CN105449318A - 一种填充bst材料的共面波导结构移相器单元及移相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元及移相方法，包括共面波导结构基本移相器单元和BST材料层；所述共面波导结构基本移相器单元包括介质基板、信号带金属贴片以及两个接地带金属贴片，所述信号带金属贴片设置在介质基板的正中央，而两个接地带金属贴片分别设置在介质基板的两端上，且所述信号带金属贴片位于两个接地带金属贴片之间；所述BST材料层设置于信号带金属贴片和接地带金属贴片之间的缝隙内，且设置在介质基板上。通过给BST材料层加直流馈电改变移相器单元的等效介电常数，从而达到移相的功能。本发明能够有效地减小移相器单元的体积，降低损耗，并在更宽的频段范围内提供更好的移相性能。

Description

一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元及移相方法
技术领域
本发明涉及一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元的设计，属于微波器件技术领域。
背景技术
随着雷达，卫星，通讯等技术的迅猛发展，相控阵天线的应用日益广泛。微波移相器作为相控阵天线的核心部件，调节微波移相器，即可调整天线孔径上的相位分布，实现波束在空中的扫描。移相器的性能直接决定着T/R组件的工作频段，响应速度，插入损耗，功率，体积重量等重要技术指标。
传统的用于微波领域的移相器主要为铁氧体移相器和半导体PIN二极管移相器，对于铁氧体移相器而言，尽管其损耗较小，一般铁氧体移相器的插入损耗约为0.5dB,但具有响应速度慢，开关时间约为2-10微秒，而且制作工艺复杂，体积大，价格昂贵等一系列缺点；与铁氧体移相器相比，PIN二极管移相器的体积小，相对于铁氧体结构几百克的重量，二极管移相器一般才15克左右，而且响应速度快，一般小于1微秒，但在微波频率范围内较大的损耗限制了其应用，一般情况下，为实现360度相移，损耗都会大于1dB。
另外，随着现代通信技术和雷达技术的不断发展，对移相器的性能的要求日益提高。单个移相器单元的性能如损耗，体积等有时候不能满足系统的要求，对于一个普通的相控阵雷达，所需的移相器单元数量成千上万，因此移相器单元性能上的不足将会对整体系统性能造成严重的影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元及移相方法，其能够有效地减小移相器单元的体积，降低损耗，并在更宽的频段范围内提供更好的移相性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元，包括共面波导结构基本移相器单元和BST材料层；所述共面波导结构基本移相器单元包括介质基板、信号带金属贴片以及两个接地带金属贴片，所述信号带金属贴片设置在介质基板的正中央，而两个接地带金属贴片分别设置在介质基板的两端上，且所述信号带金属贴片位于两个接地带金属贴片之间；所述BST材料层设置于信号带金属贴片和接地带金属贴片之间的缝隙内，且设置在介质基板上。
优选的：所述信号带金属贴片紧贴在介质基板上，两个接地带金属贴片分别紧贴在介质基板的两端上，BST材料层紧贴在介质基板上。
优选的：两个接地带金属贴片分别为左接地带金属贴片和右接地带金属贴片，左接地带金属贴片与信号带金属贴片相背离的侧面与介质基板左侧面对齐；右接地带金属贴片与信号带金属贴片相背离的侧面与介质基板右侧面对齐。
优选的：所述介质基板为三氧化二铝陶瓷介质基板。所述BST材料层为Ba0.5Sr0.5TiO3铁电材料层
优选的：所述信号带金属贴片、接地带金属贴片、BST材料层的厚度均一致。
优选的：所述信号带金属贴片的宽度s与BST材料层的宽度g的比值在1/10到1/8之间。
优选的：所述信号带金属贴片、接地带金属贴片、BST材料层的厚度为16-20微米，介质基板厚度取450-550微米；信号带金属贴片宽度90-110μm，BST材料层宽度860-900μm，接地带金属贴片宽度300-340μm。
一种填充BST材料的共面波导结构的移相方法，通过给BST材料层加直流馈电改变移相器单元的等效介电常数，从而达到移相的功能。
优选的：在BST材料层上下表面加纵向直流馈电。
一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元的制作方法，首先将信号带金属贴片粘贴在介质基板的正中央，将两个接地带金属贴片分别粘贴在介质基板的两端上；然后在信号带金属贴片与接地带金属贴片的缝隙内填充BST材料，形成BST材料层，进而得到移相器单元。
有益效果：本发明提供的一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元及移相方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
1、传统的铁氧体移相器损耗小，但具有响应速度慢，体积大等缺点；PIN半导体移相器响应速度快，但高频时损耗太大。而本发明使用填充BST材料的共面波导移相器单元，兼具两者的优点，体积小，损耗小，响应速度快，纳秒级别，并且移相性能更优越。
2、对于传统的填充铁电材料共面波导结构移相器单元金属大多选用铂金或铝。而本发明选用金属铜，在几乎保证同等性能的情况下，使得移相器单元成本降低并且更加易于加工。
3、对于传统的填充铁电材料共面波导结构移相器单元，铁电材料都填充在介质基板上层，然后金属片置于铁电材料上。而本发明将铁电材料置于信号带和接地带的缝隙中，由于共面波导结构的场主要束缚在信号带和接地带的缝隙中，因此与传统结构相比，本发明能更加充分的利用铁电材料的介电系数可调性能。
附图说明
图1为本发明填充BST材料的共面波导结构移相器单元结构示意图；
图2为本发明填充BST材料的共面波导结构移相器单元结构正视图；
图3为本发明实例的回波损耗随频率变化曲线图；
图4为本发明实例的移相效果图。
其中，1为介质基板，2为信号带金属贴片，3为左接地带金属贴片，4为右接地带金属贴片，5为BST材料层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元，如图1和图2所示，包括共面波导结构基本移相器单元和BST(钛酸锶钡)材料层；所述共面波导结构基本移相器单元包括介质基板、信号带金属贴片以及两个接地带金属贴片，所述信号带金属贴片设置在介质基板的正中央，而两个接地带金属贴片分别设置在介质基板的两端上，且所述信号带金属贴片位于两个接地带金属贴片之间；所述BST材料层设置于信号带金属贴片和接地带金属贴片之间的缝隙内，且设置在介质基板上。
所述信号带金属贴片紧贴在介质基板上，两个接地带金属贴片分别紧贴在介质基板的两端上，BST材料层紧贴在介质基板上。
两个接地带金属贴片分别为左接地带金属贴片和右接地带金属贴片，左接地带金属贴片与信号带金属贴片相背离的侧面与介质基板左侧面对齐；右接地带金属贴片与信号带金属贴片相背离的侧面与介质基板右侧面对齐。
所述介质基板为三氧化二铝陶瓷介质基板，厚度为h。所述BST材料层为Ba0.5Sr0.5TiO3铁电材料层。金属铜价格低廉并且便于制作加工。另外，三氧化二铝陶瓷介质基板和BST同为氧化物，利于降低损耗。
所述信号带金属贴片、接地带金属贴片、BST材料层的厚度均一致。
所述信号带金属贴片的宽度s与BST材料层的宽度g的比值在1/10到1/8之间。
所述信号带金属贴片、接地带金属贴片、BST材料层的厚度为16-20微米，介质基板厚度取450-550微米；信号带金属贴片宽度90-110μm，BST材料层宽度860-900μm，接地带金属贴片宽度300-340μm。
一种填充BST材料的共面波导结构的移相方法，通过给BST材料层加直流馈电改变移相器单元的等效介电常数，一般在BST材料层上下表面加纵向直流馈电。从而达到移相的功能。
一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元的制作方法，首先将信号带金属贴片粘贴在介质基板的正中央，将两个接地带金属贴片分别粘贴在介质基板的两端上；然后在信号带金属贴片与接地带金属贴片的缝隙内填充BST材料，形成BST材料层，进而得到移相器单元。
本例在信号带金属贴片和接地带金属贴片缝隙中填充的钛酸锶钡材料为Ba0.5Sr0.5TiO3铁电材料，材料直接填充在介质基板上方，紧贴介质基板，填充材料高度与金属贴片的高度齐平,宽度为g。Ba0.5Sr0.5TiO3居里温度接近室温，适合大多数环境下的使用。
考虑到便于加工，此发明实例中金属片和BST薄膜厚度取18微米，介质基板厚度取500微米。共面波导结构的参数指标和信号带宽度和接地带宽度的比值有着重要的关系。通过仿真发现，在此发明中，信号带宽度和缝隙宽度之比，即s/g的值为1时，移相器的端口阻抗为20欧姆，当比值为1/9时，端口阻抗为50欧姆，考虑到目前大多数微波器件的端口阻抗为50欧姆，此发明中s/g值约为1/9。具体参数为：s＝100μm,g＝880μm,g1＝320μm，移相器单元长度为2mm。通过改变BST上下表面所加的直流馈电大小，使得BST的介电常数从300变化到700时，移相器单元能实现75度的相移。
从图3可以看出，在20G左右的频段范围内，移相器单元的插入损耗值稳定在0.7dB以下，并随着BST介电常数的增加而减小；通过图4，可以看出在20G频点上，当BST介电常数从300变化到700时，S21的相位从162.5°变化到87.5°，即移相器单元实现了75°的相移，而且我们是在2mm的移向单元长度下实现的75°移向，即37.5°/mm。
由以上可知，本发明通过改变BST薄膜(BST材料层)上的直流馈电可以改变BST材料的介电常数进而改变移相单元的等效介电常数，从而达到移相的效果。本发明不仅尺寸小，可以很好的实现移相的功能，而且在共面波导信号带和接地带之间填充了BST材料，可以充分利用BST介电可调的性质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：包括共面波导结构基本移相器单元和BST材料层；所述共面波导结构基本移相器单元包括介质基板、信号带金属贴片以及两个接地带金属贴片，所述信号带金属贴片设置在介质基板的正中央，而两个接地带金属贴片分别设置在介质基板的两端上，且所述信号带金属贴片位于两个接地带金属贴片之间；所述BST材料层设置于信号带金属贴片和接地带金属贴片之间的缝隙内，且设置在介质基板上。
2.根据权利要求1所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：所述信号带金属贴片紧贴在介质基板上，两个接地带金属贴片分别紧贴在介质基板的两端上，BST材料层紧贴在介质基板上。
3.根据权利要求1所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：两个接地带金属贴片分别为左接地带金属贴片和右接地带金属贴片，左接地带金属贴片与信号带金属贴片相背离的侧面与介质基板左侧面对齐；右接地带金属贴片与信号带金属贴片相背离的侧面与介质基板右侧面对齐。
4.根据权利要求1所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：所述介质基板为三氧化二铝陶瓷介质基板；所述BST材料层为Ba0.5Sr0.5TiO3铁电材料层。
5.根据权利要求1所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：所述信号带金属贴片、接地带金属贴片、BST材料层的厚度均一致。
6.根据权利要求1所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：所述信号带金属贴片的宽度s与BST材料层的宽度g的比值在1/10到1/8之间。
7.根据权利要求1所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元，其特征在于：所述信号带金属贴片、接地带金属贴片、BST材料层的厚度为16-20微米，介质基板厚度取450-550微米；信号带金属贴片宽度90-110μm，BST材料层宽度860-900μm，接地带金属贴片宽度300-340μm。
8.一种基于权利要求1至7任一所述的填充BST材料的共面波导结构的移相方法，其特征在于：通过给BST材料层加直流馈电改变移相器单元的等效介电常数，从而达到移相的功能。
9.根据权利要求8所述的填充BST材料的共面波导结构的移相方法，其特征在于：在BST材料层上下表面加纵向直流馈电。
10.一种基于权利要求1至7任一所述的填充BST材料的共面波导结构移相器单元的制作方法，其特征在于：首先将信号带金属贴片粘贴在介质基板的正中央，将两个接地带金属贴片分别粘贴在介质基板的两端上；然后在信号带金属贴片与接地带金属贴片的缝隙内填充BST材料，形成BST材料层，进而得到移相器单元。
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