一種連續(xù)可變型基片集成波導(dǎo)模擬移相器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及微波電路技術(shù)，特別是連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)(SubstrateIntegrated Waveguide, SIff)模擬移相器。
技術(shù)背景
[0002]移相器是一種重要的微波器件，主要功能是對(duì)某一頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行移相處理，常用于相控陣天線、測(cè)試設(shè)備、信號(hào)的正交分解等方面。移相器是一種二端口微波網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)控制信號(hào)使網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號(hào)之間產(chǎn)生可變的相位差，按照不同的工作原理，可分為數(shù)字式移相器和模擬式移相器。
[0003]基片集成波導(dǎo)(SIW)是一種新穎的微波傳輸線，其利用金屬通孔在介質(zhì)基片上獲得類似于波導(dǎo)的場(chǎng)傳播模式，具有Q值高、傳輸損耗小、易于加工實(shí)現(xiàn)、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為微波毫米波領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0004]在相關(guān)的研宄報(bào)道中，基片集成波導(dǎo)移相器主要采用三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。2012年，K.Sellal基于內(nèi)埋的PIN開(kāi)關(guān)二極管實(shí)現(xiàn)了四位數(shù)字式基片集成波導(dǎo)步進(jìn)移相器，參見(jiàn)文獻(xiàn) K.Sellal, L.Talbi, and Μ.Nedil, “Design and implementat1n of a controllablephase shifter using substrate integrated waveguide,，，IET Microw.AntennasPropag., vol.6, n0.9, pp.1090 - 1094, Apr.2012。
[0005]研宄者Tao Yang設(shè)計(jì)了 5種不同移相度數(shù)的基片集成波導(dǎo)移相器，利用微波開(kāi)關(guān)選擇需要的通道，參見(jiàn)文獻(xiàn) T.Yang, M.Ettorre, and R.Sauleau, “Novel phase shifterdesign based on substrate integrated waveguide technology,，，IEEE Microw.WirelessCompon.Lett., vol.22, n0.10, pp.518 - 520, Oct.2012。
[0006]以上兩種移相器都可以看做是數(shù)字移相器。此外，研宄人員還對(duì)基于終端反射式的連續(xù)調(diào)節(jié)模擬移相器進(jìn)行了研宄，通過(guò)控制外部電壓來(lái)改變變?nèi)荻O管的容值，從而改變反射端面復(fù)反射系數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的相位變化，參見(jiàn)文獻(xiàn)Yan Ding, and Keffu, “Varactor-tuned substrate integrated waveguide phase shifter,，，MicrowaveSymposium Digest, IEEE Mtt-s Internat1nal.1EEE, 2011:1-4.但是這種反射式移相器電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并需要設(shè)計(jì)3dB耦合器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述存在問(wèn)題或不足，本發(fā)明提供了一種連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)模擬移相器，包括50 Ω特征阻抗微帶線、變?nèi)荻O管、過(guò)渡結(jié)構(gòu)、基片集成波導(dǎo)和外圍電阻電容電感；該移相器的結(jié)構(gòu)特征是:輸入端為50Ω特征阻抗的微帶線，信號(hào)再經(jīng)過(guò)渡結(jié)構(gòu)饋到基片集成波導(dǎo)SIW。在工作于全模模式的SIW結(jié)構(gòu)中，沿電磁場(chǎng)傳播方向開(kāi)一條槽，槽長(zhǎng)與SIW長(zhǎng)度相同，寬度s < 1.5mm ;此槽線將基片集成波導(dǎo)分為兩個(gè)部分，包含過(guò)渡結(jié)構(gòu)一側(cè)的SIW寬度為W，另一側(cè)寬度為C，過(guò)渡結(jié)構(gòu)為凹陷的矩形，其沿電磁場(chǎng)傳播方向的長(zhǎng)度1/3W ( Ix^ 2/3W,另一邊長(zhǎng)度 1/5W ( I 2/3W。
[0008]將變?nèi)荻O管和固定容值電容成對(duì)垂直于SIW分別安裝在槽線兩側(cè)，并且兩者連線和槽線垂直，每對(duì)變?nèi)荻O管Vm和固定容值電容Cm的中心距離S < I 2mm，相鄰兩對(duì)變?nèi)荻O管和固定容值電容之間的距離5mm ( Is^ 1mm0
[0009]外圍電阻電容電感:變?nèi)荻O管的正極用焊錫在槽線一側(cè)接地，固定容值電容Cm的一端用焊錫在槽線另一側(cè)接地，變?nèi)荻O管的負(fù)極和Cm的另一端通過(guò)焊錫連在一起，而后經(jīng)過(guò)導(dǎo)線分別與扼流電感Ln和限流電阻Rn串聯(lián)，同時(shí)與去耦電容Cn并聯(lián)接地。Cm容值大于變?nèi)荻O管最大容值100倍。
[0010]所述變?nèi)荻O管和固定容值電容對(duì)數(shù)少于30對(duì)。
[0011]本發(fā)明的工作原理是:利用外部控制電壓改變二極管的容值，使基片集成波導(dǎo)在槽線兩側(cè)的電場(chǎng)分布發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電磁場(chǎng)在基片集成波導(dǎo)中傳播的相位遲滯和/或超前，最終實(shí)現(xiàn)移相功能。
[0012]本發(fā)明的有益結(jié)果是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制作方便，成本低，可以利用現(xiàn)成的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該移相器的相位變化隨調(diào)諧電壓連續(xù)可變，帶寬較寬，傳輸損耗小，反射系數(shù)小，移相范圍大，方便集成在電路中。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例基片集成波導(dǎo)部分的俯視圖；
[0014]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的單個(gè)變?nèi)荻O管安裝側(cè)面示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的變?nèi)荻O管電壓與容值的關(guān)系；
[0016]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的變?nèi)荻O管容值與相位的關(guān)系；
[0017]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的傳輸參數(shù)；
[0018]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的反射系數(shù)；
[0019]附圖標(biāo)記:金屬化通孔-1、過(guò)渡結(jié)構(gòu)_2、變?nèi)荻O管和固定容值二極管-3、SIff本體_4、槽線-5。
【具體實(shí)施方式】
[0020]連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)模擬移相器實(shí)現(xiàn)在厚度為0.508mm的RT/Duroid4350的介質(zhì)基片上，該基片相對(duì)介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.0037。如圖1所示，輸入端為50Ω特征阻抗微帶線，信號(hào)經(jīng)過(guò)渡結(jié)構(gòu)饋到基片集成波導(dǎo)，在SIW結(jié)構(gòu)中沿電磁場(chǎng)傳播方向開(kāi)一條槽，槽長(zhǎng)與SIW長(zhǎng)度相同。此槽線將基片集成波導(dǎo)分為兩個(gè)部分，在槽線的左右兩邊分別以等間距Is垂直安裝兩排變?nèi)荻O管V m和固定容值電容C m，為減少分布參數(shù)的影響，將選取微小封裝的器件(如0402封裝)。
[0021]圖2示出了變?nèi)荻O管的安裝方法，將變?nèi)荻O管的正極用焊錫在槽線一側(cè)接地，固定容值電容Cm的一端用焊錫在槽線另一側(cè)接地((^取10pF)。Cm的作用是隔離直流，同時(shí)減少對(duì)整個(gè)電路并聯(lián)等效電容值的影響。變?nèi)荻O管的負(fù)極和Cm的另一端通過(guò)焊錫連在一起，而后經(jīng)過(guò)導(dǎo)線分別與扼流電感Ln和限流電阻Rn串聯(lián)，同時(shí)與去耦電容Cn并聯(lián)接地。我們選擇單個(gè)變?nèi)荻O管的容值變化范圍為0.23pF-2.lpF，等效串聯(lián)電阻小于I Ω。
[0022]本發(fā)明中的連續(xù)移相器在專業(yè)的電磁場(chǎng)仿真軟件中實(shí)現(xiàn)，采用Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件(High Frequency Structure Simulator, HFSS)進(jìn)行建模仿真，參數(shù)定義如下:wms為微帶線寬度，I 微帶線長(zhǎng)度，W為包含過(guò)渡結(jié)構(gòu)一側(cè)的SIW寬度，C為另一側(cè)基片集成波導(dǎo)的寬度，Svp為金屬化通孔間距，dvp為金屬化通孔直徑，I為基片集成波導(dǎo)長(zhǎng)度，s為槽寬，13為相鄰兩組變?nèi)荻O管Va^P固定容值電容C ^勺間距，11為每對(duì)變?nèi)荻O管Vm和固定容值電容C111的中心距，I x為過(guò)渡結(jié)構(gòu)的寬，I y為過(guò)渡結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化仿真后，得到最佳參數(shù)尺寸，具體如下:wms= 1.12mm，I ms= 6mm，c = 3mm，w = 15mm，s vp= 0.75mm，d vp=0.5mm，I = 130mm，s = 0.5mm，Is= 8mm，I t= 1.4mm，I x= 6.5mm，I y= 5mm0
[0023]圖3給出了變?nèi)荻O管的反向電壓與容值之間的關(guān)系，可以看出電壓與容值是成非線性反比的。圖4示出了移相器仿真的相位圖，圖5示出了移相器仿真的傳輸特性圖，圖6示出了移相器仿真的反射系數(shù)圖。
[0024]從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)對(duì)應(yīng)的變?nèi)荻O管容值范圍為0.5pF-lpF時(shí)，該移相器可以在2.68-3.5GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，相對(duì)帶寬為26.5%，電壓調(diào)節(jié)范圍為3-6.5V，移相范圍大于145°，傳輸參數(shù)優(yōu)于_3dB，反射系數(shù)優(yōu)于_10dB。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)模擬移相器，包括50 Ω特征阻抗微帶線、變?nèi)荻O管、過(guò)渡結(jié)構(gòu)、基片集成波導(dǎo)SIW和外圍電阻電容電感，其特征在于:輸入端為50 Ω特征阻抗的微帶線，信號(hào)再經(jīng)過(guò)渡結(jié)構(gòu)饋到基片集成波導(dǎo)；在工作于全模模式的SIW結(jié)構(gòu)中，沿電磁場(chǎng)傳播方向開(kāi)一條槽，槽長(zhǎng)與SIW長(zhǎng)度相同，寬度S < 1.5mm ;此槽線將基片集成波導(dǎo)分為兩個(gè)部分，包含過(guò)渡結(jié)構(gòu)一側(cè)的SIW寬度為W，另一側(cè)寬度為C，過(guò)渡結(jié)構(gòu)為凹陷的矩形，其沿電磁場(chǎng)傳播方向的長(zhǎng)度1/3W ( Ix^ 2/3W，另一邊長(zhǎng)度1/5W ( I 2/3W ； 將變?nèi)荻O管和固定容值電容成對(duì)垂直于SIW分別安裝在槽線兩側(cè)，并且兩者連線與槽線垂直，每對(duì)變?nèi)荻O管Vm和固定容值電容Cm的中心距離s < I 2mm，相鄰兩對(duì)變?nèi)荻O管和固定容值電容之間的距離5mm ( Is^ 1mm ； 外圍電阻電容電感:變?nèi)荻O管的正極用焊錫在槽線一側(cè)接地，固定容值電容Cni的一端用焊錫在槽線另一側(cè)接地，變?nèi)荻O管的負(fù)極和Cm的另一端通過(guò)焊錫連在一起，而后經(jīng)過(guò)導(dǎo)線分別與扼流電感Ln和限流電阻Rn串聯(lián)，同時(shí)與去耦電容(^并聯(lián)接地，其中Cni容值大于變?nèi)荻O管最大容值100倍。
2.如權(quán)利要求1所述連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)模擬移相器，其特征在于:所述變?nèi)荻O管和固定容值電容的對(duì)數(shù)小于30對(duì)。
3.如權(quán)利要求1或2任一所述連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)模擬移相器，其特征在于:SIW選用厚度為0.508mm的RT/Duroid 4350，相對(duì)介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.0037，0?取10pF ;其中Wms為微帶線寬度，I !^為微帶線長(zhǎng)度，s %為金屬化通孔間距，(Ivp為金屬化通孔直徑，I為基片集成波導(dǎo)長(zhǎng)度； 各參數(shù)的具體尺寸如下:wms= 1.12mm，I ms= 6mm，c = 3mm，w = 15mm，s vp= 0.75mm，Civp= 0.5mm，I = 130mm，s = 0.5mm，I s= 8mm，I t= 1.4mm，I x= 6.5mm，I y= 5mm0
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波電路技術(shù)，特別涉及一種連續(xù)可變型的基片集成波導(dǎo)模擬移相器。包括50Ω特征阻抗微帶線、變?nèi)荻O管、過(guò)渡結(jié)構(gòu)、基片集成波導(dǎo)和外圍電阻電容電感；輸入端為50Ω特征阻抗的微帶線，信號(hào)再經(jīng)過(guò)渡結(jié)構(gòu)饋到基片集成波導(dǎo)。在SIW中，沿電磁場(chǎng)傳播方向開(kāi)一條槽，此槽線將SIW分為兩個(gè)部分，包含過(guò)渡結(jié)構(gòu)一側(cè)的SIW寬度為W，另一側(cè)寬度為C，過(guò)渡結(jié)構(gòu)為凹陷的矩形。將變?nèi)荻O管和固定容值電容成對(duì)垂直于SIW安裝在槽線兩側(cè)。該移相器的相位變化隨調(diào)諧電壓連續(xù)可變，帶寬較寬，傳輸損耗小，反射系數(shù)小，移相范圍大，方便集成在電路中。
【IPC分類】H01P1-185
【公開(kāi)號(hào)】CN104716408
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510138403
【發(fā)明人】彭浩, 肖龍, 楊濤, 朱建中, 王勇
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日