CN102763269B

CN102763269B - 使用衬底集成波导的移相器

Info

Publication number: CN102763269B
Application number: CN201080053821.1A
Authority: CN
Inventors: 李海英; 姜基范; 卞辰瑫
Original assignee: Ajou University Industry Academic Cooperation Foundation
Current assignee: Ajou University Industry Academic Cooperation Foundation
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: KR101082182B1; CN102763269A; KR20110058936A; US20120274419A1; US9136579B2; WO2011065681A3; WO2011065681A2

Abstract

提供了一种使用衬底集成波导（SIW）的移相器。该移相器包括：衬底和集成在衬底上的波导，其中所述波导包括输入端口、输出端口、两列通壁和多个气孔或多个杆，所述通壁被波导的宽度分离并且被设置成彼此平行，所述气孔被形成以移动所述输入端口与所述输出端口之间的信号的相位，每个所述杆包括气孔和插入所述气孔中的介电材料。

Description

使用衬底集成波导的移相器

技术领域

本发明涉及一种使用衬底集成波导(SIW)的移相器(phase shifter)，更具体地，涉及一种通过SIW中的气孔的形成和电介质的插入来实施的移相器。

背景技术

移相器是一种改变或调节电信号的相位的装置。其广泛用于微波系统应用中，诸如无线通信、雷达和测量设备。移相器可能够以各种方式实施。特别地，最近已开发了使用衬底集成波导(SIW)的移相器。

SIW包括在介电衬底上的多列通壁，所述通壁被设置成彼此平行。从而，SIW具有和传统的波导类似的功能。另外，SIW具有传统的波导和微带传输线两者的优点，像高Q因素、高功率容量、较小的尺寸和集成的可能性。这些优点使得SIW能够广泛地用于微波和毫米波电路中，例如谐振器、滤波器和天线。通过将铁氧体环状磁心插入SIW中或将金属极插入SIW的中间来实施最近使用该SIW开发的移相器。

发明内容

必须将移相器设计成满足插入损耗、带宽、功率容量、尺寸、重量、相位误差等方面的各种性能需求。然而，使用铁氧体环状磁心的移相器很难制造，并且在尺寸和重量上很大。另一方面，具有插入到SIW的中间的金属极的移相器能够通过改变金属极的位置来很容易地调节相位改变量。然而，由于相位改变量的增加时，插入损耗也增加，所以对相位改变量存在限制。

下面的描述涉及一种移相器，可以通过在衬底集成波导(SIW)的衬底中形成气孔并将介电材料插入每个气孔来容易地制造该移相器，所述介电材料的介电常数与衬底的介电常数不同，该移相器能够被设计为通过调节气孔的尺寸、气孔之间的缝隙和气孔的数量来提供所需的相位移动量。

下面的描述还涉及一种平衡-不平衡变压器(balun)，能够通过在SIW的衬底中形成气孔并将介电材料插入每个气孔中来容易地制造该平衡-不平衡变压器，所述介电材料的介电常数与衬底的介电常数不同，该平衡-不平衡变压器可以被设计为通过调节气孔的尺寸、气孔之间的缝隙和气孔的数量来在SIW中的不平衡信号与平衡信号之间进行转换。

下面的描述还涉及一种定向耦合器，能够通过在SIW的衬底中形成气孔并将介电材料插入每个气孔中来容易地制造该定向耦合器，所述介电材料的介电常数与衬底的介电常数不同。

下面的描述还涉及一种SIW，该SIW可以改变信号的相位。

在一个总的方面，提供了一种使用衬底集成波导(SIW)的移相器。该移相器包括：衬底；以及集成在衬底上的波导，其中所述波导包括输入端口、输出端口、两列通壁和多个气孔或多个杆，所述通壁被波导的宽度分离开并且被设置成彼此平行，所述气孔被形成以移动(shift)在输入端口与输出端口之间的信号的相位，每个所述杆包括气孔和插入气孔中的介电材料。

当波导包括气孔时，在输入端口与输出端口之间移动的信号相位的量可以根据气孔的直径、气孔之间的距离和气孔的数量中的至少一者来改变。当波导包括杆时，输入端口与输出端口之间移动的信号相位的量可以根据杆的直径、杆之间的距离和杆的数量中的至少一者来改变。

移动的信号的相位的量可以和气孔直径的增加成比例地增加。

移动的信号的相位的量可以和杆的直径和杆的数量中的至少一者的增加成比例地增加。

每个杆可以具有其中通过使用内外螺纹旋合(male-female screwing)方法将介电材料插入气孔中的结构。

在输入端口与输出端口之间移动的信号的相位的量可以和介电材料插入每个杆中的气孔中的深度的增加成比例地增加。

在另一个方面，提供了一种使用SIW的平衡-不平衡变压器。该平衡-不平衡变压器包括：衬底；以及集成在衬底上的波导，其中所述波导包括两列通壁、输入端口、功率除法器以及第一输出端口和第二输出端口，所述通壁被波导的宽度分离开并设置成彼此平行，所述功率除法器划分输入到功率除法器的输入端口、第一和第二分支的信号的功率，所述第一输出端口和第二输出端口分别连接到第一分支和第二分支，其中所述第一和第二分支中的任意一者具有多个杆，每个杆包括气孔和插入到气孔中的介电材料，以及所述第一和第二分支中的另一者具有多个气孔或不具有气孔。

在另一个方面中，提供了一种使用SIW的定向耦合器。该定向耦合器包括：衬底；以及集成在所述衬底上的波导，其中所述波导包括第一输入分支、第二输入分支、第一输出分支、第二输出分支、第一列通壁、第二列通壁、输入端口、以及绝缘端口、功率除法器、以及第一输出端口和第二输出端口，所述第一列通壁位于所述第一输入分支和所述第二输入分支之间，所述第二列通壁位于所述第一输出分支和所述第二输出分支之间，输入端口连接到所述第一输入分支和第二输入分支中的一者上，绝缘端口连接到第一输入分支和第二输入分支中的另一者上，所述功率除法器划分输入到第一输出分支和第二输出分支之间的输入端口的信号的功率，所述第一输出端口和第二输出端口分别连接到所述第一输出分支和第二输出分支，其中第一和第二输出分支中的任意一者具有多个杆，每个杆包括气孔和插入气孔中的介电材料，并且所述第一分支和第二分支中的另一者不具有气孔。

在另一个方面中，提供了一种SIW，该SIW包括：衬底；和集成在所述衬底上的波导，其中所述波导包括两列通壁和多个杆，所述通壁被波导的宽度分离开并且被设置成彼此平行，每个所述杆包括气孔和通过使用内外螺纹旋和方法插入到气孔中以可变地移动信号相位的介电材料。

根据下面详细的描述、附图和权利要求，其他特征和方面将是显而易见的。

移相器能够通过在衬底集成波导(SIW)的衬底中形成气孔以及将其介电常数和衬底的介电常数不同的介电材料插入每个气孔中来容易地制造，并且移相器能够设计为通过调节气孔的尺寸、气孔之间的缝隙和气孔的数量来提供所需的相位移动量。

另外，平衡-不平衡变压器能够通过在SIW的衬底中形成气孔并且将其介电常数和衬底的介电常数不同的介电材料插入每个气孔中来容易地制造，并且平衡-不平衡变压器能够设计为通过调节气孔的尺寸、气孔之间的缝隙和气孔的数量来在SIW中的不平衡信号与平衡信号之间进行转换。

而且，定向耦合器能够通过在SIW的衬底中形成气孔并将其介电常数和衬底的介电常数不同的介电材料插入每个气孔中来容易地实施。

而且，形成在SIW中的多个介电杆能够可变地改变信号的相位，其中每个介电杆包括气孔和通过使用内外螺纹旋和方法插入到气孔中的介电材料。

附图说明

图1是示出了根据本发明的示例性实施方式的使用衬底集成波导(SIW)的移相器的原理的示意图；

图2是根据本发明的示例性实施方式的使用SIW的移相器的透视图；

图3是图2中所示的移相器的平面图；

图4是示出了图2和图3中所示的移相器的实际模型的示意图；

图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的插入相位测量的图表；

图6是示出了被制造以识别图4的移相器的特征的模型移相器的插入损耗和反射损耗的图表；

图7是示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的具有插入到每个气孔中的高k的材料的移相器的真实模型的图表；

图8是示出了相位移动测量的图表；

图9是示出了相位误差、插入损耗和反射损耗的图表；

图10是示出了内外螺纹旋和方法的示意图，通过该螺纹旋和方法介电材料被插入气孔中；

图11是示出了具有杆的移相器的示意图，其中每个杆包括气孔和通过内外螺纹旋和方法插入到气孔中的介电材料；

图12是示出了图11中显示的SIW中的介电螺纹的插入率在每个频率的相位移动量的图表；

图13是示出了平衡信号和不平衡信号的示意图；

图14是用于解释平衡-不平衡变压器的概念的示意图；

图15是示出了平衡-不平衡变压器的结构的示意图；

图16是示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的使用SIW的平衡-不平衡变压器的示意图；

图17是图16中显示的平衡-不平衡变压器的设计的结构示意图；

图18是示出了插入损耗和反射损耗的图表；

图19是示出了插入相位的图表；

图20是示出了插入损耗差异和相位差异的图表；

图21是示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的定向耦合器的示意图；

图22是示出了定向耦合器的仿真结果的图表。

贯穿附图和详细描述，除非另外描述，否则相同的附图参考标记将被理解为指示相同的元件、特征和结构。为了清楚、示出和方便，可以放大所述元件的相对大小和绘制。

具体实施方式

下面将参考附图，更完整地描述本发明，附图中显示了本发明的示例性实施方式。为了更加清楚和方便，省略了对已知功能和构造的描述。而且，在下面的描述中使用的术语是考虑到根据本发明获得的功能所定义的术语，以及可以根据用户或操作者的选择或一般的实践而被改变。所以，这些术语的定义应该基于该说明书的整个内容而确定。

图1是示出了根据本发明的示例性实施方式使用衬底集成波导(SIW)的移相器的原理的示意图。

SIW仅具有TEm₀模式。TEm₀模式中的波数(k)与介电常数的平方根成比例，传播常数β可以由以下公式定义：

k = ω \sqrt{μϵ} . . . (1)

k_{c} = {\sqrt{(\frac{mπ}{a})}}^{2} + {(\frac{nπ}{b})}^{2}

β = \sqrt{k^{2} - {k_{c}}^{2}}

v_{p} = \frac{ω}{β}

引导波长λ_g与传播常数β成反比。从而，当在波导内的有效的介电常数改变时，波的相速度v_p也改变，从而如图所示移动波导的插入相位。由有效的介电常数的增大造成的相速度v_p的减少被称为“慢波效应”，反之被称为“快波效应”。

使用衬底气孔和介电插入的移相器基于上面两个原理(即，快波效应和慢波效应)。当气孔在具有相对较高的介电常数(k)的衬底中形成时，其填充有具有介电常数为1的空气。如果气孔由相对低的k的材料填充，那么整个衬底的有效介电常数减小。这使波的相速度增加，引起负(－)相位移动。相反，气孔在具有相对较低的介电常数的衬底中形成之后，如果气孔填充有较高的k的材料，则慢波效应可能发生，导致正(+)相位移动。

图2是根据本发明的示例性实施方式的使用SIW的移相器的透视图。图3是图2中所示的移相器的平面图。

参考图2和图3，移相器可以包括衬底1和集成在衬底1上的波导2。波导2可以包括输入端口4、输出端口5、两列通壁3和多个气孔6，所述通壁分被波导2的宽度α分开并且设置成彼此平行，所述气孔6穿透所述衬底1以移动输入与输出端口4和5之间的信号的相位。通过考虑波导2的宽度α、通壁的直径d_v、通壁之间的缝隙p_v等来设计移相器，如参考图1所述。输入和输出端口4和5中的每一者具有到微带线的用于测量的过渡结构，以及所述过渡结构可以逐渐变细。过渡结构的长度I_t和宽度W_t可以以最小化导体损耗和介电损耗的方式被设计，并且同时确保较好的阻抗匹配以最小化反射损耗。

在输入与输出端口4和5之间移动的信号的相位的量可以根据气孔6的直径d_h、气孔6之间的缝隙p_hx,y和气孔6的数目(m x n)中的至少一者来改变。

基本上，改变的信号的相位的量和气孔6的直径dh的增加成比例地增加。而且，改变的信号的相位的量通常和气孔6的数目(m x n)成比例并且能够由气孔6之间的缝隙phx,y调节。最后，改变的信号的相位的量能够使用气孔6的直径dh、气孔6之间的缝隙phx,y(距离)和气孔6的数目(m xn)中的至少一者来调节。

现在将描述根据当前示例性实施方式的移相器的实际上实施的示例。设计在中心频率为15GHz处提供一般的相位移动值，例如分别为11.25°、22.5°和45°的移相器，并且它们的特征被识别。用于这些移相器中的每一者的衬底为罗杰斯公司(Rogers Corporation)的厚度为0.635mm的杜劳特铬合金钢(Duroid)6010(ε_t＝10.2，tanδ＝0.0023)。另外，基本的波导设计变量的值为＝5mm，dv＝0.5mm，pv＝1mm,1t＝5mm，wt＝2.1mm以及ws＝0.5mm，并且在下面的表1中列出了用于达到所需相位移动量的设计变量，诸如气孔的直径dh、气孔之间的缝隙phx,y和气孔的数目(m x n)。为了设计和解释，使用安软公司(Ansoft Corporation)的高频结构仿真器(HFSS)10。HFSS 10是通常使用的基于有限元素方法(FEM)的仿真工具。

	dh[mm]	phx[mm]	phy[mm]	m x n
					11.25°	0.55	0.85	-	1x 3
22.5°	0.55	0.85	0.85	2x 3
					45°	0.55	0.85	0.85	2x 7

表1

使用仿真工具设计的移相器的实际模型被制作并在图4中示出。特别地，图4的(a)显示了参考波导，图4的(b)显示了11.25度位移相器，图4的(c)显示了22.5度位移相器，图4的(d)显示了45度位移相器。这些移相器的相位移动值被测量，并且在图5中示出了测量结果。参考图5,移相器的相位移动值在每个频率随着气孔的数目的减少而减少。这是因为快波效应。也就是，衬底中的气孔减少了衬底的有效的介电常数，从而增加了波导内的波的相速度。另外，移相器呈现出相对精确的相位移动结果。从而，虽然在15GHz的设计频率时22.5度移相器显示了最大的相位误差，其相位误差也仅为0.64度。

图6是示出了被制造以识别图4的移相器的特征的移相器的插入损耗和反射损耗的图表。传统的SIW中的移相器的插入损耗随着相位移动幅度的增加而增加。在另一方面，参考图6，模型移相器的插入损耗在波导的切断频率之后在整个通带上保持较低。特别地，在15GHz的设计频率处，移相器具有-0.92dB的插入损耗。在表2中显示了每个移相器的测量结果(包括相位误差)。

	S11[dB]	S21[dB]	相位误差[°]
				参考	-14.72	-0.57	-
11.25°	-18.11	-0.48	-0.08
				22.5°	-29.95	-0.92	-0.64
45°	-10.05	-0.78	-0.11

表2

根据本发明的另一个示例性实施方式的使用SIW的移相器可以具有杆结构，在所述杆结构中介电材料插入根据图2和图3的实施方式的移相器的每个气孔6中。

也就是，根据当前的示例性实施方式的使用SIW的移相器可以包括衬底和集成在衬底上的波导。波导可以包括输入端口、输出端口、两列通壁和多个杆，所述通壁被波导的宽度分离开并且设置成彼此平行，每个所述杆包括形成在衬底中的气孔和插入气孔中以移动输入和输出端口之间的信号的相位的介电材料。在输入和输出端口之间移动的信号的相位的量可以根据杆的直径、杆之间的距离和杆的数目中的至少一者而改变。移动的信号的相位的量可以和杆的直径的增加成比例地增加。另外，移动的信号的相位的量可以随着杆的数目的增加而增加。

插入每个气孔中的介电材料的介电常数可以和衬底的介电常数不同，并且输入和输出端口中的每个可以具有到微带线的用于测量的过渡结构。过渡结构可以逐渐变细。

根据当前的示例性实施方式，为了识别移相器的特征，设计在15GHz的中心频率提供一般的相位移动值，例如分别为11.25°、22.5°和45°，的移相器，并且它们的的特征被识别。用于这些移相器中的每一者的衬底为罗杰斯公司(Rogers Corporation)的厚度为0.813mm的杜劳特铬合金钢4003(ε_t＝3.38，tanδ＝0.0027)，并且插入衬底的每个气孔中的高k的材料为杜劳特铬合金钢6010(ε_t＝10.2，tanδ＝0.0023)。另外，基本的波导设计变量的值为＝8mm，dv＝0.5mm，pv＝1mm,1t＝8mm，wt＝3mm以及ws＝1.74mm，并且在下面的表3中列出了用于达到所需相位移动量的设计变量，诸如杆的直径dr、杆之间的缝隙prx,y和杆的数目(m x n)。

	dr[mm]	prx[mm]	pry[mm]	m x n
					11.25°	0.75°	1.3	-	1x 3
22.5°	0.75°	1.3	1.15	2x 3
					45°	0.75°	1.15	1.15	2x 6

表3

具有插入到每个气孔中的高k的材料的移相器的真实模型被制作并在图7中示出。特别地，图7的(a)显示了参考波导，图7的(b)显示了11.25度位移相器，图7的(c)显示了22.5度位移相器，图7的(d)显示了45度位移相器。图7的(b)到(d)中所示的移相器中的每个具有其中介电材料被插入每个气孔中的结构。

这些移相器的相位移动值被测量，并且在图8中示出了测量结果。参考图8,移相器的相位移动值在每个频率随着高k的杆的数目的增加而增加。这是因为具有插入衬底的每个气孔中的高k的材料的移相器具有慢波效应，这和仅使用衬底气孔的上述移相器相反。也就是，插入每个气孔中的高k的材料减少了衬底的有效的介电常数，从而减小了波导内的波的相速度。

和上述仅使用衬底气孔的移相器一样，如图9所示，使用介电插入的移相器在相位误差、插入损耗和反射损耗方面显现出较好的特性。表4中显示了特定的值。

	S11[dB]	S21[dB]	相位误差[°]
				参考	-19.92	-0.57	-
11.25°	-18.71	-0.79	-0.02
				22.5°	-16.67	-0.84	-0.07
45°	-20.07	-0.73	0.17

表4

同时，可以通过使用内外螺纹旋和方法来将介电材料插入多个气孔中的每个气孔中，在图10中示出了其实施方式。参考图10,可以在SIW的衬底中形成气孔，并且可以在气孔的壁上形成内螺纹线。然后，外螺纹形式的介电螺纹沿着内螺纹线插入气孔中。由于具有和衬底的介电常数不同的介电常数的介电材料被插入气孔中，传输线的有效的介电常数和相位常数可以改变，造成相位移动。能够根据介电螺纹插入气孔中的程度(深度)来达到可变的相位移动。也就是，相位移动可以和介电材料插入气孔中的深度的增加成比例地增加。

图11示出了用于可变相位移动的SIW。参考图11，SIW包括集成在衬底(未示出)上的波导50，该波导50包括两列51通壁和多个杆52，所述通壁被波导50的宽度分离开并且设置成彼此平行，每个所述杆包括气孔和通过使用内外螺纹旋和方法插入气孔中以可变地移动信号的相位的介电材料。由于杆52使用内外螺纹旋和方法来形成，信号相位能够通过调节通过使用内外螺纹旋和方法插入每个气孔中的介电螺纹来改变。SIW的应用频带为X频带，用于解释的衬底为罗杰斯公司(Rogers)的5880(ε_t＝2.2)，以及介电螺纹为氧化铝(ε_t＝9.4)。通壁的直径和通壁之间的缝隙分别为0.6mm,以及使用的每个介电螺纹的直径d和介电螺纹之间的缝隙s分别为2mm。

图12是示出了关于图11中显示的SIW中的介电螺纹插入率在每个频率的相位移动量的图表。参考图12，随着介电螺纹插入衬底的气孔中的插入率(深度)的增加，使用图11的SIW的移相器提供更大的相位移动量。另外，使用图11的SIW的移相器提供比没有气孔和介电螺纹的SIW的移相器更大的相位移动量。当仅在衬底中形成气孔，但当介电螺纹没有插入气孔中时，衬底的有效的介电常数减小，造成相位移动量减小。当螺纹型介电材料插入图11的SIW中的衬底中的每个气孔中时，能够根据介电材料插入的深度来可变地调节相位移动量。使用介电螺纹的该可变SIW不仅能够用于可变的和固定的移相器，还可以用于相控阵列系统的大功率分配网络的相位矫正。

根据本发明的还另一个示例性实施方式的使用SIW的移相器可以被配置为执行平衡-不平衡变压器功能。在此，术语“平衡-不平衡变压器”是“平衡-不平衡”的缩写。其是将平衡信号转换成不平衡信号的电路或结构，反之亦然。

为了理解平衡-不平衡变压器，平衡信号和不平衡信号的理解是很重要的。平衡信号和不平衡信号的示例在图13中示出。参考图13的(a)，平衡信号是输入具有相同的大小和180度的相位差的信号到两个传输线并发送所述两个信号之间的差的方法。传输线将两个电线结合以传送信号。平衡信号比不平衡信号还多需要一个信号线。然而，其是具有各种优点的信号传送技术，诸如公共模式噪声拒绝、保证的返回电流路径和信号倾斜减少。

参考图13的(b)，不平衡信号是使用传输线的两个电线中的一个作为地线GND并使用另一者作为信号线的方法。使用两个金属电线都作为信号线的平衡信号在高频显现出更好的特性。然而，平衡信号具有以下缺点，即很难匹配和测量并且有复杂的电路结构。从而，有时使用不平衡信号更方便。

无线电频率(RF)电路包括使用平衡信号的部分(诸如，混合器或表面声波(SAW)滤波器)和使用不平衡信号的部分(诸如天线)。从而，匹配单元有时必须向平衡-不平衡变压器一样被操作来连接这些部分。也就是，平衡-不平衡变压器不是某个装置的名字，而是指用于在平衡信号与不平衡信号之间进行转换的所有实体，如图14所示。

通常，平衡-不平衡变压器为三端口无源装置，其包括一个输入端口和两个输出端口。当信号被发送到输入端口时，具有相同幅度和180度(±90°)相位差的信号分别从两个输出端口输出。所以，平衡-不平衡变压器的电特性可以按照插入损耗(如输入和输出端口之间的信号功率的损耗有多小)、相位差(在输出端口的两个信号之间的相位差有多接近180度)、插入损耗差(在输出端口的两个信号的幅度互相有多相似)等来估计。

图15中示出了平衡-不平衡变压器的概念上的配置。参考图15，平衡-不平衡变压器包括3dB功率除法器和±90°移相器，所述±90°移相器连接到3dB功率除法器的分支上。所以，输出端口处的两个信号具有180度的相位差。

图16是示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的使用SIW的平衡-不平衡变压器的示意图。图17是图16中显示的平衡-不平衡变压器的设计的结构示意图。

参考图16和17，平衡-不平衡变压器可以包括衬底10和集成在衬底10上的波导11。波导11可以包括两列12通壁、输入端口13、功率除法器14和第一和第二输出端口17和18，所述通壁被波导11的带宽分离开并且设置成彼此平行，所述功率除法器14划分输入到功率除法器14的输入端口13、第一和第二分支15和16的信号的功率，所述第一和第二输出端口17和18分别连接到第一和第二分支15和16。第一和第二分支15和16中的一者包括多个杆，每个杆包括气孔和插入到气孔中的介电材料，以及第一和第二分支15和16中的另一者包括多个气孔或不包括气孔。在图16中，第一分支15包括多个气孔，没有介电材料插入该气孔中，第二分支16包括多个杆。然而，这仅仅是一个实施方式，以相反的方式实施也是可能的。

移动的信号的相位的量可以根据气孔或杆的直径dh或dr、气孔或杆之间的缝隙phx,y或prx,y和气孔或杆的数目(m x n)中的至少一者来改变，所述信号通过所述杆并由功率除法器14划分。移动的信号的相位的量可以和气孔的直径dh的增加成比例地增加。另外，移动的信号的相位的量可以随着杆的数目的增加而增加。每个杆可以具有其中通过使用内外螺纹旋和方法介电材料被插入相应的气孔中的结构。在此，移动的信号的相位的量可以随着介电材料插入相应的气孔中越深而增加。衬底10的介电常数可以和插入每个气孔中的介电材料的介电常数不同。输入端口13、第一输出端口17和第二输出端口18中的每一者具有到微带线的用于测量的过渡结构，并且该过渡结构可以逐渐变细。

图16中示出的平衡-不平衡变压器在集成在衬底10上的波导11(即，SIW)的3dB功率除法器14的两个分支15和16中分别包括±90°移相器。也就是，平衡-不平衡变压器被设计为使得在第一和第二输出端口17和18的两个信号具有180度的相位差。两个移相器中的一者包括形成在衬底10中的气孔，从而提供由气孔感应的快波效应引起的-90度的相位移动。另一者具有插入形成在衬底10中的每个气孔中的介电材料，从而提供由介电材料插入每个气孔中感应的慢波效应引起的+90度的相位移动。所需的相位移动量可以通过调节气孔(介电杆)的尺寸、气孔之间的缝隙和气孔的数目而实现。如附图中所示，平衡-不平衡变压器被设计使得气孔的数目逐渐增加，从而减少由介电常数的改变引起的阻抗不匹配。用于平衡-不平衡变压器的衬底10为厚度为0.635mm的泰克尼克(Taconic)公司的RF-60(ε_t＝6.15)，以及插入每个气孔中的高k的材料为CER-10(ε_t＝10.2)。另外，设计变量为＝6mm，l1＝10mm，l2＝30.5mm，l3＝3.5mm,dv＝0.5mm，dh＝0.55mm，dr＝0.8mm,pv＝1mm,phx＝prx＝pry＝1.1mm以及phy＝0.9mm。微带过渡结构被用作用于测量的回馈线。

现在将描述使用HFSS所设计的平衡-不平衡变压器的测量结果。图18是示出了插入损耗和反射损耗的图表，图19是示出了插入相位的图表，以及图20是示出了插入损耗差异和相位差异的图表。参考图18至20，当在输入端口具有-15dB或更少的反射损耗的频带被定义为可用频带时，平衡-不平衡变压器具有大约3.6GHz(14.1到17.7GHz，Ku-带)的带宽以及鉴于15.9GHz的中心频率的大约22.6％的分数带宽。另外，可用频率范围内的最大插入损耗差异小于1dB，并且最大相位差异小于±12°。

图21是示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的使用SIW的定向耦合器的示意图。

参考图21,使用SIW的定向耦合器可以包括衬底20和集成在衬底20上的波导21。波导21可以包括第一输入分支32、第二输入分支33、第一输出分支25、第二输出分支26、第一列31位于第一输入分支32和第二输入分支33之间的通壁、第二列30位于第一输出分支25和第二输出分支26之间的通壁、连接到第一和第二输入分支32和33中的一者上的输入端口22、连接到第一和第二输入分支32和33中的另一者上的绝缘端口23、在第一和第二输出分支25和26之间划分从输入端口22接收的信号的功率的功率除法器24、和分别连接到第一和第二输出分支25和26的第一和第二输出端口27和28。第一和第二输出分支25和26中的任意一者可以具有多个杆29，每个杆包括气孔和插入气孔中的介电材料。第一和第二输出分支25和26中的另一者可以不具有气孔。由功率除法器24划分并穿过杆29的信号的相位的幅度可以根据杆29的直径、杆29之间的距离以及杆29的数目中的至少一者而改变。

每个杆29可以具有其中通过使用内外螺纹旋和方法介电材料被插入相应的气孔中的结构。穿过以该方法构造的杆29的信号的相位的幅度可以和介电材料插入每个杆29中的深度的增加成比例地增加。而且，衬底20的介电常数和杆29的介电常数不同。

输入端口22、第一输出端口27和第二输出端口28中的每一者具有到微带线的用于测量的过渡结构，并且该过渡结构可以逐渐变细。

为了识别该定向耦合器的特征，制作定向耦合器的真实模型。为了该模型定向耦合器，使用厚度为0.508mm和相对介电常数为2.2的杜劳特铬合金钢5880。在衬底上形成气孔之后，具有10.2的高介电常数的介电材料被插入每个气孔中，从而增加衬底的有效的介电常数，以减小相位速度。另外，为了阻抗匹配而使用不同数目的气孔。如上所述构造的定向耦合器的仿真结果在图22中示出。参考图22中所示的仿真结果，定向耦合器在13.35到16.71GHz的频率范围具有15dB或更小的反射损耗S11以及在13.95到16.02GHz的频率范围具有多于20dB的绝缘度S41。

另外，定向耦合器在14.67到16.62GHz的频率范围具有3.9dB±0.5dB的插入损耗S21或S31，以及两个端口之间的相位差在13.63到16.7GHz的频率范围为180±10。所以，在衬底中形成气孔之后，如果具有较高的相对介电常数的介电材料插入每个气孔中，则能够获得180度的相位差，并且能够在宽频带中达到较好的相位特性。

在参考本发明的示例性实施方式特别地显示和描述了本发明的同时，本领域的技术人员可以理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种修改。示例性实施方式应该理解为仅用于描述，而不是用于限制。所以，本发明的范围不被本发明的细节描述所限定，而是被所附权利要求所限定，并且所述范围内的所有不同应该被解释为包括在本发明中。

本发明能够应用于制造移相器的领域中。

Claims

1.一种使用SIW的平衡-不平衡变压器，该平衡-不平衡变压器包括：

衬底；以及

集成在所述衬底上的波导，

其中所述波导包括两列通壁、输入端口、功率除法器以及第一输出端口和第二输出端口，所述通壁以所述波导的宽度被分离开并被设置成彼此平行，所述功率除法器划分输入到所述功率除法器的所述输入端口、第一和第二分支的信号的功率，所述第一输出端口和第二输出端口分别连接到所述第一分支和所述第二分支，其中所述第一和第二分支中的任意一者具有多个杆，每个杆包括气孔和插入到所述气孔中的介电材料，以及所述第一分支和第二分支中的另一者具有多个气孔或不具有气孔。

2.根据权利要求1所述的平衡-不平衡变压器，其中穿过所述气孔的信号的相位的幅度根据所述气孔的直径、所述气孔之间的距离和所述气孔的数量中的至少一者而改变。

3.根据权利要求1所述的平衡-不平衡变压器，其中穿过所述杆的信号的相位的幅度根据所述杆的直径、所述杆之间的距离和所述杆的数量中的至少一者而改变。

4.根据权利要求3所述的平衡-不平衡变压器，其中每个所述杆具有其中通过使用内外螺纹旋合方法将所述介电材料插入所述气孔中的结构，并且穿过所述杆的所述信号的所述相位的所述幅度的增加与所述介电材料插入每个所述杆中的所述气孔中的深度的增加成比例。

5.一种使用SIW的定向耦合器，该定向耦合器包括：

衬底；以及

集成在所述衬底上的波导，

其中所述波导包括第一输入分支、第二输入分支、第一输出分支、第二输出分支、位于所述第一输入分支与所述第二输入分支之间的第一列通壁、位于所述第一输出分支与所述第二输出分支之间的第二列通壁、连接到所述第一输入分支和第二输入分支中的一者上的输入端口、以及连接到所述第一输入分支和第二输入分支中的另一者上的绝缘端口、功率除法器、以及分别连接到所述第一输出分支和第二输出分支的第一输出端口和第二输出端口，所述功率除法器划分输入到所述第一输出分支与所述第二输出分支之间的所述输入端口的信号的功率，其中所述第一和第二输出分支中的任意一者具有多个杆，每个杆包括气孔和插入所述气孔中的介电材料，并且所述第一和第二输出分支中的另一者不具有气孔。

6.根据权利要求5所述的定向耦合器，其中穿过所述杆的信号的相位的幅度根据所述杆的直径、所述杆之间的距离和所述杆的数量中的至少一者而改变。

7.根据权利要求5所述的定向耦合器，其中每个所述杆具有其中通过使用内外螺纹旋合方法将所述介电材料插入所述气孔中的结构，并且穿过所述杆的所述信号的相位的幅度的增加与所述介电材料插入每个所述杆中的所述气孔中的深度的增加成比例。