。圖中打三角形的曲線為，端口1和端口4的隔離度，在工作頻率2.4GHz，隔離度都大于30dB。其他兩條曲線分別為端口1到端口2和端口1到端口3的傳輸系數(shù)，可以看到功率從端口1進(jìn)入，分別在端口2和端口3等分，并且相位差為90度。
本發(fā)明根據(jù)圖6實(shí)例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分支線耦合器中心頻率為2.4GHz，尺寸只有10.7mm×12.5mm。該分支線耦合器的頻率響應(yīng)曲線如圖7所示，工作頻率2.4GHz性能同傳統(tǒng)的分支線耦合器相同，但是在2階和3階諧波出具有很強(qiáng)的抑制作用。
權(quán)利要求
1.一種補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元，包括輸入端、輸出端、螺旋微帶線和中間微帶線，所述螺旋微帶線以中間微帶線為對(duì)稱線對(duì)稱設(shè)置，所述中間微帶線的兩端分別與輸入端和輸出端相連，其特征在于，所述螺旋微帶線為由中間微帶線中心引出且一端向內(nèi)折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心引出的長環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線位于中間微帶線的同一側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元，其特征在于，所述螺旋微帶線有四個(gè)，分別從中間微帶線中心向上下左右引出且一端向內(nèi)螺旋折疊。
3.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元，其特征在于，所述長環(huán)帶狀開路補(bǔ)償微帶線的電長度為工作頻率四分之一波長的二倍。
4.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元，其特征在于，所述短環(huán)帶狀開路補(bǔ)償微帶線的電長度視需要補(bǔ)償?shù)南辔欢?，其用于將整個(gè)補(bǔ)償型微帶諧振單元的相移補(bǔ)償?shù)焦ぷ黝l率的四分之一波長。
5.一種基于權(quán)利要求1～4所述的補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器，其特征在于，所述分支線耦合器由權(quán)利要求1～4所述的補(bǔ)償型微帶諧振單元相互連接成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述的長環(huán)帶狀和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線位于分支線耦合器的內(nèi)部。
6.如權(quán)利要求5所述的分支線耦合器，其特征在于，所述分支線耦合器的橫向的兩個(gè)微帶諧振單元的特征阻抗為35Ω，垂直的兩個(gè)微帶諧振單元的特征阻抗為50Ω。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元其包括輸入端、輸出端、螺旋微帶線和中間微帶線，螺旋微帶線以中間微帶線為對(duì)稱線對(duì)稱設(shè)置，螺旋微帶線為由中間微帶線中心引出且一端向內(nèi)折疊的螺旋形微帶開路線；還包括中間微帶線中心引出的長環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線和短環(huán)帶狀的開路補(bǔ)償微帶線，所述開路補(bǔ)償微帶線位于中間微帶線的同一側(cè)。本發(fā)明進(jìn)一步公開了基于上述補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元的分支線耦合器。在基頻處該諧振單元是傳輸線，在2階和3階諧波處該補(bǔ)償型諧振單元對(duì)傳輸信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制作用。利用補(bǔ)償型螺旋微帶諧振單元構(gòu)成的分支線耦合器具有諧波抑制，電路面積小，插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P7/08GK101038979SQ200610024739
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者顧建忠, 孫曉瑋 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所