CN102290620A

CN102290620A - 基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器

Info

Publication number: CN102290620A
Application number: CN2011101482741A
Authority: CN
Inventors: 刘军民; 蔚亮
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明公开了一种基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器。本发明的电控可调相移器采用改进的蘑菇结构、混合左右手传输线和BST薄膜实现相移器，可以使相移量在工作频率范围内，在落后、零相、超前之间灵活、快速、连续变化。由于混合左右手传输线的引入，该相移器还具有体积小、损耗低、相移量调整方便的优点。将该相移器应用于相控阵天线中能够更好的满足天线阵对相位的特殊需求。

Description

基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器

技术领域

本发明涉及应用于相控阵天线和微带电路的电控相移器的设计方法，属于微波技术应用领域，特别涉及一种基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器。

背景技术

天线采用机械结构实现扫描时，扫描速度是有限的。电扫描技术是提高扫描精度与速度的有效方法。相位扫描技术是实现电扫描的方法之一，而相移器是完成相位扫描的重要部件。相移器按使用材料分类，大致可分为：介质片移相器、半导体二极管移相器、有源场效应管移相器、铁氧体移相器和MEMS移相器等。

左手材料最早是由V. G. Veselago于1968年在期刊Soviet Physics Uspekhi上发表的“The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ”一文中提出的。它是一种磁导率和介电常数均为负值的材料，具有许多特殊的电磁特性。到目前为止，还没有发现自然界中存在具有左手性质的材料，所有已知左手材料都是人们运用各种方法实现的人工材料。2003年Christophe Caloz 和 Tatsuo Itoh 等人在IEEE Microwave Symposium Digest上发表了“Novel microwave devices and structures based on the transmission line approach of meta-materials”，提出用混合左右手传输线（CRLH TL）结构实现左手材料，并获得了成功。随着左手材料不断被不同的结构实现，再一次引起了世界范围众多学者对左手材料的关注，并由最初的理论研究进入到实际应用阶段。

最近十多年来，铁电材料薄膜研制得到了迅速发展，并形成了专门的学科——集成铁电学，其主要研究方向包括：选择合适的铁电材料，制备性能优良的铁电薄膜，结合半导体集成技术制作微波可调器件（移相器、滤波器、延迟线、频率变换器件等）。以钛酸锶钡（BST）为代表的铁电材料具有较高的介电常数调谐量和相对低的介质损耗等优异特性，得到了广泛的应用。BST是钛酸锶钡的英文缩写，它的化学结构为Ba_xSr_1-xTiO₃。BST具有低损耗角正切、高介电常数变化率、极化速度快、击穿电场大等优点，特别是BST材料的介电常数可通过加在其上的直流电压来改变，从而调节微波电路的相移常数，因此在移相器应用上表现出广阔的应用前景。

2002年Christophe Caloz 和 Tatsuo Itoh在IEEE Conferences上发表了“Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials to the realization of a microstrip “LH line””，通过计算推导证明使用传输线实现左手材料时，只要同时实现串联电容和并联电感，就能获得左手材料所具有的性质。Dan Sievenpiper等人1999年在期刊Microwave Theory and Techniques上发表的“High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band”一文中介绍了一种蘑菇结构传输线，它是实现左手材料的有效方法。

发明内容

本发明的目的是：现有相移器绝大多数体积较大，且表现为较信号源落后的相移量，很难给出零相差甚至超前的相移量。本发明将铁电材料与左手材料结构相结合，通过控制电压改变相移器的介电常数，从而实现一种具有较小体积，并能通过电控获得落后——零相——超前相移量连续变化特性的可调微波相移器。

本发明的技术方案是：在混合左右手传输线单元上添加BST薄膜，通过控制加在BST薄膜上的直流偏压改变相移器的整体相移量。

具体的：提供一种基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器，所述电控可调相移器的蘑菇结构包括：导体铜箔层和导体铜箔接地层分别作为相移器的信号传输线和地线；靠近端口处有两个缝隙，形成缝隙电容，对于由一个端口向另一个端口传播的电磁波，这两个缝隙电容相当于串联电容；在靠近端口处有一个短路销钉，所述短路销钉连接导体铜箔层和导体铜箔接地层构成接地电感，在电磁波传播方向上相当于并联电感；串联电容和并联电感使该相移器具有左手材料特性；导体铜箔层的分布电感和导体铜箔层与介质层的分布电容形成了串联电感和并联电容，使该电控可调相移器同时具有右手材料特性，所述蘑菇结构构成混合左右手传输线。

导体铜箔层和介质层之间沉积一层BST薄膜，通过调整加在BST薄膜上的直流电压大小，改变BST薄膜的介电常数，使两个缝隙处产生的串联电容大小变化，整体结构的等效相移常数随之改变，实现对通过传输线的电磁波相位的控制。

其中，所述导体铜箔层和导体铜箔接地层的厚度为0.035mm；所述介质层采用Rogers Duroids 5880，介电常数为2.2，厚度为1.27mm；介质层与导体铜箔层之间沉积BST薄膜，厚度为0.05mm；导体铜箔层导体铜制作成5*5mm的矩形微带传输线，在距端口0.8mm和1.6mm处分别开宽为0.2mm的隙缝形成串联电容；在距端口4mm处设置半径为0.05mm的短路销钉，将导体铜箔层和导体铜箔接地层连接。

有益效果：传统相移器表现为只能给出较信号源落后的相移量，不可能得到超前的相移量，而且大多相移量是离散阶跃式变化的。本发明中，采用改进的蘑菇结构、混合左右手传输线和BST薄膜实现相移器，可以使相移量在工作频率范围内，在落后、零相、超前之间灵活、快速、连续变化。由于混合左右手传输线的引入，该相移器还具有体积小、损耗低、相移量调整方便的优点。将该相移器应用于相控阵天线中能够更好的满足天线阵对相位的特殊需求。

附图说明

图1为本发明基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器的立体图。

图2为本发明基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器的侧视图。

图3为本发明基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器的俯视图。

图4为当BST薄膜的介电常数调整为50时，相移度数相对频率变化仿真图。

图5为图4的区域Ⅰ的局部放大图。

图6为当BST薄膜的介电常数调整为100时，相移度数相对频率变化仿真图。

图7为图6的区域Ⅱ的局部放大图。

图8为当BST薄膜的介电常数调整为200时，相移度数相对频率变化仿真图。

图9为图8的区域Ⅲ的局部放大图。

附图标识：1-导体铜箔层，2-BST薄膜，3-介质层，4-导体铜箔接地层，5-输入端口，6-输出端口，7-短路销钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器是设计在介质基片上的。参见图1至图3，相移器有四层结构，导体铜箔层(第一层)1和导体铜箔接地层(第四层)4为导体铜箔层，厚度为0.035mm，其中第四层为接地线，第一层为微波信号传输线；中间介质层3采用Rogers Duroids 5880，介电常数为2.2，厚度约为1.27mm；介质层与第一层之间沉积BST薄膜2，厚度为0.05mm；第一层导体铜制作成5*5mm的矩形微带传输线，在距端口5 0.8mm和1.6mm处分别开宽为0.2mm的隙缝形成串联电容；在距端口5 4mm处设置半径为0.05mm的短路销钉7，将第一层与第四层连接。

本发明的相移器工作在3.68GHz频段，通过改变加在BST薄膜上的直流电压获得不同BST薄膜介电常数，控制通过相移器的输出信号相位。图4、图5、图6、图7、图8和图9分别表示BST薄膜介电常数为不同值时，该相移器在不同频率产生的相移量。纵轴代表频率，横轴代表相位落后的度数。曲线a为右手特性区域，曲线b为左手特性区域。六幅图均为对相移度数取绝对值的结果，因此图中曲线b是绕纵轴翻转后的结果，其在横轴上对应的数值为负值，即相位落后的度数为负，表示相移器在该频段区域产生超前的相移量。参见图4和图5，当BST薄膜的介电常数调整为50时，工作频率3.68GHz位于左手特性区，产生超前的相移量；参见图6和图7，当BST薄膜的介电常数调整为100时，工作频率3.68GHz位于左手特性区与右手特性区的交汇处，产生零相移，即输入输出端口信号同相；参见图8和图9，当BST薄膜的介电常数调整为200时，工作频率3.68GHz位于右手特性区，产生落后的相移量。因此，当BST薄膜加以不同直流偏压时，本发明相移器输出信号相位能够在落后——零相——超前之间灵活变化。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器，其特征在于，所述电控可调相移器采用改进的蘑菇结构、混合左右手传输线和BST薄膜实现相移器；

所述蘑菇结构包括：导体铜箔层（1）和导体铜箔接地层（4）分别作为相移器的信号传输线和地线；靠近端口（5）处有两个缝隙，形成缝隙电容，对于由端口（5）向端口（6）传播的电磁波，这两个缝隙电容相当于串联电容；在靠近端口（6）处有一个短路销钉（7），所述短路销钉（7）连接导体铜箔层（1）和导体铜箔接地层（4）构成接地电感，在电磁波传播方向上相当于并联电感；串联电容和并联电感使该相移器具有左手材料特性；导体铜箔层（1）的分布电感和导体铜箔层（1）与介质层（3）的分布电容形成了串联电感和并联电容，使该电控可调相移器同时具有右手材料特性，所述蘑菇结构构成混合左右手传输线；

导体铜箔层（1）和介质层（3）之间沉积一层BST薄膜（2），通过调整加在BST薄膜（2）上的直流电压大小，改变BST薄膜（2）的介电常数，使两个缝隙处产生的串联电容大小变化，整体结构的等效相移常数随之改变，实现对通过传输线的电磁波相位的控制。

2.根据权利要求1所述的基于混合左右手传输线及铁电材料的电控可调相移器，其特征在于，所述导体铜箔层（1）和导体铜箔接地层（4）的厚度为0.035mm；所述介质层（3）采用Rogers Duroids 5880，介电常数为2.2，厚度为1.27mm；介质层（3）与导体铜箔层（1）之间沉积BST薄膜（2），厚度为0.05mm；导体铜箔层（1）导体铜制作成5*5mm的矩形微带传输线，在距端口（5）0.8mm和1.6mm处分别开宽为0.2mm的隙缝形成串联电容；在距端口（5）4mm处设置半径为0.05mm的短路销钉（7），将导体铜箔层（1）和导体铜箔接地层（4）连接。