一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器及仿真设计方法与流程

1.本发明属于天线微波技术领域，尤其涉及一种宽频带稳定相差及良好匹配的和差器设计。


背景技术：

2.在单脉冲雷达天线中，和差器起着至关重要的作用，通过天线的和差波束，实现对目标的实时跟踪。接收的电磁波信号经象限馈电网络合成后，送到和差器网络，由和差器网络形成和波束、方位差波束以及俯仰差波束，送到接收机。通过对信号的处理完成目标位置的确定。因而和差器的电性能直接影响雷达天线的性能，如天线增益、差波束零深、测角测距精度。因此提高和差器的幅相一致、和差隔离度及其带宽具有重要意义。
3.典型的和差器称为魔t，为四端口器件，其中两个端口为等幅端口，第三端口为和信号口，第四端口为差信号口。当和信号口馈电时，两输出口等幅同相输出；当差信号端口馈电时，两输出口等幅反相输出；和差信号口之间会形成较好的隔离。
4.本发明采用了marchand巴伦原理，在现有技术中，所设计的和差网络都会用到耦合的方式实现差分信号的产生，往往采用共面耦合加跳线的方式或微带线—耦合槽线转换的方式来实现宽带。目前，和差器网络在设计耦合电路时，往往共面耦合缝隙在0.1～0.2mm以内，电性能易受到加工精度的影响，除此之外，二者还存在损耗高、难加工、信号走线不合理等问题，电性能有待提高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽频带、稳定相差、低损耗、性能优良、易加工的基于印刷电路工艺制造的宽带和差器。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，包括：
8.由上至下依次层叠的多层结构，上层印刷金属层、介质基板、下层印刷金属层以及带有凹槽的铝底板，上层印刷金属层与下层印刷金属层通过介质基板上的金属化过孔连接；
9.所述的上层印刷金属层包括t型金属片、差口耦合金属片、含短路枝节的金属片；所述的下层印刷金属层包括接地金属片、第一弯折枝节、第一弯折枝节；
10.所述的差口耦合金属片与接地金属片宽边耦合，形成差分微带电路；所述的t型金属片与第一弯折枝节、第一弯折枝节、金属化过孔、带有凹槽的铝底板构成和口功分电路；所述的含短路枝节的金属片与带凹槽的铝底板形成和差信号的匹配传输段。
11.本发明进一步的技术方案：所述的接地金属片与带凹槽的铝底板部分接触，其与第一弯折枝节以及第一弯折枝节电连接。
12.本发明进一步的技术方案：所述的带凹槽的铝底板凹陷深度相同，凹陷的位置与
微带线的导体带走线一致，二者形成空气微带或一定介电常数的介质基板与空气层叠形式的微带传输线。
13.本发明进一步的技术方案：所述的接地金属片中间断开，断开处到接地处的距离为低频的1/4波长。
14.本发明进一步的技术方案：所述的上层印刷金属层还包括短路枝节接地上层覆铜，其与含短路枝节的金属片相连。
15.本发明进一步的技术方案：所述的含短路枝节的金属片的长度为中心频率的一个波长。
16.本发明进一步的技术方案：所述的下层印刷金属层还包括短路枝节接地下层覆铜，短路枝节接地下层覆铜与短路枝节接地上层覆铜通过金属化过孔连通。
17.本发明进一步的技术方案：所述的t型金属片、第一弯折枝节、第一弯折枝节的总长为低频的1/4波长。
18.一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器的仿真设计方法，其特征在于，构建上述的理想馈电的差分网络，结构断开处的缝隙宽度取4～5mm，理想馈电微带线长为二倍的缝隙宽度，线宽按照60～70欧选取，断开处到接地处的长度为低频的1/4波长，通过全波仿真，提取该结构的s参数，将其带入电路软件中，搭建电路结构，优化各段阻抗、电长度，完成宽带和差器网络的仿真设计。
19.一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器的应用，其特征在于，接收的电磁波信号经象限馈电网络合成后，送到和差器，由和差器形成和波束、方位差波束以及俯仰差波束，送到接收机，通过对信号的处理完成目标位置的确定。
20.本发明的有益效果在于：通过合理利用金属化过孔与铝底板，在单层介质基板的条件下实现了宽边耦合，极大的改善了和差的电性能，相差带宽、阻抗带宽以及隔离度都得到了较大的提升；在50％带宽内，隔离度大于40db，相差稳定在180
°±1°
以内，反射损耗小于-20db；同时，和差信号的走线更加合理，避免了跳线的使用，整体结构更加平面化，加工更简单，性能更稳定。
附图说明
21.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
22.图1为本发明宽带和差器的整体结构图；
23.图2为本发明宽带和差器的印刷电路层间关系图；
24.图3为本发明宽带和差器的印刷电路板俯视图；
25.图4为本发明宽带和差器的印刷电路板上、下两层金属俯视图；
26.图5为本发明宽带和差器的微带线和过孔结构图；
27.图6为本发明宽带和差器的原理拓扑图；
28.图7为本发明宽带和差器的差分电路理想馈电结构图；
29.图8为本发明宽带和差器的阻抗匹配设计原理拓扑图；
30.图9为本发明宽带和差器的端口s参数(4端口输入，s42、s43为端口功分，s44为端口反射损耗)；
31.图10为本发明宽带和差器的端口s参数(1端口输入，s12、s13为端口功分，s11为端口反射损耗)；
32.图11为本发明宽带和差器的和端口输入时功分端口相位不平衡度；
33.图12为本发明宽带和差器的差端口输入时功分端口相位不平衡度；
34.图13为本发明宽带和差器和差端口间的耦合度；
35.其中，1-上层印刷金属层、2-介质基板、3-下层印刷金属层、4-带有凹槽的铝底板、5-射频电缆插座。
36.101-第一馈电端口；102-第二馈电端口；103-第三馈电端口；104-第四馈电端口；105-t型金属片；106-差分耦合金属片；107-输出匹配段；108-短路枝节接地上层覆铜；
37.201-介质板；202-金属化过孔；203-螺钉；
38.301-接地金属片；302-第一弯折枝节；303-第二弯折枝节；304-短路枝节接地下层覆铜。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
40.如图1-图5所示，本发明实施例提供了一种集成于双面覆铜板的宽带低损耗和差器包括：印刷电路板上层金属1、介质基板2、印刷电路板下层金属3、带有凹槽的铝底板4以及射频电缆插座5。上、下层金属层分别蚀刻在双面覆铜板的介质基板上下两面，通过金属化过孔连接，二者与铝底板共同构成所述的和差器网络。
41.上述介质基板2的材料和厚度可以根据需要进行合适的选择；本实施例中，介质基板2是厚度为1mm、介电常数2.65的材料；介质基板2两侧覆有上层印刷金属层1、下层印刷金属层3，且上下金属层间通过介质基板2上的金属化过孔202连接，介质基板2通过4个螺钉固定在带凹槽的铝底板4上。
42.所述的上层印刷金属层1包括t型金属片105、差分耦合金属片106、输出匹配段107、短路枝节接地上层覆铜108，输出匹配段107与短路枝节接地上层覆铜108连接；t型金属片105的一端设有第四馈电端口104，差分耦合金属片106的一端设有第一馈电端口101，输出匹配段107的一端设有第二馈电端口102和第三馈电端口103；第一馈电端口101、第二馈电端口102、第三馈电端口103、第四馈电端口104均连接射频电缆插座5，通过底部馈电。
43.优先地，t型金属片105为t型结构，位于介质基板2的中线上；输出匹配段107为微带线结构，数量为2个，对称地分布在中线两边；短路枝节接地上层覆铜108为长方形结构，数量为2个，对称地分布在中线两边。
44.所述的下层印刷金属层3包括接地金属片301、第一弯折枝节302、第二弯折枝节303、短路枝节接地下层覆铜304，第一弯折枝节302、第二弯折枝节303通过等宽金属片与接地金属片301的梯形金属片连接。
45.优先地，所述的接地金属片301为中间设有槽结构；所述的第一弯折枝节302、第二弯折枝节303对称地分布在在介质基板2的中线两边；所述的短路枝节接地下层覆铜304为
长方形结构，数量为2个，对称地分布在中线两边。
46.具体地，上层金属层1中的差分耦合金属片106与下层金属层3中的接地金属片301宽边耦合，构成差分电路；下层金属层301的断开处到接地处(等宽金属片与梯形金属片的连接处，即断开处宽度开始变化的分解线)的距离近似低频的1/4波长，断开处的缝隙可取1～5mm，减小了对加工精度的要求，由于采用宽边耦合，能够极大地提升和差器的电性能。
47.优选地，上层金属层1中的差分耦合金属片106的投影位于下层金属层3中的等宽金属片上。
48.具体地，上层金属层中的t型金属片105、下层金属层中的一对弯折枝节302、303及金属化过孔202与铝底板4构成和口功分电路，长约中心频率的1/4波长；上层金属层中的输出匹配段107与铝底板4构成两输出口的匹配传输微带线，长约中心频率的一个波长；该二者与上述的差分电路通过金属化过孔202形成完整地和差器网络，且提高了和差信号电路共用的比例，避免了跳线的引入。
49.带凹槽的铝底板4凹陷处作为微带传输线的地，凹陷的位置与微带线的导体带走线一致，二者形成空气微带或一定介电常数的介质基板与空气层叠形式的微带传输线。凹陷深度可根据微带线的粗细要求选取，本实施例选择和介质基板2的厚度一致，为1mm，空气层作为微带线的部分介质衬底，减少了介质基板的层数以及传输损耗。
50.进一步地，第一馈电端口101、第二馈电端口102、第三馈电端口103、第四馈电端口104的传输段均位于上层金属层1中，有利于射频电缆进行底部馈电。
51.进一步地，上、下两层金属层通过金属化过孔实现差分网络中微带线的宽边耦合、输出匹配段匹配枝节的短路接地以及探针通过底部馈电。
52.进一步地，所述的下层金属层中的断开处是和功分电路与差分电路除两输出口的匹配传输微带线外存在的共用传输段。
53.进一步地，所述上层金属层中的输出匹配段与铝底板构成两输出口的匹配传输微带线，左右二输出端口的结构完全一致。
54.进一步地，参照图6所示，该宽带和差器网络的每一段传输线应对应于图6等效电路中的阻抗变换段，传输线的粗细应根据介质基板2的厚度、铝底板4凹陷的深度以及各端口的电性能要求，进行优化，得到各传输线的阻抗及其电长度。
55.进一步地，为高效设计宽带和差器，参照图7～8所示，介绍设计思路。首先，构建如图7所示的理想馈电的差分网络，该结构断开处的缝隙宽度可根据工作频段取合适宽度，此实施例中取4～5mm，理想馈电微带线长约为二倍的缝隙宽度，线宽按照60～70欧选取，断开处到接地处的长度约为低频的1/4波长，通过全波仿真，提取该结构的s参数，将其带入电路软件中，搭建如图8所示的电路结构，优化各段阻抗、电长度，完成宽带和差器网络的仿真设计。
56.本发明实施例所采用的电路结构，在单层介质基板的条件下极大的改善了和差器的电性能，在50％带宽内，隔离度大于40db，相差稳定在180
°±1°
以内，和、差端口的反射损耗接近-20db；同时，和差信号的走线更加合理，避免了跳线的使用，整体结构更加平面化，易于加工安装，性能更稳定。
57.参考图9至图13，利用仿真软件对上述实施例和差器各端口的反射系数及端口间的传输系数进行了仿真计算，仿真结果如下：
58.图9-图10是实施例和差器仿真得到的和、差端口分别馈电时s参数随工作频率变化的特性，从图中可以看出，该和差器可实现50％(1.5ghz～2.5ghz)等功分、低反射损耗(≤-20db)，且带内损耗较低仅0.3db左右。
59.图11-图12是实施例和差器仿真得到的和、差端口分别馈电时两输出口相差随工作频率变化的特性，从图中可以看出该和差器可以实现
±1°
的相差偏移。
60.图13是实施例和差器仿真得到的和、差端口耦合度随工作频率变化的特性，从图中可以看出该天线的耦合度较低，远低于以往的和差器端口耦合度。
61.仿真结果表明，该和差器在50％带宽内可实现稳定相差、高隔离、低损耗的效果，同时各端口的输入阻抗匹配优异。
62.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，包括：由上至下依次层叠的多层结构，上层印刷金属层(1)、介质基板(2)、下层印刷金属层(3)以及带有凹槽的铝底板(4)，上层印刷金属层(1)与下层印刷金属层(3)通过介质基板(2)上的金属化过孔连接；所述的上层印刷金属层(1)包括t型金属片(105)、差口耦合金属片(106)、含短路枝节的金属片(107)；所述的下层印刷金属层(3)包括接地金属片(301)、第一弯折枝节(302)、第一弯折枝节(303)；所述的差口耦合金属片(106)与接地金属片(301)宽边耦合，形成差分微带电路；所述的t型金属片(105)与第一弯折枝节(302)、第一弯折枝节(303)、金属化过孔、带有凹槽的铝底板(4)构成和口功分电路；所述的含短路枝节的金属片(107)与带凹槽的铝底板(4)形成和差信号的匹配传输段。2.根据权利要求1所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的接地金属片(301)与带凹槽的铝底板(4)部分接触，其与第一弯折枝节(302)以及第一弯折枝节(303)电连接。3.根据权利要求1所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的带凹槽的铝底板(4)凹陷深度相同，凹陷的位置与微带线的导体带走线一致，二者形成空气微带或一定介电常数的介质基板与空气层叠形式的微带传输线。4.根据权利要求1所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的接地金属片(301)中间断开，断开处到接地处的距离为低频的1/4波长。5.根据权利要求1所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的上层印刷金属层(1)还包括短路枝节接地上层覆铜(108)，其与含短路枝节的金属片(107)相连。6.根据权利要求5所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的下层印刷金属层(3)还包括短路枝节接地下层覆铜(304)，短路枝节接地下层覆铜(304)与短路枝节接地上层覆铜(108)通过金属化过孔连通。7.根据权利要求5所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的含短路枝节的金属片(107)的长度为中心频率的一个波长。8.根据权利要求1所述的一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器，其特征在于，所述的t型金属片(105)、第一弯折枝节(302)、第一弯折枝节(303)的总长为低频的1/4波长。9.一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器的仿真设计方法，其特征在于，构建权利要求8所述的理想馈电的差分网络，结构断开处的缝隙宽度取4～5mm，理想馈电微带线长为二倍的缝隙宽度，线宽按照60～70欧选取，断开处到接地处的长度为低频的1/4波长，通过全波仿真，提取该结构的s参数，将其带入电路软件中，搭建电路结构，优化各段阻抗、电长度，完成宽带和差器网络的仿真设计。10.一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器的应用，其特征在于，接收的电磁波信号经象限馈电网络合成后，送到和差器，由和差器形成和波束、方位差波束以及俯仰差波束，送到接收机，通过对信号的处理完成目标位置的确定。

技术总结
本发明涉及一种集成于双面覆铜板上的宽带低损耗和差器及仿真设计方法，其包括单层介质基板及其上下表面的金属层和带有凹槽的铝底板，其中上层金属层中的差分耦合金属片与下层金属层中的接地金属片宽边耦合构成差分电路；上层金属层中的T型金属片、下层金属层中的一对弯折枝节及金属化过孔与铝底板构成和口功分电路；避免了跳线和窄缝隙的使用。本发明的宽带和差器具有结构简单、加工难度小、损耗低、相差更稳定、隔离度更好、带宽更宽的优点。带宽更宽的优点。带宽更宽的优点。


技术研发人员：夏良新 傅光 魏庚明 雷鸣
受保护的技术使用者：昆山荷兹天线微波技术有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/25