CN101465455A - 基片集成波导补偿型宽带移相器 - Google Patents

Abstract

基片集成波导补偿型宽带移相器可广泛应用于诸如波束成形网络、差分电路、返回式天线阵等对相位有特殊要求的基片集成波导器件和系统中，实现一体化设计，该移相器为一平面电路结构，上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的两面，两排金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成基片集成波导支路一(5)，另两排金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成基片集成波导支路二(6)；具有极宽的工作带宽、很好的幅度均衡度，结构紧凑，具有低损耗、低寄生互耦，易于与其他无源电路和有源电路集成。通过普通PCB工艺制作于介质基片上，成本低、精度高。

Description

基片集成波导补偿型宽带移相器

技术领域

移相器是微波、毫米波器件的关键技术之一。基片集成波导补偿型宽带移相器可广泛应用于诸如波束成形网络、差分电路、返回式天线阵等对相位有特殊要求的基片集成波导器件和系统中，实现一体化设计。

背景技术

移相器的研究主要集中在两方面：宽带特性和幅度均衡性。其中，实现宽带移相器尤为困难。为了与基于不同传输线结构设计出的电路一体化集成，移相器也需要由不同传输线结构来实现。对于宽带移相器来说，最为知名的就是在带状线、微带线或共面波导上实现的“希夫曼移相器”和在波导中利用一些E面支节线实现的宽带移相器。

目前，微波和毫米波电路的主要的发展方向为平面化和集成化。因此，平面传输线，如微带线、共面波导等，已经成为集成电路设计的首选。但是其较高的损耗和辐射寄生互耦使得其在毫米波阶段的使用显得尤为困难。相反，经典的金属波导，由于其优异的性能直到今天仍被广泛应用。可是，这一立体的结构很难与平面电路实现集成化，封装也存在较大的困难。目前，一种综合以上两种传输线结构优点的新型导波结构——基片集成波导已经被提出并得到了广泛的研究。但是，相对于利用基片集成波导已经实现的各种性能优异的器件而言，基于这一新型结构设计的移相器显得尤为落后，已经成为限制基片集成波导器件性能的瓶颈(即器件的带宽只能由移相器的带宽来决定)。与之相反，对于拥有了高性能“希夫曼移相器”的其他平面电路，其移相器所能实现的带宽已经远远超出整个电路或系统的要求，因而不会限制电路的性能。

故此，对宽带基片集成波导移相器的需要显得极为迫切。

发明内容

技术问题：本发明的目的是设计一种基片集成波导补偿型宽带移相器，使其在极宽的工作频带内具有固定的相移量和很好的幅度均衡度。

技术方案：本发明的基片集成波导互补型宽带移相器，包括上层金属敷铜面、下层金属敷铜面、介质基片、金属化通孔；其特征在于该移相器为一平面电路结构，上层金属敷铜面、下层金属敷铜面分别位于介质基片的两面，两排金属化通孔穿过介质基片与上层金属敷铜面、下层金属敷铜面相连接形成基片集成波导支路一，另两排金属化通孔穿过介质基片与上层金属敷铜面、下层金属敷铜面相连接形成基片集成波导支路二；支路一输入端口位于基片集成波导支路一信号输入的一侧，支路一输出端口位于基片集成波导支路一信号输出的一侧；支路二输入端口位于基片集成波导支路二信号输入的一侧，支路二输出端口位于基片集成波导支路二信号输出的一侧；信号由支路一输入端口、支路二输入端口进入，分别通过基片集成波导支路一，基片集成波导支路二，到达支路一输出端口、支路二输出端口，并在二者之间形成固定的所需相位差。

基片集成波导支路一具有第一宽度W1和第一长度L1，基片集成波导支路二具有第二宽度W2、第一长度L1、第三宽度W3和第二长度L2；在介电常数为ε_r的介质基片上实现中心频率为f，带宽为Δf，相位差为

的移相器电路，可预先选定基片集成波导的金属化通孔直径d，间距p，第一宽度W1、第二宽度W2和第三宽度W1，再利用下述方程组确定第一长度L1、第二长度L2。

$-L2\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}f}{300}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\π}}{W3-\frac{d^2}{0.95\×p}}\right)}^2}$

$-L2\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(f+\mathrm{\Δf})}{300}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\π}}{W3-\frac{d^2}{0.95\×p}}\right)}^2}$

由于利用不同长度和利用不同宽度的基片集成波导实现的移相器，它们所产生的相移量随频率变化的趋势正好相反，故可以将二者结合起来进行相位补偿；通过适当地设定两条支路的长度和宽度，可以在支路一与支路二之间根据要求实现不同的固定相位差，其工作带宽极宽。

有益效果：本发明具有以下优点：

1：)具有极宽的工作带宽，理论上可达70％的相对带宽(90°±5°)，实测可达50％(90.5°±2.5°)

2：)具有很好的幅度均衡度，两条支路之间的幅度差小于0.2dB。

3：)该移相器结构紧凑，具有低损耗、低寄生互耦等一系列优点。

4：)易于与其他无源电路和有源电路集成。

5：)可以通过普通PCB工艺制作于介质基片上，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1是本发明基片集成波导补偿型宽带移相器的结构示意图，

以上的图中有：上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、基片集成波导支路一5、支路一输入端口51、支路一输出端口52、基片集成波导支路二6、支路二输入端口61、支路二输出端口62。

具体实施方式

本发明的基片集成波导补偿型宽带移相器包括上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、基片集成波导支路一5、支路一输入端口51、支路一输出端口52、基片集成波导支路二6、支路二输入端口61、支路二输出端口62；该移相器为一平面电路结构，上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2分别位于介质基片3的上下表面，金属化通孔4穿过介质基片3与上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2相连接形成基片集成波导支路一5、基片集成波导支路二6，支路一输入端口51位于基片集成波导支路一5的一侧，支路一输出端口52位于基片集成波导支路一5的另一侧，支路二输入端口61位于基片集成波导支路二6的一侧，支路二输出端口62位于基片集成波导支路二6的另一侧。

该移相器共有2个输入端口，即支路一输入端口51和支路二输入端口61，信号从此二输入端口进入，分别经过具有不同宽度和长度的基片集成波导支路一5、基片集成波导支路二6，抵达2个输出端口，在支路二输出端口52和支路二输出端口62之间形成固定的所需相位差，基片集成波导支路一5具有第一宽度W1、第一长度L1，基片集成波导支路二6具有第二宽度W2、第一长度L1、第三宽度W3、第二长度L2。

在介电常数为ε_r的介质基片上实现中心频率为f，带宽为Δf，所需相移量为

的移相器电路，预先选定基片集成波导的金属化通孔直径d，间距p，第一宽度W1、第二宽度W2、第三宽度W3，可由下述公式组确定变量L1、L2。

$-L2\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}f}{300}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\π}}{W3-\frac{d^2}{0.95\×p}}\right)}^2}$

$-L2\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(f+\mathrm{\Δf})}{300}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\π}}{W3-\frac{d^2}{0.95\×p}}\right)}^2}$

设计实例：

基片集成波导补偿型宽带移相器在中心频率30GHz处实现具有Δf＝7GHz的90°相移量，并测试其性能。基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度0.508mm。选定基片集成波导的金属化通孔的直径d为0.4mm，间距p为0.8mm，W1＝5.32mm、W2＝6mm、W3＝6mm，可令中心频率30GHz处的相移量略小于90°，以获得更宽的工作频带，此处令其为87°，计算得L1、L2的初始值分别为14.8mm和0.88mm，经过Ansoft HFSS V11电磁仿真软件的仿真优化和考虑加工的方便，最终确定L1＝12mm、L2＝1mm。

测试结果显示，在25.11GHz到39.75GHz的范围内，两个输入端口的回波损耗均优于12dB。两个输出端口的输出幅度不均衡度小于0.2dB，两个输出端口之间的相位差为90.5°±2.5°。其工作频带覆盖几乎整个Ka频段，相对带宽可达50％。

Claims (2)

1.一种基片集成波导补偿型宽带移相器，包括上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)、介质基片(3)、金属化通孔(4)；其特征在于该移相器为一平面电路结构，上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的两面，两排金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成基片集成波导支路一(5)，另两排金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成基片集成波导支路二(6)；支路一输入端口(51)位于基片集成波导支路一(5)信号输入的一侧，支路一输出端口(52)位于基片集成波导支路一(5)信号输出的一侧；支路二输入端口(61)位于基片集成波导支路二(6)信号输入的一侧，支路二输出端口(62)位于基片集成波导支路二(6)信号输出的一侧；信号由支路一输入端口(51)、支路二输入端口(61)进入，分别通过基片集成波导支路一(5)，基片集成波导支路二(6)，到达支路一输出端口(52)、支路二输出端口(62)，并在二者之间形成固定的所需相位差。

2.根据权利要求1所述的基片集成波导补偿型宽带移相器，其特征在于基片集成波导支路一(5)具有第一宽度W1和第一长度L1，基片集成波导支路二(6)具有第二宽度W2、第一长度L1、第三宽度W3和第二长度L2；在介电常数为εr的介质基片上实现中心频率为f，带宽为Δf，相位差为

的移相器电路，可预先选定基片集成波导的金属化通孔直径d，间距p，第一宽度W1、第二宽度W2和第三宽度W1，再利用下述方程组确定第一长度L1、第二长度L2。

$-L2\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}f}{300}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\π}}{W3-\frac{d^2}{0.95\×p}}\right)}^2}$

$-L2\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(f+\mathrm{\Δf})}{300}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\π}}{W3-\frac{d^2}{0.95\×p}}\right)}^2}.$

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