一种基于基片集成鳍线结构的混频器

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体涉及一种基于基片集成鳍线结构的混频器。

背景技术

随着微波技术以及毫米波电路的发展，为了实现电路结构的小型化以及射频电路的高集成度，多层板电路技术得到了快速发展，在各类通信设备中得到了广泛的研究与应用。多层板电路能实现有源与无源电路的集成，以及能够实现通信系统设备的小型化。在一般的微带鳍线过渡结构中，都需要金属波导，同时需要将微带鳍线过渡结构固定到波导中心垂直H面。这种传统过渡结构成本高，安装难度大，并且不利于与有源器件的集成。在传输线结构中，鳍线是一种嵌入在矩形波导E面的准平面结构，鳍线的传播模式为混合模，具有低损耗、色散弱，单模带宽大等特点。另一方面，鳍线结构传输截止频率小于封装波导的截止频率，所以所需尺寸比传统波导所需尺寸小而又具有波导的一些优点。但是，鳍线需要加工机械腔体进行封闭，同时需要留下凹槽来安装鳍线，来满足机械支撑以及电磁屏蔽。因此需要额外的装配工作，将其与波导机械组装后才能工作。如今，微波组件对集成度有很高的要求，在波导中的鳍线结构很难与其他有源元器件集成，同样对其传输的电磁波很难控制。传统的鳍线结构金属腔体体积较大，并且与电路板进行集成后体积比较大，这样使得射频组件小型化很难实现。现有的鳍线结构需要安装在矩形波导中，不易加工，制作成本高，不易于其它电路以及其它电子元器件集成。

现有技术公开了一种通过不连续过孔的方式在多层介质基板叠加的结构中构建鳍线结构，说明使用多层介质基板构成鳍线有可实现性。但在该结构中，只存在鳍线一种传输结构，没有验证其它传输形式到鳍线转换结构在多层介质基板中实现的可能性，导致其是否能应用到电路系统中的问题没有解决。此外，由于其使用不连续过孔作为信号传输约束，导致多层板的加工精度需要足够高，从而满足所有对应过孔都要对其来避免传输性能受到影响的要求，这样相比于传统金属器件，无法有效降低该结构的装配难度与精加工成本。不仅如此，在该结构中的信号端口仍使用标准金属波导，且垂直于电路平面。这种缺陷导致多层介质基板构成的鳍线结构无法集成到电路中，必须留有垂直方向的信号口使电路的空间利用产生巨大问题。最后，由于结构使用的是不挖空的介质基板，各种器件与功能模块，如二极管等无法装载在鳍线结构中，且各部分模块组件不能根据设计需要灵活替换，使该鳍线结构能实现的功能内容大幅减少。综上所述，现有的结构不能同时满足低装配成本，较低精度要求，大范围应用场景和高效与电路结合的要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于基片集成鳍线结构的混频器，能够实现多层电路板铆接加工形成微带到鳍线到悬置带线的混频器结构，解决现有鳍线结构需要加工机械腔体和额外的人工装配，以及鳍线结构与其它平面电路集成等技术问题。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于基片集成鳍线结构的混频器，包括作为主体的混频器电路结构；所述混频器电路结构包括多层电路板，每一电路板均包括介质基板以及印刷在介质基板上、下表面的金属层；

所述混频器电路结构为平面三端口电路，所述多层电路板包括由上至下依次紧密贴合的第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板和第五电路板；

每一电路板的上、下表面金属层均设有平行于介质基板长边的金属长条形直过孔和两条金属长条L形过孔；其中，金属长条L形过孔的一枝节与金属长条形直过孔平行，金属长条L形过孔的另一枝节背离金属长条直过孔延伸；其中，金属长条形直过孔偏离介质基板的中心点，金属长条形直过孔和金属长条L形过孔贯穿五层电路板；

其中，第三电路板上表面的传输功能区位于金属长条形直过孔和两条金属长条L形过孔所形成的T形范围内；在第一电路板、第二电路板和第五电路板的介质基板上，位于金属长条形直过孔首、尾两端的介质基板短边处和位于两金属长条L形过孔之间末端的介质基板均开有信号端口，三个信号端口分别输入本振LO、射频RF和中频IF信号；第二电路板和第四电路板的介质基板，位于三条金属长条过孔T形范围内的介质基板和金属层镂空；

在第三电路板的介质基板上表面，传输功能区内设有微带-鳍线-悬置带线-微带线结构；在悬置带线部分向横向连接低通滤波结构的低通滤波器；所述微带-鳍线-悬置带线-微带线结构主要包括顺次连接的第一微带段、第一阻抗变换段、微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、悬置带线功能段、悬置带线-微带线过渡段、带通滤波段和第二微带段；其中，所述低通滤波结构包括低通滤波器和第三微带段；在鳍线功能段和悬置带线功能段之间设置有两个肖特基二极管，两个肖特基二极管反向并联放置；

第三电路板的介质基板下表面，在三条金属长条形过孔的内部空间刻蚀有缺陷地结构；缺陷地结构跨越微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、悬置带线功能段、悬置带线-微带线过渡段，为类梯形结构，类梯形结构的斜边为曲线或直线。

进一步的，所述介质基板上的金属层通过在介质基板表面覆铜形成。

进一步的，所述第一微带段包括第一微带线，第一微带线的一端位于传输功能区的边缘，另一端向传输功能区内部延伸。

进一步的，所述第一阻抗变换段包括依次连接的第二微带线和第三微带线，第二微带线的两端分别连接第一微带线和第三微带线，第三微带线的另一端向传输功能区内部延伸。

进一步的，所述微带-鳍线过渡段包括渐变微带线、半圆形去谐振结构和鳍线渐变线；渐变微带线的左边沿由微带-鳍线过渡段左侧末端向第三微带线的左侧末端曲线延伸，渐变微带线的右边沿与第三微带线的右侧齐平；半圆形去谐振结构的圆心位于左侧金属长条直过孔内，半圆向右凸起；鳍线渐变线呈类直角梯形结构，与渐变微带线的右侧之间留有缝隙，鳍线渐变线的右边沿与右侧金属长条L形过孔连接，类直角梯形结构的斜边呈正弦函数曲线。

进一步的，所述鳍线功能段为刻蚀有阻抗匹配结构的鳍线；悬置带线功能段包括刻蚀有阻抗匹配结构和二极管位置标记的悬置带线；在鳍线功能段和悬置带线功能段的缝隙处设置有两个肖特基二极管，以鳍线槽缝为中轴对称，两个肖特基二极管反向并联放置；悬置带线另一端连接悬置带线-微带线过渡段；在悬置带线功能段中部横向连接低通滤波结构；低通滤波结构另一端连接第三微带段；第三微带段包括第四微带线，第四微带线的一端位于传输功能区的边缘，输入射频信号RF，另一端向传输功能区内部延伸，连接低通滤波结构。

进一步的，所述悬置带线-微带线过渡段包括等腰梯形结构的悬置带线-微带线过渡和第五微带线；等腰梯形结构的悬置带线-微带线过渡下底连接悬置带线，上底连接第五微带线；第五微带线另一端与带通滤波段相连；带通滤波段的另一端连接第二微带段；第二微带段包括第六微带线；第六微带线的一端位于传输功能区的边缘，输入本振信号LO，另一端向传输功能区内部延伸，连接带通滤波段。

本发明的有益效果是：

本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器具有制造成本低，制作方式简单，能形成自封装整体，自带低频滤波效果等优势；可以通过多层介质基板叠层压合实现，有效克服了现有金属器件电路需要的机械腔体加工、结构笨重、成本较高的缺点，具有较低损耗、色散弱、结构简易，体积小，成本低，可实现自封装、以及容易与其他射频电路集成等优点。

相比于现有的使用多层介质基板构成的鳍线结构，本发明所述基片集成鳍线结构解决了各种器件与功能模块在鳍线上装载的问题，且各部分模块组件可以根据设计需要灵活替换，扩展基片集成鳍线实现的功能，增加应用场景；将三维的功能结构变为二维功能结构，有利于直接在集成电路中设计鳍线功能区，可以使电路与基片集成鳍线有效结合；本发明使用的长条形过孔设计也大幅降低了介质基板的加工精度要求以及装配复杂度，有效降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的整体结构侧视图；

图2为本发明所述基片集成鳍线结构的混频器的第一层电路板上表面结构示意图；

图3为本发明所述基片集成鳍线结构的混频器的第一层电路板下表面结构示意图；

图4为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第二层电路板上表面结构示意图；

图5为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第二层电路板下表面结构示意图；

图6为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第三层电路板上表面结构示意图；

图7为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第三层电路板下表面结构示意图；

图8为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第四层电路板上表面结构示意图；

图9为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第四层电路板下表面结构示意图；

图10为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第五层电路板上表面结构示意图；

图11为本发明所述基于基片集成鳍线结构的混频器的第五层电路板下表面结构示意图；

图12为本发明所述混频器中第三层电路板上表面区段划分示意图；

图13为本发明所述混频器中第三层电路板下表面区段划分示意图；

图14为实施例所述基片集成鳍线结构混频器的变频损耗仿真结果示意图。

图15为实施例所述基片集成鳍线结构混频器的三端口隔离度仿真结果示意图。

图中：图中：1、第一层电路板，2、第二层电路板，3、第三层电路板，4、第四层电路板，5、第五层电路板，6、介质基板，7、覆铜层，8、镂空区域A，9、镂空区域B，10、鳍线槽缝，11、长条形过孔，12、金属通孔，13、长条形金属化过孔，14、覆铜区域，15、L形长条形金属化过孔，16、不覆铜区域，17、镂空区域，18、肖特基二极管，19、第一微带段，20、第一阻抗变环段，21、微带-鳍线过渡段，22、鳍线功能段，23、悬置带线功能段，24、悬置带线-微带过渡段，25、带通滤波器段，26、第二阻抗变环段，27、第一微带段，28、射频(RF)端口，29、低通滤波器，30、中频(IF)端口，31、本振(LO)端口，32、地面，33、第一地面变化段，34、地面无覆铜区域，35、第二地面变化段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

一种基于基片集成鳍线结构的混频器，包括由上至下依次紧密贴合的第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板和第五电路板，电路板包括矩形的介质基板及印刷在介质基板上下表面的金属层；

一条金属长条形直过孔沿矩形介质基板的长边平行排布，两条金属长条L形过孔一边与长条形直过孔平行，另一边相互相邻平行，金属长条L形过孔贯穿五层电路板，金属长条形直过孔位于介质基板的中心点偏左，一条金属长条形直过孔和两条金属长条形L过孔所在T形范围内的空间作为传输功能区；第一电路板、第二电路板和第五电路板的介质基板上，位于金属长条形直过孔首尾两端的介质基板短边处，位于金属长条形L过孔右侧的介质基板，分别开有信号端口，三个信号端口可以分别输入本振LO，射频RF和中频IF信号；第二电路板和第四电路板的介质基板，位于三条金属长条形过孔范围内的空间全部挖空，形成镂空区域；

第一电路板的介质基板的上表面全部覆铜，下表面除传输功能区外全部覆铜；第二电路板，第四电路板的介质基板的上表面和下表面除传输功能区外全部覆铜；第三电路板的介质基板的上表面除传输功能区全部覆铜，下表面全部覆铜；第五电路板的介质基板的上表面除传输功能区外全部覆铜，下表面全部覆铜；

第三电路板的介质基板上表面，在传输功能区内设有微带-鳍线-悬置带线-微带线结构，在悬置带线部分向右横向连接低通滤波结构；微带-鳍线-悬置带线-微带线结构包括第一微带段、第一阻抗变换段、微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、悬置带线功能段、悬置带线-微带线过渡段、带通滤波段和第二微带段；低通滤波结构包括低通滤波器、第三微带段；在鳍线功能段和悬置带线功能段之间设置有两个肖特基二极管，两肖特基二极管反向并联放置；

第三电路板的介质基板下表面，在三条金属长条形过孔的内部空间刻蚀有缺陷地结构；缺陷地结构跨越微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、悬置带线功能段、悬置带线-微带线过渡段，为类梯形结构，梯形的斜边为曲线或直线。

进一步的，第一微带段包括第一微带线，第一微带线的一端位于传输功能区的边缘，另一端向传输功能区内部延伸；第一阻抗变换段包括依次连接的第二微带线和第三微带线，第二微带线的两端分别连接第一微带线和第三微带线，第三微带线的另一端向传输功能区内部延伸；微带-鳍线过渡段包括渐变微带线、半圆形去谐振结构和鳍线渐变线；渐变微带线的左边沿由微带-鳍线过渡段左侧末端向第三微带线的左侧末端曲线延伸，右边沿与第三微带线的右侧齐平；半圆形去谐振结构的圆心位于左侧金属长条形直过孔，向右凸起；鳍线渐变线呈类直角梯形结构，与渐变微带线的右侧之间留有缝隙，右边沿与右侧金属长条形L过孔连接，直角梯形的斜边呈正弦函数曲线；鳍线功能段为刻蚀有阻抗匹配结构的鳍线；悬置带线功能段包括刻蚀有阻抗匹配结构和二极管位置标记的悬置带线；在鳍线功能段和悬置带线功能段的缝隙处设置有两个肖特基二极管，以鳍线槽缝为中轴对称，肖特基二极管反向并联放置；悬置带线另一端连接悬置带线-微带线过渡段；在悬置带线功能段中部横向连接低通滤波结构；低通滤波结构另一端连接第三微带段；第三微带段包括第四微带线，第四微带线的一端位于传输功能区的边缘，输入射频信号RF，另一端向传输功能区内部延伸，连接低通滤波结构；悬置带线-微带线过渡段包括等腰梯形结构的悬置带线-微带线过渡，第五位带线，等腰梯形结构的悬置带线-微带线过渡下底连接悬置带线，上底连接第五微带线，第五微带线另一端与带通滤波段相连；带通滤波段的另一端连接第二微带段；第二微带段包括第六微带线，第六微带线的一端位于传输功能区的边缘，输入本振信号LO，另一端向传输功能区内部延伸，连接带通滤波段。

进一步的，在三个信号端口处，第一微带段、第二微带段和第三微带段分别与外部电路或SMA转接头相连。进一步的，第一微带线、第二微带线、第三微带线第五微带线的宽度不同。

进一步的，低通滤波结构和带通滤波段的器件可以更换，类别包扩微带线滤波器、腔体滤波器、芯片滤波器和芯片滤波器组。

进一步的，在五层电路板的信号端口和传输功能区外开有若干个圆形金属通孔，用于固定五层电路板；第三电路板和第四电路板的信号端口开有两个金属通孔用于固定信号转接头，作为混频器的输入端口和输出端口。

进一步的，第三电路板的介质基板选用的介质材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质基板厚度为0.254mm；其他电路板介质基板选用的介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，介质基板厚度为2mm。

进一步的，肖特基二极管的摆放方式反向并联，以鳍线槽缝为中轴对称。

下面为一更具体的实施例：

本实施例提供一种基于基片集成鳍线结构的混频器，其整体结构侧视图如图1所示，为平面三端口电路，包括由上至下依次紧密贴合的第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板和第五电路板，电路板包括矩形的介质基板及印刷在介质基板上下表面的金属层。

一条金属长条形直过孔沿矩形介质基板的长边平行排布，两条金属长条形L过孔一边与长条形直过孔平行，另一边相互相邻平行，贯穿五层电路板，金属长条形直过孔位于介质基板的中心点偏左，位于一条金属长条形直过孔和两条金属长条形L过孔所在T形范围内的空间作为传输功能区；第一电路板、第二电路板和第五电路板的介质基板上，位于金属长条形直过孔首尾两端的介质基板短边处，位于金属长条形L过孔右侧的介质基板，分别开有信号端口，三个信号端口可以分别输入本振LO，射频RF和中频IF信号；第二电路板和第四电路板的介质基板，位于三条金属长条形过孔范围内的空间全部挖空，形成镂空区域。

第一电路板的介质基板的上下表面如图2-3所示，上表面全部覆铜，下表面除传输功能区外全部覆铜；第二电路板的介质基板的上下表面如图4-5所示，上表面和下表面除传输功能区外全部覆铜；第三电路板的介质基板的上下表面如图6-7所示，上表面除传输功能区全部覆铜，下表面全部覆铜；第四电路板的介质基板的上下表面如图8-9所示，上表面和下表面除传输功能区外全部覆铜；第五电路板的介质基板的上下表面如图10-11所示，上表面除传输功能区外全部覆铜，下表面全部覆铜。

如图12-13所示，第三电路板的介质基板上表面，在传输功能区内设有微带-鳍线-悬置带线-微带线结构，在悬置带线部分向右横向连接低通滤波结构；微带-鳍线-悬置带线-微带线结构包括第一微带段、第一阻抗变换段、微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、悬置带线功能段、悬置带线-微带线过渡段、带通滤波段和第二微带段；低通滤波结构包括低通滤波器、第三微带段；在鳍线功能段和悬置带线功能段之间设置有两个肖特基二极管，两肖特基二极管反向并联放置；第一微带段包括第一微带线，第一微带线的一端位于传输功能区的边缘，另一端向传输功能区内部延伸；第一阻抗变换段包括依次连接的第二微带线和第三微带线，第二微带线的两端分别连接第一微带线和第三微带线，第三微带线的另一端向传输功能区内部延伸；微带-鳍线过渡段包括渐变微带线、半圆形去谐振结构和鳍线渐变线；渐变微带线的左边沿由微带-鳍线过渡段左侧末端向第三微带线的左侧末端曲线延伸，右边沿与第三微带线的右侧齐平；半圆形去谐振结构的圆心位于左侧金属长条形直过孔，向右凸起；鳍线渐变线呈类直角梯形结构，与渐变微带线的右侧之间留有缝隙，右边沿与右侧金属长条形L过孔连接，直角梯形的斜边呈正弦函数曲线；鳍线功能段为刻蚀有阻抗匹配结构的鳍线；悬置带线功能段包括刻蚀有阻抗匹配结构和二极管位置标记的悬置带线；在鳍线功能段和悬置带线功能段的缝隙处设置有两个肖特基二极管，以鳍线槽缝为中轴对称，肖特基二极管反向并联放置；悬置带线另一端连接悬置带线-微带线过渡段；在悬置带线功能段中部横向连接低通滤波结构；低通滤波结构另一端连接第三微带段；第三微带段包括第四微带线，第四微带线的一端位于传输功能区的边缘，输入射频信号RF，另一端向传输功能区内部延伸，连接低通滤波结构；悬置带线-微带线过渡段包括等腰梯形结构的悬置带线-微带线过渡，第五位带线，等腰梯形结构的悬置带线-微带线过渡下底连接悬置带线，上底连接第五微带线，第五微带线另一端与带通滤波段相连；带通滤波段的另一端连接第二微带段；第二微带段包括第六微带线，第六微带线的一端位于传输功能区的边缘，输入本振信号LO，另一端向传输功能区内部延伸，连接带通滤波段。

在三个信号端口处，第一微带段、第二微带段和第三微带段分别与外部电路或SMA转接头相连。

第一微带线、第二微带线、第三微带线第五微带线的宽度不同。

第三电路板的介质基板下表面，在三条金属长条形过孔的内部空间刻蚀有缺陷地结构；缺陷地结构跨越微带-鳍线过渡段、鳍线功能段、悬置带线功能段、悬置带线-微带线过渡段，为类梯形结构，梯形的斜边为曲线或直线。

低通滤波结构和带通滤波段的器件可以更换，类别包扩微带线滤波器、腔体滤波器、芯片滤波器和芯片滤波器组。

在五层电路板的信号端口和传输功能区外开有若干个圆形金属通孔，用于固定五层电路板；第三电路板和第四电路板的信号端口开有两个金属通孔用于固定信号转接头，作为混频器的输入端口和输出端口。

本实施例中，第三电路板的介质基板选用的介质材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质基板厚度为0.254mm；其他电路板介质基板选用的介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，介质基板厚度为2mm。

本发明所述基片集成鳍线混频器使用的是反向并联肖特基二极管的鳍线结构来实现混频器功能。通过仿真调整鳍线与悬置带线上阻抗匹配部分形状，来达到最好的混频效果与最小的插入损耗。

本发明所述混频器的性能特性主要体现在三个端口之间的信号相互隔离情况，即隔离度；以及进行混频时输入信号强度与输出信号强度之差，即混频损耗。

本实施例所述基于基片集成鳍线结构混频器的三端口信号连通仿真结果示意图和仿真结果示意图如图14和图15所示。由图14所示，在输入的射频信号功率为-5dBm，本振信号为7dBm时，在8.25GHz到10.0GHz频率范围内，混频器变频损耗小于8dB。图15表明在8.25GHz到10.25GHz频率范围内，本振端口(LO)到射频端口(RF)的隔离度大于20dB；本振端口(LO)到中频口(IF)的隔离度大于50dB；射频端口(RF)到中频口(IF)的隔离度大于65dB；可以保证混频器正常工作时，中频信号、射频信号、本振信号之间具有较高的隔离度，避免相互干扰。