[发明专利]一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器

说明书

本发明公开了一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器，属于电气领域，具体为：构建三层介质，最底层为下表面涂了金属铜的PMC层，该层内周期排列若干金属过孔，上边紧顶圆形金属贴片，下边与金属铜相连，组成蘑菇型EBG阵列；中间层为一层介质板；最上层为间隙层，下表面印刷有混合环耦合微带线，上表面涂了一层金属铜；微带线包括四节微带线作为端口，以及七节微带线组成两段式混合环；通过对不同端口进行激励，两段式混合环结构使得带宽增强到50％；三层介质板中最上层的金属铜以及最下层的蘑菇型EBG阵列形成基片间隙波导，工作频段分布在24GHz至40GHz，覆盖大部分的5G毫米波频段。本发明传输损耗低，结构紧凑，易于加工集成。

技术领域

本发明属于电气领域，涉及一种无源射频器件，具体是一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器。

背景技术

近年来，人们对无线通信需求的与日俱增，不断推进着通信技术的发展，随着无线通信设备的普及，低频的频谱资源日益紧张，拥挤的频谱已经无法满足未来移动通信系统高速率、大容量和低延时的要求。

随着5G移动通信系统的发展，整个移动通信行业都开始探索全新的频段，对于高频频段，特别是毫米波频段的研究愈发受到科研人员和专家学者的关注。射频器件作为无线通信系统中重要组成部分，为了满足现代通信系统复杂而多样的需求，多端口射频器件需要能够工作于多个频段或者覆盖更宽的频带范围，同时，器件的小型化、易封装集成以及多功能化也是热门的研究内容。

耦合器对信号和功率进行分配、合成及隔离，在射频系统前端中扮演着重要的角色。混合环耦合器(Hybrid Ring Coupler)，又称鼠竞耦合器(Rat-Race Coupler)，简称混合环。它能将微波信号按照一定的功率比例同向或者反向输出，也可将两路信号合成为和信号或差信号；同时，还具有与平衡负载无关的良好隔离度而广泛应用于混频器、调制解调器和高隔离功分器等部件。此外，混合环还具有较为平坦的相位响应。正因为这些优点，混合环长期以来受到国内外研究学者们的重视。

传统的混合环耦合器由三条λ/4分支线和一条3λ/4分支线构成，具有设计简单、输入端口隔离度高等优点，但是缺点也十分明显，由于采用了270°传输线，带宽相对较窄，占用面积较大，其在宽带系统中的应用受到了限制。

近些年来，研究人员和专家学者针对混合环耦合器的小型化和改善带宽做出了许多研究。传统的波导结构如微带线结构、带状线结构或矩形波导结构由于存在着辐射损耗、表面波、插入损耗、加工成本高和容易产生模式转换损耗等问题，已经不能满足高频电路设计要求，因此研究学者们将目光投向了能应与于毫米波频段的间隙波导结构。三层封装型集成基片间隙波导结构采用全介质层，相比金属型间隙波导易加工，成本低，其中传输线可以随意走线，设计起来十分灵活，方便设计不同类型的射频器件。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于多层封装集成基片间隙波导毫米波环形耦合器，采用两段式混合环耦合器结构，极大的拓宽了耦合器的工作带宽，同时通过三层封装型集成基片间隙波导的方式实现了此混合环耦合器，可以很容易的将工作频带提高至毫米波频段；满足了未来射频通信系统的需求，具有重要的实际意义和应用价值。

所述毫米波混合环耦合器构建在三层介质中，最底层为PMC层，该层下表面涂了一层金属铜，通过在将PMC层上周期排列若干金属过孔，各金属过孔整体穿过PMC层，上边紧顶圆形金属贴片，下边与金属铜相连，组成蘑菇型EBG阵列；结构尺寸完全相同。

蘑菇型EBG阵列的上方为一层介质板作为中间层；中间层的上方为一层介质板作为间隙层；间隙层的下表面印刷有混合环耦合微带线，通过中间层的介质板将该混合环耦合微带线与圆形金属贴片隔开；间隙层的上表面涂了一层金属铜，用于屏蔽电磁波，实现自封装。

所述混合环耦合微带线由11节微带线构成，其中微带线1、微带线2、微带线3和微带线4为端口阻抗匹配微带线，剩下微带线5、微带线6、微带线7、微带线8、微带线9、微带线10和微带线11组成两段式混合环。