CN103311631A

CN103311631A - 一种低温定向耦合器

Info

Publication number: CN103311631A
Application number: CN2013101730488A
Authority: CN
Inventors: 刘哲雨; 郭国平; 李海鸥; 曹刚; 肖明; 郭光灿
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-05-11
Filing date: 2013-05-11
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: CN103311631B

Abstract

一种低温定向耦合器，包括：微带线、介质板、底层金属和导通孔；微带线印制于介质板的上表面，底层金属覆盖上镀于介质板下表面，导通孔打通介质板，使上表面的微带线的对应部分与下表面底层金属相连接；所述微带线包括直通线、耦合线、接头焊盘；所述接头焊盘位于四个端口两侧，在接头焊盘下方的位置上打有导通孔，使接头焊盘与底层金属进入充分接触。本发明在液氮温度的极低温环境下具有与室温环境下相近的参数属性，并且具有较小的尺寸，可以用于稀释制冷机等制冷设备；同时具有较大的工作带宽，在射频波段具有更广的使用范围。

Description

一种低温定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种适用于极低温条件下的低温定向耦合器，属于射频电路技术领域。

背景技术

定向耦合器是一种常见的微波器件，一般来说是一个具有方向性的四端口无源器件。理想的定向耦合器是一个无耗互易的四端口网络，一般是由主线和副线两组相互耦合的传输线构成的。信号的传输过程中，由于主线（直通线）和副线（耦合线）之的相互耦合，可以将主线中传输的功率耦合到副线，并且使功率在副线中传播具有定向性，即副线中的功率只向一个方向传播。另一个方向没有输出。定向耦合器的效果是将输入信号按照一定的功率比例关系进行分配，它广泛应用于各种微波电路当中，可以用做功率分配器，用于信号的隔离、分离和混合，也可以用来测量元器件或传输***的反射系数，还可以用于监视功率、频率和频谱等。随着射频技术的不断发展，微波电路更广泛的应用于各个领域，这也就要求微波电路工作于不同的特殊环境当中。要求在电路当中使用能够适用于极低温环境下的定向耦合器。一般的定向耦合器由于其耦合参数随温度变化，以及尺寸规格过大等原因，不适合工作于极低温环境下的电路当中。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的什么不足，提供一种适用于极低温环境下的定向耦合器，它在液氮温度（即热力学温度77K，摄氏温度-196°C）的极低温环境下具有与室温环境下相近的参数属性，并且具有较小的尺寸，可以用于稀释制冷机等制冷设备。同时具有较大的工作带宽，在射频波段具有更广的使用范围。

本发明技术解决方案如下：一种低温定向耦合器，包括：微带线1、介质板2、底层金属3和导通孔4；微带线1印制于介质板2的上表面，底层金属3覆盖上镀于介质板2下表面，导通孔）打通介质板2，使上表面的微带线1的对应部分与下表面底层金属3相连接；所述微带线1包括直通线5、耦合线6、接头焊盘7；所述接头焊盘7位于四个端口两侧，在接头焊盘7下方的位置上打有导通孔4，使接头焊盘7与底层金属3进入充分接触，直通线5和耦合线6分别有输入端即端口a和耦合段即端口c延垂直于介质板边缘方向引出，在二者相互接近处开始平行耦合，从上到下分为七段平行双线及六段半圆弧平行线，所引出直通线5和耦合线6连接于第一段平行双线；之后连接第一段半圆弧，回转角度为180度，圆弧段完全平行；之后连接第二段平行双线，再连接第二段半圆弧，回转角度180度，圆弧段完全平行；之后连接第三段平行双线，再连接第三段半圆弧，回转角度为180度，圆弧段完全平行；之后连接第四段平行双线，再连接第四段半圆弧，回转角度为180度，调整内外圆弧半径使之在圆弧段双线不在保持平行，且使之后平行双线间间距增大；之后连接第五段平行双线，再连接第五段半圆弧，回转角度180度，圆弧段完全平行；之后连接第六段平行双线，再连接第六段半圆弧，回转角度为180度，圆弧段完全平行；之后连接第七段平行双线，再直通线5与耦合线6分别连接至直通端即端口b和隔离端即端口d，接头焊盘7按照SMA接头规格设计，SMA接头的接地外壳与接头焊盘7及底层金属3充分接触，成为接地线，SMA接头的信号线与直通线5或耦合线6充分接触，成为信号线。

本发明中，介质板材料选用罗杰斯RT6010板材，厚度0.5-1mm，其介电常数不随温度降低而变化，经实验验证在极低温环境下能够正常工作，从而保证定向耦合器拥有稳定的低温属性。上表层微带线及底层金属均为金属铜，厚度为15-40mil；所述微带线使用图案印制，镀有金属铜，厚度为15-40mil。

本发明相较于现有技术的主要优点在于：

（1）使用平行微带线耦合结构，并选用合适的介质基板，使其介电常数不随温度降低而变化。介质基板参数的低温特性保证了定向耦合器拥有稳定的低温特性，并不会因为低温环境而改变参数属性，故而可以适用于极低温环境。

（2）通过平行微带线的回环折叠结构，减小了器件所需的长度，使器件拥有较小尺寸，可以用于现有的稀释制冷机等制冷设备，保证了其在低温电路中的可用性。

（3）通过平行双线办圆弧线调整半径的方式，改变了双线间距，从而使耦合器能够适用于更广的频率带宽。本发明使用带宽可以达到150MHz‐550MHz，相对带宽达到114%，具有更广的使用价值。

附图说明

图1为本发明结构组成示意图；

图2为本发明中上表面微带线示意图；

图3为本发明中的耦合度实测参数图；

图4为本发明中的隔离度实测参数图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：微带线1、介质板2、底层金属3和导通孔4；微带线1印制于介质板2的上表面，底层金属3覆盖上镀于介质板下表面，导通孔4打通介质板，使上表面微带线1的对应部分与下表面底层金属3相连接。其中介质板2选用罗杰斯RT6010板材，厚度0.5-1mm，本发明实施例选取0.635mm。底层金属3为覆盖式镀有金属铜，厚度为15-40mil，本发明实施例选取18mil。导通孔4为打通介质板的上下通孔，其作用是使上表面微带线打孔处于底层金属导通。上表面微带线使用图案印制，镀有金属铜，厚度为15-40mil，本发明实施例选取18mil。

如图2所示，其中上表面微带线1包括：直通线5、耦合线6、接头焊盘7；直通线5与耦合线6在主体耦合部分相互平行，在边缘处分开成为四个端口。接头焊盘7位于四个端口两侧，在接头焊盘上下方的位置上打有导通孔4，使接头焊盘与底层进入充分接触。其中直通线5与耦合线6平行耦合，经六次折叠以节省空间。从上到下分为七段平行双线及六段半圆弧平行线，全程双线宽度均为0.4-0.5mm，本发明实施例为0.45mm。直通线和耦合线分别有输入端（端口a）和耦合段（端口c）引出，连接于第一段平行双线；第一段平行双线线长16-18mm，本发明实施例为17.1mm，双线间距0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm；之后连接第一段半圆弧，回转角度为180度，直通线回转外半径为1.4-1.8mm，本发明实施例为1.6mm，耦合线回转外半径为0.7-0.9mm，本发明实施例为0.8mm；圆弧段完全平行，双线间距为0.3-0.4mm,本发明实施例为0.35mm；之后连接第二段平行双线，线长17-19mm，本发明实施例为18mm；双线间隔0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm；之后连接第二段半圆弧，回转角度180度，直通线回转外半径0.7-0.9mm，本发明实施例为0.8mm；耦合线回转外半径1.4-1.8mm，本发明实施例为1.6mm；圆弧段完全平行，双线间距为0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm；之后连接第三段平行双线，线长17-19mm，本发明实施例为18mm；双线间距0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm；之后连接第三段半圆弧，回转角度为180度，直通线回转外半径为1.4-1.8mm，本发明实施例为1.6mm，耦合线回转外半径为0.7-0.9mm，本发明实施例为0.8mm，圆弧段完全平行，双线间距为0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm；之后连接第四段平行双线，线长17-19mm，本发明实施例为18mm；双线间距0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm；之后连接第四段半圆弧，回转角度为180度，直通线回转外半径为0.7-0.9mm，本发明实施例为0.8mm；耦合线回转外半径为1.7-2.2mm，本发明实施例为1.95mm；圆弧段双线不在保持平行，间距从0.3-0.4mm，本发明实施例为0.35mm增加至0.9-1.2mm，本发明实施例为1.05mm；之后连接第五段平行双线，线长20-22mm，本发明实施例为21mm；双线间距0.9-1.2mm，本发明实施例为1.05mm；之后连接第五段半圆弧，回转角度180度，直通线回转外半径2-2.6mm，本发明实施例为2.3mm；耦合线回转外半径0.7-0.9mm，本发明实施例为0.8mm；圆弧段完全平行，双线间距为0.9-1.2mm，本发明实施例为1.05mm；之后连接第六段平行双线，线长20-22mm，本发明实施例为21mm双线间距0.9-1.2mm，本发明实施例为1.05mm；之后连接第六段半圆弧，回转角度为180度，直通线回转外半径为0.7-0.9mm，本发明实施例为0.8mm；耦合线回转外半径为2-2.6mm，本发明实施例为2.3mm；圆弧段完全平行，双线间距为0.9-1.2mm，本发明实施例为1.05mm；之后连接第七段平行双线，线长19-21mm，本发明实施例为20.1mm；双线间距0.9-1.2mm，本发明实施例为1.05mm；之后直通线与耦合线分别连接至直通端（端口b）和隔离端（端口d）。接头焊盘规格按照SMA接头规格设计，使用者焊接SMA接头，以便与电路中其他元件相连接。SMA接头的接地外壳与接头焊盘7及底层金属3充分接触，成为接地线，SMA接头的信号线与直通线或耦合线充分接触，成为信号线。

在四个端口中，端口a为定向耦合器输入端，端口b为直通端，端口c为耦合端，端口d为隔离端。经实测，定向耦合器低温下耦合度参数参见图3，在150MHz-550MHz的频率范围内，耦合度稳定在-15.5dB—17.5dB范围，在工作频段内耦合端的耦合输出具有良好的稳定性。

隔离度参数参见图4，在150MHz-550MHz波段，隔离度均小于-30dB，隔离端具有良好的隔离度，信号不会从隔离段输出。

本发明在工作频段150MHz-550MHz的频段完全符合耦合器设计和使用要求，带宽为400MHz，中心频率为350MHz，相对带宽达到114%。耦合度参数和隔离度参数均为极低温环境下测得，能保证在液氮温度（即热力学温度77K，摄氏温度-196°C）的低温环境下稳定使用。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低温定向耦合器，其特征在于包括：微带线（1）、介质板（2）、底层金属（3）和导通孔（4）；微带线（1）印制于介质板（2）的上表面，底层金属（3）覆盖上镀于介质板（2）下表面，导通孔（4）打通介质板（2），使上表面的微带线（1）的对应部分与下表面底层金属（3）相连接；所述微带线（1）包括直通线（5）、耦合线（6）、接头焊盘（7）；所述接头焊盘（7）位于四个端口两侧，在接头焊盘（7）下方的位置上打有导通孔（4），使接头焊盘（7）与底层金属（3）进入充分接触，直通线（5）和耦合线（6）分别由输入端即端口a和耦合段即端口c延垂直于介质板边缘方向引出，在二者相互接近处开始平行耦合，从上到下分为七段平行双线及六段半圆弧平行线，所引出直通线（5）和耦合线（6）连接于第一段平行双线；之后连接第一段半圆弧，回转角度为180度，圆弧段完全平行；之后连接第二段平行双线，再连接第二段半圆弧，回转角度180度，圆弧段完全平行；之后连接第三段平行双线，再连接第三段半圆弧，回转角度为180度，圆弧段完全平行；之后连接第四段平行双线，再连接第四段半圆弧，回转角度为180度，调整内外圆弧半径使之在圆弧段双线不在保持平行，且使之后平行双线间间距增大；之后连接第五段平行双线，再连接第五段半圆弧，回转角度180度，圆弧段完全平行；之后连接第六段平行双线，再连接第六段半圆弧，回转角度为180度，圆弧段完全平行；之后连接第七段平行双线，再直通线（5）与耦合线（6）分别连接至直通端即端口b和隔离端即端口d，接头焊盘（7）按照SMA接头规格设计，SMA接头的接地外壳与接头焊盘（7）及底层金属（3）充分接触，成为接地线，SMA接头的信号线与直通线（5）或耦合线（6）充分接触，成为信号线。

2.根据权利要求1所述的低温定向耦合器，其特征在于：所述介质板（2）选用罗杰斯RT6010板材，厚度0.5-1mm。

3.根据权利要求1所述的低温定向耦合器，其特征在于：所述底层金属（3）为覆盖式镀有金属铜，厚度为15-40mil。

4.根据权利要求1所述的低温定向耦合器，其特征在于：所述微带线（1）使用图案印制，镀有金属铜，厚度为15-40mil。