本發(fā)明涉及微波開關(guān)單元領(lǐng)域，尤其涉及一種基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)單元。
背景技術(shù)：
應(yīng)用基片集成波導(dǎo)即siw(substrateintegratedwaveguide)這類成熟的設(shè)計平臺來實現(xiàn)的平面結(jié)構(gòu)，融合了矩形波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點，具有體積小、重量輕、相對帶寬較寬的優(yōu)點，同時可承受較高的功率門限，q值也比較高，理論和實驗均表明這類平面結(jié)構(gòu)具有非常突出的優(yōu)點，可在微波毫米波電路、混合集成電路(hmic)以及毫米波單片集成電路(mmic)中得到很好的應(yīng)用。如文獻1(“integratedmicrostripandrectangularwaveguideinplanarform”,ieeemicrowaveandwirelesscomp.lett.,vol.11,no.2,2001,pp.68-70)、文獻2(“aplanarmagic-tusingsubstrateintegratedcircuitsconcept”ieeemicrowaveandwirelesscomp.lett.,vol.18,no.6,2008,pp386-388)和文獻3(“基片集成波導(dǎo)混合功率分配器饋電對數(shù)周期天線,”電波科學(xué)學(xué)報,2011,26(3),pp.437-442)中，都詳細地介紹了采用基片集成波導(dǎo)來設(shè)計的新型微波毫米波平面無源電路。
微波開關(guān)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的重要組件，廣泛應(yīng)用于微波通信、電子對抗、頻率綜合和微波測量等系統(tǒng)中。盡管微波開關(guān)的研制技術(shù)趨于成熟，然而針對基片集成波導(dǎo)這種發(fā)展十多年的新型傳輸線而言，能夠見到的研究成果卻非常的少。直到2011年，文獻4(x.ruofeng,b.s.izquierdo,andp.r.young,"switchablesubstrateintegratedwaveguide,"microwaveandwirelesscomponentsletters,ieee,vol.21,pp.194-196,2011.)第一次公開了一種基于基片集成波導(dǎo)的開關(guān)，這種開關(guān)通過pin開關(guān)陣列來切換兩種不同傳輸線，即從裂縫基片集成波導(dǎo)(slottedsubstrateintegratedwaveguide,ssiw)切換到hmsiw(halfmodesubstrateintegratedwaveguide)，由于ssiw和hmsiw的截止頻率不一樣，因此這種單刀單擲(single-pole-single-through,spst)開關(guān)的隔離度非常高，可以達到50db；但是在開啟狀態(tài)，其損耗達到3db以上，同時也無法進一步擴展為單刀雙擲(ingle-pole-dual-through,spdt)開關(guān)，因此缺點也比較明顯。2014年，文獻5(l.inseopandl.sungjoon,"substrate-integrated-waveguide(siw)single-pole-double-throw(spdt)switchforx-bandapplications,"microwaveandwirelesscomponentsletters,ieee,vol.24,pp.536-538,2014.)公開了另外一種基于pin管的開關(guān)，這種電路采用在siw內(nèi)部集成金屬化柱的方式，通過切換金屬化柱的兩種 狀態(tài)來改變基片集成波導(dǎo)的狀態(tài)。這種電路可以實現(xiàn)spst和spdt，但是由于其內(nèi)置的金屬化柱即使在導(dǎo)通狀態(tài)對電路主體的影響都不可避免，隨著頻率升高后，這種電路將會產(chǎn)生很大的損耗。基于鐵氧體材料的開關(guān)也分別于2012年和2014年被提出，然而這種電路的通病是體積大，加工工藝復(fù)雜，難以滿足集成化的需求。
到目前為止，尚未見到任何基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)電路。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)單元。
實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)解決方案為：一種基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)單元，包括半?；刹▽?dǎo)和阻抗器，所述半?；刹▽?dǎo)包括上層金屬面、中間介質(zhì)板和下層金屬面，中間介質(zhì)板位于上層金屬面和下層金屬面之間，上層金屬面和下層金屬面之間設(shè)置一排金屬柱線列，金屬柱線列均包括若干金屬柱，每個金屬柱均與上層金屬面和下層金屬面相接觸；所述阻抗器設(shè)置在間介質(zhì)板上，通過開關(guān)元件與半?；刹▽?dǎo)連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：(1)本發(fā)明工作原理簡單，以現(xiàn)有的基于微帶電路的開關(guān)作為理論研究的依據(jù)；(2)本發(fā)明工作頻帶高，可以從ghz到thz；(3)本發(fā)明電路指標(biāo)相對穩(wěn)定，同時也可以在生產(chǎn)后進行必要的調(diào)試，滿足特定條件下的需求；(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單易行，可以采用常規(guī)的pcb印制板制作工藝，傳統(tǒng)的機加工工藝，以及手工安裝手段，經(jīng)濟性突出；(5)本發(fā)明設(shè)計原理簡單，對基片材料幾乎沒有特殊要求，可以采用所有的微波基板，具有廣泛的通用性。
附圖說明
圖1為本傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)匹配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的半?；刹▽?dǎo)匹配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)單元原理示意圖。
圖5為本發(fā)明在導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)下5ghz處的仿真結(jié)果示意圖。
圖6為本發(fā)明的雙支節(jié)開關(guān)單元原理示意圖。
圖7為本發(fā)明的三支節(jié)開關(guān)單元原理示意圖。
圖8為本發(fā)明的雙支節(jié)和三支節(jié)開關(guān)單元仿真結(jié)果示意圖。
圖9為本發(fā)明終端開路單支節(jié)實現(xiàn)方式示意圖。
圖10為本發(fā)明終端短路單支節(jié)實現(xiàn)方式示意圖。
圖11(a)和圖11(b)分別為本發(fā)明單支節(jié)在終端開路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖。
圖12(a)和圖12(b)分別為本發(fā)明單支節(jié)在終端短路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖。
圖13(a)和圖13(b)分別為本發(fā)明雙支節(jié)在終端開路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖。
圖14(a)和圖14(b)分別為本發(fā)明雙支節(jié)在終端短路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明中的半?；刹▽?dǎo)由傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)派生而成，如圖1所示，傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)開關(guān)單元包括上層金屬面1、中間介質(zhì)板2、下層金屬面3和兩排金屬柱線列4；其中上層金屬面1位于中間介質(zhì)板2的上表面，底層金屬面3位于中間介質(zhì)板2的下表面，在金屬面1或2打兩排金屬化孔，或填充金屬漿料成金屬柱；基片集成波導(dǎo)的寬度和金屬柱的半徑可以根據(jù)已有公式(1)-(2)計算:
r＜0.1λg,w＜4r,r＜0.2a(2)
其中a′是siw的寬度，r是金屬柱半徑，w是相鄰金屬柱的間距，a是傳輸特性等效的矩形波導(dǎo)的寬度，λg為矩形波導(dǎo)的波長；金屬柱半徑小于基片集成波導(dǎo)截止波長的1/10，兩金屬柱之間的間距小于金屬柱直徑；上層金屬面的寬度對應(yīng)為基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截止頻率波長的二分之一以上。
基片集成波導(dǎo)的工作模式是te10模，而本發(fā)明涉及的半?；刹▽?dǎo)，其工作模式為te0.5,0模。其主體結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)類似，如圖2所示，即包括上層金屬面1、中間介質(zhì)板2、下層金屬面3，但是只有一排金屬柱線列4；其中上層金屬面1位于中間介質(zhì)板2的上表面，底層金屬面3位于中間介質(zhì)板2的下表面，在上層金屬面1和下層金屬面3打排金屬化孔，或填充金屬漿料成金屬柱。
如圖3所示，本發(fā)明的基于半?；刹▽?dǎo)的開關(guān)單元包括半?；刹▽?dǎo)和 阻抗器5，所述半模基片集成波導(dǎo)包括上層金屬面1、中間介質(zhì)板2和下層金屬面3，中間介質(zhì)板2位于上層金屬面1和下層金屬面3之間，上層金屬面1和下層金屬面3之間設(shè)置一排金屬柱線列4，金屬柱線列均包括若干金屬柱，每個金屬柱均與上層金屬面1和下層金屬面3相接觸；所述阻抗器5設(shè)置在間介質(zhì)板2上，通過開關(guān)元件6與半?；刹▽?dǎo)連接。
進一步的，開關(guān)元件6為pin二極管、mems開關(guān)或者其它可用于微波切換的開關(guān)元件。
阻抗器5為微帶傳輸線，其長度優(yōu)選的為1/4波導(dǎo)波長。
基片集成波導(dǎo)開關(guān)單元的上層金屬面1和下層金屬面3外表面之間的距離為0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
上層金屬面1和下層金屬面3之間填充介質(zhì)材料的介電常數(shù)為2-20。
每個金屬柱的半徑為0.2～0.5mm，每兩個金屬柱之間的距離為0.2～2mm。
本發(fā)明涉及的開關(guān)單元基本原理如圖4所示，其由一段半?；刹▽?dǎo)和一段電長度為θ、寬度為w的微帶分支線支節(jié)組合而成。根據(jù)經(jīng)典的長線理論，在tt’段內(nèi)，其s參數(shù)為
其中zo和zs分別為微帶分支線的特性阻抗和輸入阻抗，當(dāng)zs趨近于無窮小時，s11趨近于-1，而s21趨近于0，其電路等效為短路，無能量從輸出口輸出；而當(dāng)zs趨近于無窮大時，s11趨近于0，而s21趨近于1，其電路等效為正常傳輸，分支線不存在，所有能量從輸出口輸出。因此，通過改變zs的值，即可實現(xiàn)電路的開關(guān)狀態(tài)切換。
圖5是兩種狀態(tài)在5ghz處的仿真結(jié)果，可見在5ghz處，電路可以被有效關(guān)斷，但是由于微帶線是頻率相關(guān)的，因此工作帶寬較窄。
在實際使用中，可通過級聯(lián)多個開關(guān)單元來實現(xiàn)寬帶效應(yīng)，如圖6和圖7所示，分別是具有兩段分支線和三段分支線的開關(guān)電路，圖6中分支線之間的距離d1和圖7中 兩個相鄰分支線距離d2為1/4波導(dǎo)波長，θ1為圖6中微帶分支線的電長度，θ2和θ3為圖7中兩條微帶分支線的電長度，w1為圖6中微帶分支線寬度，w2和w3為圖7中兩條微帶分支線寬度。圖8是上述兩種電路的仿真結(jié)果示意圖，通過比較圖5和圖8，采用多段分支線的開關(guān)單元能夠大大拓展工作帶寬，分支線越多，帶寬越寬。
本發(fā)明的開關(guān)單元為了實現(xiàn)分支線的切換，采用兩種不同的形式，一種是終端開路，一種是終端短路，分別如圖9和圖10所示。對于終端開路電路，微帶線的長度為1/4導(dǎo)波長時，當(dāng)pin開關(guān)處在關(guān)斷狀態(tài)時，半?；刹▽?dǎo)和微帶線之間形成一個結(jié)電容，微帶線相當(dāng)于不存在，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)pin開關(guān)處在打開狀態(tài)時，半?；刹▽?dǎo)和微帶線之間形成一個阻值很小的電阻，zs趨近于0，電路處于短路狀態(tài)，能量全部反射。對于終端短路電路，微帶線的長度為1/4導(dǎo)波長時，當(dāng)pin開關(guān)處在開啟狀態(tài)時，微帶線之間一段接地，zs趨近于無窮大，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)；微帶線相當(dāng)于當(dāng)pin開關(guān)處在關(guān)斷狀態(tài)時，微帶線終端懸空，zs趨近于無窮大，電路處于短路狀態(tài)，能量全部反射。
圖11(a)和圖11(b)分別為單支節(jié)在終端開路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖；圖12(a)和圖12(b)分別為單支節(jié)在終端短路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖。圖13(a)和圖13(b)分別為雙支節(jié)在終端開路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖；圖14(a)和圖14(b)分別為雙支節(jié)在終端短路下5ghz的s11測試結(jié)果和s21測試結(jié)果示意圖。對于單支節(jié)電路，當(dāng)電路處于關(guān)斷狀態(tài)時，20db隔離度的相對帶寬分別為0％和2％。而當(dāng)電路支節(jié)數(shù)增加至2時，20db隔離度的相對帶寬分別達到為13.4％和12.6％，在此頻率范圍內(nèi)，回波損耗分別大于20db和24db，插入損耗為1db左右。
以上便是本發(fā)明所提出的半?；刹▽?dǎo)開關(guān)單元的設(shè)計方法和具體應(yīng)用的實施例，實施例的結(jié)果表明：本發(fā)明半?；刹▽?dǎo)開關(guān)單元可以滿足低插入損耗、高隔離的實際需求，同時體積小，重量輕，適合應(yīng)用于各種微波、毫米波以及thz系統(tǒng)的集成使用。