CN105390777A - 一种加载矩形空气槽的宽带基片集成波导siw移相器 - Google Patents

Abstract

移相器是微波毫米波电路与系统中的关键模块之一，其广泛应用在相控阵波束形成、正交电路设计、测试仪器设备等方面。本发明提出了一种加载矩形空气槽的SIW移相器，包括支路一和支路二两个典型的SIW电路结构。支路一对应于参考的零相位；支路二电路结构中的SIW本体上设有多个矩形空气槽，对应于所需的移相度数。支路二还包括一个与其SIW本体大小相适应的单面金属化介质PCB盖板。渐变过渡结构与SIW本体衔接边的上下引入了金属化匹配通孔，共计4个。本发明既实现了较宽的频率带宽，又具有较低插入损耗和固定零相位参考值；方便与其他平面型无源和有源电路集成，可实现在印制板上，成本较低，加工方便可靠。

Description

一种加载矩形空气槽的宽带基片集成波导SIW移相器

技术领域

移相器是微波毫米波电路与系统中的关键模块之一，其广泛应用在相控阵波束形成、正交电路设计、测试仪器设备等方面。加载矩形空气槽的基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide,SIW)移相器可以应用在基片集成波导(电路)中，以实现整体设计和宽带移相功能。

技术背景

基片集成波导SIW是一种新的微波传输线形式，利用制作在介质基板上的金属通孔实现类似于金属波导的场传播模式。SIW是介于微带和介质填充金属波导之间的一种传输线，兼顾传统波导和微带传输线的优点，能实现高性能的微波毫米波平面电路结构形式。

移相器是一种非常重要的微波模块，用于对信号的相位进行调整。移相器的带宽是一个极其关键的性能指标，实现尽可能宽的带宽是研究的一个重要方向。另一方面，宽带移相器的实现较困难，尤其是实现在SIW中的宽带移相器不多见，这已经严重限制了SIW在微波毫米波电路与系统中的应用。故对宽带基片集成波导移相器的需求非常迫切。

在现有的研究报道中，宽带型基片集成波导移相器主要有三种方式实现。研究者YuJianCheng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,“Broadbandself-compensatingphaseshiftercombiningdelaylineandequal-lengthunequal-widthphaser,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2010,58(1):203-210。

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.Djerafi,K.Wu,S.O.Tatu,“Substrate-integratedwaveguidephaseshifterwithrod-loadedartificialdielectricslab,”ElectronicsLetters,2015,51(9):707-709。

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,“BroadbandCompactSIWPhaseShifterUsingOmegaParticles,”IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2014,24(11):1-3。

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％(24～40GHz，45°±3.5°)，第二种方法实现的移相器带宽为46.1％(20～32GHz，45°±2.5°)，第三种方法实现的移相器带宽约为60.2％(仿真结果为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％(仿真结果为4.2～7.385GHz，90°±3°。未明确给出实测结果)。

第一种移相器基于延迟线和不等宽SIW结构实现相位的自补偿，虽然具有良好的幅度相位特性，但其参照的相位基准是变化的，即理论上没有固定的零相位参考值，在实际应用中会由于多个零相位参考值导致系统变得复杂和冗余；第二种移相器的带宽在其定义的移相精度范围内还有待提高；第三种移相器的插入损耗比较大(约-5dB)，且测试带宽较窄，实用性有待商榷。这三种方法都有自身的局限性。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了既能实现较宽的频率带宽，又具有较低插入损耗和固定零相位参考值，本发明提出了一种加载矩形空气槽的宽带基片集成波导SIW移相器。

该SIW移相器，包括支路一和支路二两个典型的SIW电路结构，其结构特征是：

支路一对应于参考的零相位；支路二电路结构中的SIW本体上还设有N个矩形空气槽，对应于所需的移相度数，0<N<30。

各支路中的SIW本体和微带线均通过一个渐变的过渡结构连接，该渐变过渡结构与基片集成波导本体衔接边的上下各引入一个匹配通孔，并金属化，共计4个，且4个匹配通孔的几何中心与SIW主体的几何中心重合。

所述矩形空气槽设置于垂直电磁波传播方向，且各矩形空气槽平行等距排列；Ls2为支路二SIW本体结构的总长度，Wc为矩形空气槽的宽度，Ld为相邻矩形空气槽的间距，Lc为矩形空气槽的长度，Ws2为支路二两行平行通孔的行间距，矩形空气槽上下贯通、侧壁不金属化且不与平行通孔相交；Wc<2mm，Lc<Ws2，N*(Ld+Wc)-Ld<Ls2。

所述支路二还包括一个与其SIW本体大小相适应的单面金属化介质PCB盖板，该盖板的金属化面与SIW本体紧贴，并完全覆盖所有矩形空气槽以防止电磁波的泄漏。

所述支路二的微带线长度Lm2大于支路一的微带线长度Lm1，支路二的SIW本体宽度Ws2大于支路一的SIW本体宽度Ws1，以形成两支路的相位差。

对于支路一和支路二的长度分别为Lm1和Lm2的微带线来说，其相位差为：

其中ε_e代表等效介电常数，其是介质板介电常数ε_r，微带线线宽和介质板板厚的函数。

对于支路一和支路二中，宽度分别为Ws1和Ws2的基片集成波导结构来说，其相位差为：

其中ε_eq代表包含空气槽的SIW结构等效介电常数，其是介质板介电常数ε_r和空气槽物理尺寸的函数。

那么移相器总的移相度数为：

对于给定的移相度数，可以预先选定SIW的宽度Ws1和Ws2，SIW的长度Ls1和Ls2，空气槽的物理尺寸Lc，Ld和Wc，通过式(1)-(3)确定微带线长度Lm1和Lm2。

本发明的移相器利用相同长度不同宽度的基片集成波导、不同长度的微带线和加载的矩形空气槽实现移相器的相移，前两种措施产生的相移量与频率变化趋势相反，而加载的矩形空气槽能够进一步补偿相移量，故将这三者结合起来进行相位补偿。通过调节移相器中基片集成波导的宽度、微带线的长度、矩形空气槽的尺寸和匹配用金属化通孔的位置，实现不同的固定相位差和更宽的工作带宽。

本发明的有益结果是：

1、具有很宽的工作带宽：45°和90°移相器实测带宽分别达到59.6％(10.2～18.85GHz，45°±2.5°)和62.3％(9.5～18.1GHz，90°±5°)；

2、插入损耗优于1.6dB；

3、方便与其他平面型无源和有源电路集成；

4、实现在印制板上，成本较低，加工方便可靠。

附图说明

图1是本发明实施例移相器支路一的正视图；

图2是本发明实施例移相器支路二的正视图；

图3是本发明实施例移相器支路二的盖板；

图4是本发明实施例的传输参数；

图5是本发明实施例的回波损耗；

图6是本发明实施例的相位差；

附图标记：微带线-1、渐变过渡结构-2、SIW本体-3、匹配通孔-4、金属化通孔-5、矩形空气槽-6。

具体实施方式

本发明加载矩形空气槽的宽带基片集成波导移相器实现在RT/Duroid5880的介质基片，该基片相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。为实现基片集成波导结构，加工两排金属化通孔；在渐变过渡结构和SIW本体的接触边上下均加工一个匹配用金属化通孔，共计四个，且四个匹配通孔的几何中心与基片集成波导主体的几何中心重合。对于45度和90度移相器来说，在支路二的SIW本体上均各自加工了13条矩阵空气槽，配合单面金属化的介质PCB盖板(盖板的金属面需与移相器表面紧密接触)，将电磁场约束在基片集成波导中。移相器支路一和支路二的最大区别在于后者在SIW本体上加载矩形空气槽，而前者是一个整体结构。

本实施例中物理变量的定义如下：

对于支路一：Wm1为微带线宽度，Lm1为微带线的长度，Lt1为微带到SIW本体的渐变过渡结构长度，Wt1为过渡结构的最大宽度，Ws1为SIW结构中两行金属化通孔的垂直距离，Ls1为SIW本体结构的总长度，Svp1为金属化通孔的孔间距，Dvp1为金属化通孔的直径，Lx1为SIW本体边缘距匹配用金属化通孔的横向距离，Ly1为形成SIW本体的金属化通孔距匹配用金属化通孔的纵向距离；

对于支路二：Wm2为微带线宽度，Lm2为微带线的长度，Lt2为微带到SIW本体的渐变过渡结构长度，Wt2为过渡结构的最大宽度，Ws2为SIW结构中两行金属化通孔的垂直距离，Ls2为SIW本体结构的总长度，Svp2为金属化通孔的孔间距，Dvp2为金属化通孔的直径，Lx2为SIW本体边缘距匹配用金属化通孔的横向距离，Ly2为形成SIW本体的金属化通孔距匹配用金属化通孔的纵向距离。支路二有矩形空气槽和金属化移相器盖板，Lc为矩形空气槽的长度，Wc为矩形空气槽的宽度，Ld为相邻矩形空气槽的间距，L1为移相器盖板的长度，L2为移相器盖板的宽度。

经过电磁仿真软件AnsoftHFSS进行仿真优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如下表所示：

测试结果显示：在工作频段范围内，45度和90度移相支路对应的回波损耗分别优于15.8dB和14.5dB，插入损耗均优于1.6dB，相位差分别为45°±2.5°和90°±5°，相对带宽分别达到59.6％和62.3％。

Claims (2)

1.一种加载矩形空气槽的宽带基片集成波导SIW移相器，包括支路一和支路二两个典型的SIW电路结构，其结构特征是：

支路一对应于参考的零相位；支路二电路结构中的SIW本体上还设有N个矩形空气槽，对应于所需的移相度数，0<N<30；

各支路中的SIW本体和微带线均通过一个渐变的过渡结构连接，该渐变过渡结构与基片集成波导本体衔接边的上下各引入一个匹配通孔，并金属化，共计4个，且4个匹配通孔的几何中心与SIW主体的几何中心重合；

所述矩形空气槽设置于垂直电磁波传播方向，且各矩形空气槽平行等距排列；Ls2为支路二SIW本体结构的总长度，Wc为矩形空气槽的宽度，Ld为相邻矩形空气槽的间距，Lc为矩形空气槽的长度，Ws2为支路二两行平行通孔的行间距，矩形空气槽上下贯通、侧壁不金属化且不与平行通孔相交；Wc<2mm，Lc<Ws2，N*(Ld+Wc)-Ld<Ls2；

所述支路二还包括一个与其SIW本体大小相适应的单面金属化介质PCB盖板，该盖板的金属化面与SIW本体紧贴，并完全覆盖所有矩形空气槽以防止电磁波的泄漏；

所述支路二的微带线长度Lm2大于支路一的微带线长度Lm1，支路二的SIW本体宽度Ws2大于支路一的SIW本体宽度Ws1，以形成两支路的相位差。

2.如权利要求1所述加载矩形空气槽的宽带基片集成波导SIW移相器，其特征在于：

对于支路一和支路二的长度分别为Lm1和Lm2的微带线来说，其相位差为：

其中ε_e代表等效介电常数，其是介质板介电常数ε_r，微带线线宽和介质板板厚的函数；

对于支路一和支路二中，宽度分别为Ws1和Ws2的基片集成波导结构来说，其相位差为：

其中ε_eq代表包含空气槽的SIW结构等效介电常数，其是介质板介电常数ε_r和空气槽物理尺寸的函数；

移相器总的移相度数为：

对于给定的移相度数，可以预先选定SIW的宽度Ws1和Ws2，SIW的长度Ls1和Ls2，空气槽的物理尺寸Lc，Ld和Wc，通过式(1)～式(3)确定微带线长度Lm1和Lm2。