一种基于填充不同介电常数材料的siw移相器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波移相器，具体是涉及基于填充不同介电常数材料的基片集成波导 (Substrate Integrated Waveguide,SIW)移相器，以实现宽带移相功能。
【背景技术】
[0002] 移相器用来对微波信号的相位进行调整，常用于相控阵天线、测试设备和信号矢 量分解合成等方向。移相器的带宽是一个非常重要的指标，研究者希望在保证移相器性能 的前提下，实现尽可能宽的带宽。
[0003] 基片集成波导是一种新型的微波传输线形式，其设计思想来源于传统的波导结 构，通过加工在介质基板上的两排金属化通孔实现类似于金属波导的场传播模式。基片集 成波导本身具备了传统金属波导和微带线的优点，方便实现平面电路型的高性能微波毫米 波电路结构。
[0004] 在现有的报道文献中，实现在基片集成波导上的宽带移相器主要有三种方式实 现。研究者Yu Jian Cheng基于延迟线和不等宽SIW结构实现自补偿型宽带移相功能，参见 文献 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] 研究人员T.Djerafi基于阵列小孔实现可变的人工介电常数，从而引起相位变化 实现移相功能。参见文献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.Ebrahimpouri设计了内嵌' Ω '形微型图案，在保证宽带移相性能的情况 下缩小了器件体积，但插入损耗较大。参见文献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] 以上三种方法中，对于45°移相范围来说，第一种方法实现的移相器带宽为50% (24~406取，45°±3.5°)，第二种方法实现的移相器带宽为46.1%(20~326取，45°± 2.5° )，第三种方法实现的移相器带宽约为60.2 % (仿真结果4.487~8.355GHz，45° ± 2.5°。 未明确给出实测结果）；对于90°移相范围来说，第一种方法实现的移相器带宽为45.1 % (25 · 11~39 · 75GHz，90° ± 2 · 5° )，第二种方法实现的移相器带宽为46 · 1 % (20~32GHz， 89.5°±5°)。第三种方法实现的移相器带宽约为55%(仿真结果4.2~7.3856他，90°±3°。 未明确给出实测结果）。
[0008] 第一和第二种移相器的带宽在其定义的移相精度范围内还有一定的提升空间，且 第一种移相器的参考相位不固定;第三种移相器实测插入损耗比较大(大于5dB)，回波损耗 不到-10dB，实用性有待商榷。故这三种方法都有自身的局限性。
【发明内容】
[0009] 针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种基于填充不同介电常数材料的SIW 移相器。该SIW移相器由支路一和支路二组成，其中支路一对应于参考的零相位，支路二对 应于所需的移相度数，两个支路均为微带线通过一段渐变线和矩形SIW本体相连。其特征在 于：
[0010] 在所述支路一中，SIW本体为空腔型SIW，即在SIW本体上开一空腔，空腔的几何中 心与SIW本体几何中心重合，SIW本体宽边为Ws3，长边为Ls3;所述空腔的平面形状为矩形在 其垂直电磁波传播方向边即矩形宽边截去两个相同的等腰梯形，该矩形长边为Lsl，宽边为 Wsl，相对应的 Wsl 与 Ws3 平行且距离为 Lxl，Ls3 = Lsl+2Lxl，Wsl=Ws3，Lxl>0;
[0011] 所述等腰梯形的底边中心与其所在矩形边中心重合，且等腰梯形的对称轴与微带 线的中线重合;其中，等腰梯形的底边为Wtil，上边为Wtfl，高为Ltxl，Lsl>2Ltxl，Wtil> WtfUWml为微带线宽度，Lml为微带线的长度，Ltl为渐变线长度，渐变线与Ws3的衔接处为 Wtl，h为SIW厚度。
[0012] Lsl所在SIWii壁全部金属化，即金属化的Lsl替代常规SIW的金属化通孔，Wsl两端 往其中心距离为Wirl的部分金属化，其余空腔所属侧壁均不金属化，0〈Wirl〈(Wsl-Wtil)/ 2〇
[0013] 还包含一个金属化的盖板，其金属面与SIW本体的表面紧贴，并完全覆盖SIW本体 的空腔部分。
[0014] 所述支路二中，SIW本体宽边长度为Ws2即两行金属化通孔的行间距，长边为Ls2， 渐变线与SIW本体宽边的衔接处为Wt2,并在Wt2上下各引入一个匹配通孔，并金属化，共计4 个，匹配通孔与SIW本体宽边相交。
[0015] Wm2为微带线宽度，Lm2为微带线的长度，Lt2为渐变线长度，Svp2为金属化通孔的 孔间距，Dvp2为金属化通孔的直径，Lx2为匹配通孔距对应SIW本体宽边的横向距离，Ly2为 匹配通孔距对应Ls2的纵向距离。
[0016] 对平古敗一知古敗一的抬辟公則先丨*ΠΤ m2的微带线来说，其相位差为：
[0017] (1)
[0018] 其中h为等效介电常数。
[0021] 其中ε〇为空气的介电常数和er为介质板介电常数。[0022] ?々软相的软相麼救为.
[0019] 对于支路一和支路二中，宽度分别为Wsl和Ws2的基片集成波导结构来说，其相位 差为：
[0020]
[0023] ^
〃， ^ (3)
[0024]在设计移相器时，可以根据介质材料的特性和工作频段首先确定微带到SIW本体 渐变线的尺寸和等腰梯形物理尺寸;对于给定的移相度数，可以预先选定SIW的Wsl、Ws2、 Lsl和Ls2,再通过式(1)-(3)确定微带线长度1^1和1^12。
[0025]本发明中的移相器工作原理:在移相器支路一中将空气作为传播介质，在支路二 中用SIW本体介质材料作为传播介质，不同长度微带线，不同的SIW长度与宽度都会改变基 片集成波导的相位，这些措施产生的相移量可以相互补偿，选取合适的物理尺寸参数和填 充材料就可以在宽带频率范围内形成固定的相位差。
[0026]本发明的有益结果是：
[0027] 1、具有很宽的工作带宽:45°和90°移相器实测带宽分别达到71.8% (7.55-16GHZ， 45。±3。）和77·2%(7·35~16.6GHz，90。±5.1。）；
[0028] 2、具有较好的幅度一致性，插入损耗优于2dB;
[0029] 3、方便与其他平面型无源和有源电路集成；
[0030] 4、实现在印刷电路板上，加工方便，结构简单可靠，成本低。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明实施例移相器支路一的正视图
[0032] 图2是本发明实施例移相器支路二的正视图
[0033] 图3是本发明实施例移相器支路一金属化侧壁示意图
[0034] 图4是本发明实施例移相器支路二的盖板
[0035] 图5是本发明支路一仿真和测试S参数曲线
[0036] 图6是本发明支路二仿真和测试S参数曲线(45度和90度）
[0037]图7是本发明实施例的相位差(45度和90度）
[0038]附图标记:微带线-1、8，SIW本体-3、6，空腔-4，渐变线-2、9，金属化过孔-7，匹配通 孔_5。
【具体实施方式】
[0039] 依据前述基于填充不同介电常数材料的SIW移相器。
[0040] 实现在RT/Duroid 5880的介质基片上，该基片相对介电常数为2.2,损耗角正切为 0.0009,厚度为0.787mm。
[0041]对于支路一:金属化盖板为矩形，L1为盖板的长度，L2为盖板的宽度。L1等于Ls3， ffsl<L2〇
[0042]经过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如 下表所示：
[0043]
[0044] 测试结果显示:在工作频段范围内，支路一参考零相位的回波损耗优于-13.8dB， 支路二对应于45度和90度移相时的回波损耗分别优于-13.5dB和-15.8dB。插入损耗均优于 2dB，相位差分别为45.1° ±3°和90° ±5.1°，相对带宽为71.8%和77.2%。
【主权项】
1. 一种基于填充不同介电常数材料的SIW移相器，由对应于参考零相位的支路一和对 应于所需移相度数的支路二组成，两个支路均为微带线通过一段渐变线和矩形SIW本体相 连，其特征在于： 在所述支路一中，SIW本体为空腔型SIW，即在SIW本体上开一空腔，空腔的几何中屯、与 SIW本体几何中屯、重合，SIW本体宽边为Ws3，长边为Ls3;所述空腔的平面形状为矩形在其垂 直电磁波传播方向边即矩形宽边截去两个相同的等腰梯形，该矩形长边为Lsl，宽边为Wsl， 相对应的Wsl与Ws3平行且距离为Lxl，Ls3 = Lsl+化xl，Wsl=Ws3，Lxl>0; 所述等腰梯形的底边中屯、与其所在矩形边中屯、重合，且等腰梯形的对称轴与微带线的 中线重合;其中，等腰梯形的底边为Wtil,上边为化n，高为Ltxl，Lsl>^txl，^il>^n; Wml为微带线宽度，Lml为微带线的长度，Ltl为渐变线长度，渐变线与Ws3的衔接处为Wtl，h 为SIW厚度； Lsl所在SIW侧壁全部金属化，即金属化的Lsl替代常规SIW的金属化通孔，Wsl两端往其 中屯、距离为Wirl的部分金属化，其余空腔所属侧壁均不金属化，0<Wirl<(Wsl-Wti 1 )/2; 还包含一个金属化的盖板，其金属面与SIW本体的表面紧贴，并完全覆盖SIW本体的空 腔部分； 所述支路二中，SIW本体宽边长度为Ws2即两行金属化通孔的行间距，长边为Ls2,渐变 线与SIW本体宽边的衔接处为Wt2,并在Wt2上下各引入一个匹配通孔，并金属化，共计4个， 匹配通孔与SIW本体宽边相交； Wm2为微带线宽度，Lm2为微带线的长度，Lt2为渐变线长度，Svp2为金属化通孔的孔间 距，Dvp2为金属化通孔的直径，Lx2为匹配通孔距对应SIW本体宽边的横向距离，Ly2为匹配 通孔距对应Ls2的纵向距离。2. 如权利要求1所述基于填充不同介电常数材料的SIW移相器，其特征在于： 对于支路一和支路二的长度分别为Lm巧日Lm2的微带线来说，其相位差为：(1) 其中Ee为等效介电常数； 对于支路一和支路二中，宽度分别为Ws巧抓S2的基片集成波导结构来说，其相位差为：其中EO为空气的介电常数和Er为介质板介电常数； 那么移相器总的移相度数为： A如/') =卽(/)",.-f-A 戸(/?)、. （引 根据介质材料的特性和工作频段首先确定渐变线的尺寸和等腰梯形物理尺寸;对于给 定的移相度数，预先选定SIW的Wsl、Ws2、Lsl和Ls2,再通过式（1)-(3)确定微带线长度Lml和 Lm 2 O
【专利摘要】本发明涉及微波移相器，具体是涉及一种基于填充不同介电常数材料的SIW移相器。该SIW移相器由对应于参考零相位的支路一和对应于所需移相度数的支路二组成：在支路一中将空气作为传播介质，在支路二中用SIW本体介质材料作为传播介质，微带线长度，SIW长度与宽度都会改变基片集成波导的相位，这些措施产生的相移量可以相互补偿，调整物理尺寸参数和填充材料以在宽带频率范围内形成固定的相位差。本发明实现的45°和90°移相器实测带宽分别达到71.8％(7.55-16GHz，45°±3°)和77.2％(7.35～16.6GHz，90°±5.1°)；具有较好的幅度一致性，插入损耗优于2dB；方便与其他平面型无源和有源电路集成。
【IPC分类】H01P1/18
【公开号】CN105514540
【申请号】CN201610067241
【发明人】彭浩, 夏鑫淋, 黄杰铭, 杨涛
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年2月1日