一種基于填充不同介電常數(shù)材料的siw移相器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波移相器，具體是涉及基于填充不同介電常數(shù)材料的基片集成波導(dǎo) (Substrate Integrated Waveguide,SIW)移相器，以實現(xiàn)寬帶移相功能。
【背景技術(shù)】
[0002] 移相器用來對微波信號的相位進(jìn)行調(diào)整，常用于相控陣天線、測試設(shè)備和信號矢 量分解合成等方向。移相器的帶寬是一個非常重要的指標(biāo)，研究者希望在保證移相器性能 的前提下，實現(xiàn)盡可能寬的帶寬。
[0003] 基片集成波導(dǎo)是一種新型的微波傳輸線形式，其設(shè)計思想來源于傳統(tǒng)的波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，通過加工在介質(zhì)基板上的兩排金屬化通孔實現(xiàn)類似于金屬波導(dǎo)的場傳播模式。基片集 成波導(dǎo)本身具備了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點，方便實現(xiàn)平面電路型的高性能微波毫米 波電路結(jié)構(gòu)。
[0004] 在現(xiàn)有的報道文獻(xiàn)中，實現(xiàn)在基片集成波導(dǎo)上的寬帶移相器主要有三種方式實 現(xiàn)。研究者Yu Jian Cheng基于延遲線和不等寬SIW結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自補償型寬帶移相功能，參見 文獻(xiàn) Y.J. Cheng，W. Hong, K.Wu，"Broadband self-compensating phase shifter combining delay line and equal-length unequal-width phaser，''IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010,58(1):203-210。
[0005] 研究人員T.Djerafi基于陣列小孔實現(xiàn)可變的人工介電常數(shù)，從而引起相位變化 實現(xiàn)移相功能。參見文獻(xiàn)T ·Djeraf i，K ·Wu，S· 0 · Tatu，"Substrate-integrated waveguide phase shifter with rod-loaded artificial dielectric slab/'Electronics Letters,2015,51(9):707-709〇
[0006] 研究者M(jìn).Ebrahimpouri設(shè)計了內(nèi)嵌' Ω '形微型圖案，在保證寬帶移相性能的情況 下縮小了器件體積，但插入損耗較大。參見文獻(xiàn)M.Ebrahimpouri，S.Nikmehr，A. Pourziad， "Broadband Compact SIW Phase Shifter Using Omega Particles，''IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2014,24(ll):l_3〇
[0007] 以上三種方法中，對于45°移相范圍來說，第一種方法實現(xiàn)的移相器帶寬為50% (24~406取，45°±3.5°)，第二種方法實現(xiàn)的移相器帶寬為46.1%(20~326取，45°± 2.5° )，第三種方法實現(xiàn)的移相器帶寬約為60.2 % (仿真結(jié)果4.487~8.355GHz，45° ± 2.5°。 未明確給出實測結(jié)果）；對于90°移相范圍來說，第一種方法實現(xiàn)的移相器帶寬為45.1 % (25 · 11~39 · 75GHz，90° ± 2 · 5° )，第二種方法實現(xiàn)的移相器帶寬為46 · 1 % (20~32GHz， 89.5°±5°)。第三種方法實現(xiàn)的移相器帶寬約為55%(仿真結(jié)果4.2~7.3856他，90°±3°。 未明確給出實測結(jié)果）。
[0008] 第一和第二種移相器的帶寬在其定義的移相精度范圍內(nèi)還有一定的提升空間，且 第一種移相器的參考相位不固定;第三種移相器實測插入損耗比較大(大于5dB)，回波損耗 不到-10dB，實用性有待商榷。故這三種方法都有自身的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對上述存在問題或不足，本發(fā)明提供了一種基于填充不同介電常數(shù)材料的SIW 移相器。該SIW移相器由支路一和支路二組成，其中支路一對應(yīng)于參考的零相位，支路二對 應(yīng)于所需的移相度數(shù)，兩個支路均為微帶線通過一段漸變線和矩形SIW本體相連。其特征在 于：
[0010] 在所述支路一中，SIW本體為空腔型SIW，即在SIW本體上開一空腔，空腔的幾何中 心與SIW本體幾何中心重合，SIW本體寬邊為Ws3，長邊為Ls3;所述空腔的平面形狀為矩形在 其垂直電磁波傳播方向邊即矩形寬邊截去兩個相同的等腰梯形，該矩形長邊為Lsl，寬邊為 Wsl，相對應(yīng)的 Wsl 與 Ws3 平行且距離為 Lxl，Ls3 = Lsl+2Lxl，Wsl=Ws3，Lxl>0;
[0011] 所述等腰梯形的底邊中心與其所在矩形邊中心重合，且等腰梯形的對稱軸與微帶 線的中線重合;其中，等腰梯形的底邊為Wtil，上邊為Wtfl，高為Ltxl，Lsl>2Ltxl，Wtil> WtfUWml為微帶線寬度，Lml為微帶線的長度，Ltl為漸變線長度，漸變線與Ws3的銜接處為 Wtl，h為SIW厚度。
[0012] Lsl所在SIWii壁全部金屬化，即金屬化的Lsl替代常規(guī)SIW的金屬化通孔，Wsl兩端 往其中心距離為Wirl的部分金屬化，其余空腔所屬側(cè)壁均不金屬化，0〈Wirl〈(Wsl-Wtil)/ 2〇
[0013] 還包含一個金屬化的蓋板，其金屬面與SIW本體的表面緊貼，并完全覆蓋SIW本體 的空腔部分。
[0014] 所述支路二中，SIW本體寬邊長度為Ws2即兩行金屬化通孔的行間距，長邊為Ls2， 漸變線與SIW本體寬邊的銜接處為Wt2,并在Wt2上下各引入一個匹配通孔，并金屬化，共計4 個，匹配通孔與SIW本體寬邊相交。
[0015] Wm2為微帶線寬度，Lm2為微帶線的長度，Lt2為漸變線長度，Svp2為金屬化通孔的 孔間距，Dvp2為金屬化通孔的直徑，Lx2為匹配通孔距對應(yīng)SIW本體寬邊的橫向距離，Ly2為 匹配通孔距對應(yīng)Ls2的縱向距離。
[0016] 對平古敗一知古敗一的抬辟公則先丨*ΠΤ m2的微帶線來說，其相位差為：
[0017] (1)
[0018] 其中h為等效介電常數(shù)。
[0021] 其中ε〇為空氣的介電常數(shù)和er為介質(zhì)板介電常數(shù)。[0022] ?々軟相的軟相麼救為.
[0019] 對于支路一和支路二中，寬度分別為Wsl和Ws2的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來說，其相位 差為：
[0020]
[0023] ^
〃， ^ (3)
[0024]在設(shè)計移相器時，可以根據(jù)介質(zhì)材料的特性和工作頻段首先確定微帶到SIW本體 漸變線的尺寸和等腰梯形物理尺寸;對于給定的移相度數(shù)，可以預(yù)先選定SIW的Wsl、Ws2、 Lsl和Ls2,再通過式(1)-(3)確定微帶線長度1^1和1^12。
[0025]本發(fā)明中的移相器工作原理:在移相器支路一中將空氣作為傳播介質(zhì)，在支路二 中用SIW本體介質(zhì)材料作為傳播介質(zhì)，不同長度微帶線，不同的SIW長度與寬度都會改變基 片集成波導(dǎo)的相位，這些措施產(chǎn)生的相移量可以相互補償，選取合適的物理尺寸參數(shù)和填 充材料就可以在寬帶頻率范圍內(nèi)形成固定的相位差。
[0026]本發(fā)明的有益結(jié)果是：
[0027] 1、具有很寬的工作帶寬:45°和90°移相器實測帶寬分別達(dá)到71.8% (7.55-16GHZ， 45?！?。）和77·2%(7·35~16.6GHz，90?！?.1。）；
[0028] 2、具有較好的幅度一致性，插入損耗優(yōu)于2dB;
[0029] 3、方便與其他平面型無源和有源電路集成；
[0030] 4、實現(xiàn)在印刷電路板上，加工方便，結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明實施例移相器支路一的正視圖
[0032] 圖2是本發(fā)明實施例移相器支路二的正視圖
[0033] 圖3是本發(fā)明實施例移相器支路一金屬化側(cè)壁示意圖
[0034] 圖4是本發(fā)明實施例移相器支路二的蓋板
[0035] 圖5是本發(fā)明支路一仿真和測試S參數(shù)曲線
[0036] 圖6是本發(fā)明支路二仿真和測試S參數(shù)曲線(45度和90度）
[0037]圖7是本發(fā)明實施例的相位差(45度和90度）
[0038]附圖標(biāo)記:微帶線-1、8，SIW本體-3、6，空腔-4，漸變線-2、9，金屬化過孔-7，匹配通 孔_5。
【具體實施方式】
[0039] 依據(jù)前述基于填充不同介電常數(shù)材料的SIW移相器。
[0040] 實現(xiàn)在RT/Duroid 5880的介質(zhì)基片上，該基片相對介電常數(shù)為2.2,損耗角正切為 0.0009,厚度為0.787mm。
[0041]對于支路一:金屬化蓋板為矩形，L1為蓋板的長度，L2為蓋板的寬度。L1等于Ls3， ffsl<L2〇
[0042]經(jīng)過電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化后，獲得了最佳的參數(shù)尺寸，具體如 下表所示：
[0043]
[0044] 測試結(jié)果顯示:在工作頻段范圍內(nèi)，支路一參考零相位的回波損耗優(yōu)于-13.8dB， 支路二對應(yīng)于45度和90度移相時的回波損耗分別優(yōu)于-13.5dB和-15.8dB。插入損耗均優(yōu)于 2dB，相位差分別為45.1° ±3°和90° ±5.1°，相對帶寬為71.8%和77.2%。
【主權(quán)項】
1. 一種基于填充不同介電常數(shù)材料的SIW移相器，由對應(yīng)于參考零相位的支路一和對 應(yīng)于所需移相度數(shù)的支路二組成，兩個支路均為微帶線通過一段漸變線和矩形SIW本體相 連，其特征在于： 在所述支路一中，SIW本體為空腔型SIW，即在SIW本體上開一空腔，空腔的幾何中屯、與 SIW本體幾何中屯、重合，SIW本體寬邊為Ws3，長邊為Ls3;所述空腔的平面形狀為矩形在其垂 直電磁波傳播方向邊即矩形寬邊截去兩個相同的等腰梯形，該矩形長邊為Lsl，寬邊為Wsl， 相對應(yīng)的Wsl與Ws3平行且距離為Lxl，Ls3 = Lsl+化xl，Wsl=Ws3，Lxl>0; 所述等腰梯形的底邊中屯、與其所在矩形邊中屯、重合，且等腰梯形的對稱軸與微帶線的 中線重合;其中，等腰梯形的底邊為Wtil,上邊為化n，高為Ltxl，Lsl>^txl，^il>^n; Wml為微帶線寬度，Lml為微帶線的長度，Ltl為漸變線長度，漸變線與Ws3的銜接處為Wtl，h 為SIW厚度； Lsl所在SIW側(cè)壁全部金屬化，即金屬化的Lsl替代常規(guī)SIW的金屬化通孔，Wsl兩端往其 中屯、距離為Wirl的部分金屬化，其余空腔所屬側(cè)壁均不金屬化，0<Wirl<(Wsl-Wti 1 )/2; 還包含一個金屬化的蓋板，其金屬面與SIW本體的表面緊貼，并完全覆蓋SIW本體的空 腔部分； 所述支路二中，SIW本體寬邊長度為Ws2即兩行金屬化通孔的行間距，長邊為Ls2,漸變 線與SIW本體寬邊的銜接處為Wt2,并在Wt2上下各引入一個匹配通孔，并金屬化，共計4個， 匹配通孔與SIW本體寬邊相交； Wm2為微帶線寬度，Lm2為微帶線的長度，Lt2為漸變線長度，Svp2為金屬化通孔的孔間 距，Dvp2為金屬化通孔的直徑，Lx2為匹配通孔距對應(yīng)SIW本體寬邊的橫向距離，Ly2為匹配 通孔距對應(yīng)Ls2的縱向距離。2. 如權(quán)利要求1所述基于填充不同介電常數(shù)材料的SIW移相器，其特征在于： 對于支路一和支路二的長度分別為Lm巧日Lm2的微帶線來說，其相位差為：(1) 其中Ee為等效介電常數(shù)； 對于支路一和支路二中，寬度分別為Ws巧抓S2的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來說，其相位差為：其中EO為空氣的介電常數(shù)和Er為介質(zhì)板介電常數(shù)； 那么移相器總的移相度數(shù)為： A如/') =卽(/)",.-f-A 戸(/?)、. （引 根據(jù)介質(zhì)材料的特性和工作頻段首先確定漸變線的尺寸和等腰梯形物理尺寸;對于給 定的移相度數(shù)，預(yù)先選定SIW的Wsl、Ws2、Lsl和Ls2,再通過式（1)-(3)確定微帶線長度Lml和 Lm 2 O
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波移相器，具體是涉及一種基于填充不同介電常數(shù)材料的SIW移相器。該SIW移相器由對應(yīng)于參考零相位的支路一和對應(yīng)于所需移相度數(shù)的支路二組成：在支路一中將空氣作為傳播介質(zhì)，在支路二中用SIW本體介質(zhì)材料作為傳播介質(zhì)，微帶線長度，SIW長度與寬度都會改變基片集成波導(dǎo)的相位，這些措施產(chǎn)生的相移量可以相互補償，調(diào)整物理尺寸參數(shù)和填充材料以在寬帶頻率范圍內(nèi)形成固定的相位差。本發(fā)明實現(xiàn)的45°和90°移相器實測帶寬分別達(dá)到71.8％(7.55-16GHz，45°±3°)和77.2％(7.35～16.6GHz，90°±5.1°)；具有較好的幅度一致性，插入損耗優(yōu)于2dB；方便與其他平面型無源和有源電路集成。
【IPC分類】H01P1/18
【公開號】CN105514540
【申請?zhí)枴緾N201610067241
【發(fā)明人】彭浩, 夏鑫淋, 黃杰銘, 楊濤
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年2月1日