基于平面型左手微带传输线的微波移相器

摘要

本发明涉及基于平面型左手微带传输线结构的微波移相器。解决了现有微波移相器存在体积大、损耗大，功率容量小等的问题。本发明的微波移相器通过在左手微带传输线单元上加载PIN开关构成的。具体方案是：选择在一对边带上或一对位于对称位置上的交指上安装一对PIN开关；信号输入和输出端口分别位于一对边带的对称位置上。这样使得通过单根交指或边带上PIN开关的电流仅是通过整个移相器电流的很小一部分，由此移相器的功率容量得到了很大提高；除高功率容量的特性之外，该移相器还具有其它多种优势，例如损耗小、体积小、切换速度快、方便制造，易与MMIC电路集成等；在雷达、相控天线阵列中应用具有很大优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波移相器，确切地说是基于平面型左手微带传输线的微波移相器。

背景技术

微波移相器在多种领域有应用，如雷达系统，卫星通信系统和相控阵天线阵列等。移相器的种类有很多，按照使用材料来分总的来讲有五大类：铁氧体移相器、铁电介质移相器、半导体二极管移相器、砷化镓MMIC移相器和MEMS移相器。

1991年Artech house出版了《Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters》，书中第一卷Dielectric and Ferrite Phase Shifters详细介绍了铁氧体移相器的主要种类、设计、制作以及应用。铁氧体移相器主要利用外加磁场改变波导内铁氧体的磁导率，从而改变电磁波的相速得到不同的相移量。其优点是：宽带、功率容量大；缺点是：体积大，损耗大，切换速度慢。

2000年Kozyre等人在IEEE微波理论与技术国际会议上发表了“应用铁电介质材料设计移相器”的论文(“Application of Ferroelectrics in Phase Shifters Design”，A.Kozyrev，V.Osadchy，A.Pavlov，L.Sengupta，2000 IEEE MTT-S Digest.P1355-1358)。铁电介质移相器主要利用改变加在铁电介质上的直流偏压的大小，改变介质的介电常数，从而使微波信号的相速发生改变，实现移相。其优点是：结构简单、体积小、重量轻、损耗小、响应速度快；缺点是：功率容量小。

1976年清华大学微带电路编写组撰写了《微带电路》一书，书中第八章一微带固体控制电路详细地介绍了开关线式移相器、加载线式移相器、反射式移相器等几种基于半导体PIN二极管的移相器的基本原理和设计方法。不管采用那种结构，基于PIN二极管的移相器的原理都是利用PIN二极管在正偏和反偏时的两种不同开关状态，使一段传输线接通或断开来实现移相。其优点是：体积小，易于采用数字信号控制，响应速度快；缺点是：功耗大、功率容量比较小。

2001年5月Ellinger等人在IEEE Transaction on MTT上发表了“采用集总元件耦合器的C波段紧凑型反射式MMIC移相器”的论文(“Compact Reflective-TypePhase-Shifter MMIC for C-Band Using a Lumped-Element Coupler”Frank Ellinger，Rolf Vogt，Werner Bechtold，IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，VOL.49，NO.5，MAY 2001)。基于砷化镓MMIC技术的移相器主要采用反射式结构，其原理是通过选择不同的反射终端获得不同相位的反射系数，从而实现相移。其优点是：体积小、响应速度快；缺点是：插入损耗大、功率容量小。

2002年6月Rebeiz等人在IEEE Microwave上发表了“射频MEMS移相器：设计和应用”的论文(“RF MEMS phase shifters：design and applications”Rebeiz G.M，Guan-LengTan，Hayden J.S，Microwave Magazine，IEEE Volume 3，Issue 2，June 2002 Page(s)：72-81)。MEMS移相器利用MEMS射频开关来改变并联在传输线中心导带和地之间的负载电容的大小，从而改变整个结构的等效线电容，进而改变微波信号通过的相速，实现移相。其优点是：损耗小，功率容量大；缺点是：切换速度较慢、可靠性低、使用寿命短。

上述文献表明，铁氧体移相器、MEMS移相器虽然功率容量较大，但是切换速度慢；铁电材料移相器、半导体二极管移相器、砷化镓MMIC移相器虽然体积小、切换速度较快，但是普遍功率容量较小。

关于左手传输线理论：

2006年，约翰·维理父子出版社(John wiley&son Press)出版了由美国加州大学洛杉机分校(University of California at Los Angeles)的大竹伊藤(TATSUO Itoh)和加拿大蒙特利尔工学院(Ecole Polytechnique de Montreal)的克里斯多夫·卡罗兹(CHRISTOPHE Caloz)撰写的关于《电磁超材料异向介质》(ElectromagneticMetamaterials)的书。作为右手传输线的对偶，左手传输线理论及应用被第一次有了系统的理论介绍。

发明内容

本发明的目的是：克服现有微波移相器存在的诸如：体积大、损耗大，功率容量小等的缺点，提供一种结构紧凑的基于平面型左手微带传输线结构构造的小型化、高功率容量的微波移相器。

具体的结构设计方案如下：

本发明的左手微带传输线移相器是通过在左手微带传输线单元上加载PIN开关构成的。

左手微带传输线单元是在PCB板上设计的，PCB板的第一层、第三层为导体铜，厚度为(0.004mm)；中间层为介电常数(1.07-13.6)的介质板，厚度为0.254mm；在第一层上制作平面金属微带交指结构构成交指电容；交指电容的交指间隙为0.1～0.3mm，交指宽度为0.1～0.8mm；在交指电容的两端有一对与交指垂直的边带，边带宽度为0.1-0.5mm；由第三层的金属构成左手微带传输线的地；选择第一层上的至少一个边带或任意一根交指，采用过孔技术通过短路钉将该交指或边带和PCB板的第三层金属地相连构成电感，过孔的直径为(0.1-0.8)；

选择一对位于对称位置上的交指，在交指的中心对称位置处将其截断，并在截断处安装一对正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关；信号输入和输出端口分别位于一对边带的对称位置上。通过控制上述正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关，实现对流经左手单元电磁波相位的控制，利用上述结构，本发明实现了基于左手微带传输线的微波移相器。

也可以选择一对位于对称位置上的最外侧交指，在这一对交指的中心对称位置处将其截断，并在截断处安装一对正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关；

还也可以选择一对边带的中心对称位置处将其截断，并在在截断处安装一对正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关。

本发明中，移相器的正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关被安装在左手传输线的交指或边带上，这样使得通过单根交指或边带上正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关的电流仅是通过整个移相器电流的很小一部分，由此移相器的功率容量得到了很大提高；除高功率容量的特性之外，该移相器还具有其它一些优异的电磁特性，如体积小、损耗低等。特别是，采用在左手微带传输线交指上安装开关的方法来设计移相器，可以设计出切换速度快、功率容量大的移相器；同时，利用左手传输线设计移相器不需要任何有源器件、不需要能量转换、可直接制作在普通的PCB板上、可以和微波电路直接制作在一起；易与MMIC电路集成等；在雷达、相控天线阵列中应用具有很大优势。

附图说明

图1为本发明的实施例1左手微带传输线移相器的三维示意图。

图2为图1的俯视示意图。

图3为图1的左视示意图。

图4为本发明的实施例1左手微带传输线移相器的相移度数示意图。

图5为本发明的实施例1左手微带传输线移相器开关闭合时的电压驻波比示意图。

图6为本发明的实施例1左手微带传输线移相器开关打开时的电压驻波比示意图。

图7为本发明的实施例2左手微带传输线移相器的三维示意图。

图8为图7的俯视示意图。

图9为图7的左视示意图。

图10为本发明的实施例2左手微带传输线移相器的相移度数示意图。

图11为本发明的实施例2左手微带传输线移相器开关闭合时的电压驻波比示意图。

图12为本发明的实施例2左手微带传输线移相器开关打开时的电压驻波比示意图。

图13为本发明的实施例3左手微带传输线移相器的三维示意图。

图14为图13的俯视示意图。

图15为图13的左视示意图。

图16为本发明的实施例3左手微带传输线移相器的相移度数示意图。

图17为本发明的实施例3左手微带传输线移相器开关闭合时的电压驻波比示意图。

图18为本发明的实施例3左手微带传输线移相器开关打开时的电压驻波比示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

参见图1、图2和图3，左手微带传输线移相器是在PCB板上设计的，采用层面积为8mm×6mm的Rogers RT/TMM 10i氧化铝介质基板；PCB的第一层、第三层为导体铜，厚度为(0.004mm)，由第三层的金属构成左手传输线的地1，中间层为介电常数9.8的介质层2，厚度为0.254mm；。在第一层导体铜8mm×6mm面积正中央2.28mm×1.9mm面积内制作交指电容3，交指对数5，即每幅交指有5个，2幅交指交叉平行放置，交指的宽度0.1mm，交指间距0.1mm，交指长度1.14mm，在两端最外侧交指上各1个，共2个交指上安装一对SKYWPRKS公司的APD0810-000 PIN开关4(常温25℃下功率容量为2.5W)，开关位置距离交指根部0.41mm处，开关尺寸为0.35mm×0.35mm×0.127mm，每幅交指一端连有边带5，边带宽0.3mm，边带长1.9mm，输入、输出端口6馈线分别位于2幅交指的2个边带的中央，馈线宽度0.25mm。在上层交指结构的边带上通过2个短路钉7(实心圆柱形金属铜，半径0.15mm，高度0.254mm)与最下层地线相连。2个短路钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形，圆心位置距离边带最上下沿0.2mm，圆形于边带边缘相切。

该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率9.5GHz，工作带宽2GHz，一对开关状态同时改变时移相11.25°(±0.75°)，见图4、图5和图6。

由于本结构有5对共10根交指，因此通过单根交指上PIN开关的电流仅是通过整个移相器电流的1/10左右，经功率容量测试，发现该左手微带传输线移相器的功率容量可达28.2W，是单个PIN开关功率容量的11.28倍。

实施例2：

参见图7、图8和图9，左手微带传输线移相器是在PCB板上设计的，采用层面积为8mm×6mm的Rogers RT/duroid 5880介质基板；PCB板的第一、三层为导体铜，厚度为(0.004mm)，由第三层的金属构成左手传输线的地1，中间层为介电常数2.2的介质层2，厚度为0.254mm；。在第一层导体铜正中央3.915mm×2.3mm面积内制作交指电容3，交指对数4，即每幅交指有4个，2幅交指交叉平行放置，内侧4根交指宽度0.1mm，交指长度3.415mm，交指间距0.1mm；次外侧2根交指宽度0.1mm，交指长度3.415mm，与内侧交指的间距为0.2mm；在次外侧2根交指上安装一对AVAGO公司的5082-0012 PIN开关4(常温25℃下功率容量为1.5W)，开关位置距离交指根部2.8mm处，开关尺寸为0.38mm×0.38mm×0.23mm，最外侧2根交指宽度0.3mm，交指长度0.5mm，与次内侧交指的间距为0.2mm；每幅交指一端连有边带5，边带宽0.1mm，边带长2.1mm，输入、输出端口6馈线分别位于2幅交指的2个边带的中央，馈线宽度0.776mm。在上层交指结构最外侧交指的末端，通过2个短路钉7(实心圆柱形金属铜，半径0.15mm，高度0.254mm)与最下层地线相连。2个短路钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形，圆形与最外侧两个交指不与边带相连一端相切，并位于交指内。

该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率9.5GHz，工作带宽2GHz，一对开关状态同时改变时移相22.5°(±1.5°)，见图10、图11和图12。

由于本结构有4对共8根交指，因此通过单根交指上PIN开关的电流仅是通过整个移相器电流的1/8左右，经功率容量测试，发现该左手微带传输线移相器的功率容量可达12.8W，是单个PIN开关功率容量的8.53倍。

实施例3：

参见图13、图14和图15，左手微带传输线移相器是在PCB板上设计的，采用层面积为8mm×6mm的Rogers RT/duroid 5880介质基板；PCB板的第一、三层为导体铜，厚度为(0.004mm)，由第三层的金属构成左手传输线的地1，中间层为介电常数2.2的介质层2，厚度为0.254mm；在第一层导体铜正中央3.915mm×6.7mm面积内制作交指电容3，交指对数4，即每幅交指有4个，2幅交指交叉平行放置，内侧4根交指宽度0.1mm，交指长度3.415mm，交指间距0.1mm；次外侧2根交指宽度0.1mm，交指长度3.415mm，与内侧交指的间距为0.2mm；在次外侧2根交指上安装一对SKYWPRKS公司的APD0810-000 PIN开关4(常温25℃下功率容量为2.5W)，开关位置距离交指根部2.8mm处，开关尺寸为0.35mm×0.35mm×0.127mm，最外侧2根交指宽度0.3mm，交指长度0.5mm，与次内侧交指的间距为0.2mm；每幅交指一端连有边带5，边带宽0.1mm，边带长4.5mm，在距离边带与交指相交的一端3.5mm处也安装一对SKYWPRKS公司的APD0810-000 PIN开关4；输入、输出端口6馈线分别位于在距离边带与交指相交的一端0.762mm处，馈线宽度0.776mm。在上层交指结构最外侧交指的末端，通过2个短路钉7(实心圆柱形金属铜，半径0.15mm，高度0.254mm)与最下层地线相连。2个短路钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形，圆形与最外侧两个交指不与边带相连一端相切，并位于交指内。

该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率8.75GHz，工作带宽1GHz，两对开关状态同时改变时移相45°(±0.5°)，见图16、图17和图18。

由于本结构有4对共8根交指，因此通过单根交指上PIN开关的电流仅是通过整个移相器电流的1/8左右，另外通过边带上PIN开关的电流也较小，经功率容量测试，发现该左手微带传输线移相器的功率容量可达14.3W，是单个PIN开关功率容量的5.72倍。