CN105680143B - 基于铁电材料的波导t型混合结及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铁电材料的波导T型混合结，包括第一输入波导、第二输入波导和分别与第一输入波导、第二输入波导垂直设置的输出波导，所述第一输入波导与第二输入波导具有180°相移；位于第一输入波导/第二输入波导至输出波导的路径上设置有铁电矩形基片单元；所述铁电矩形基片单元包括多个沿波输入方向周期性排列的多个铁电矩形基片。本发明在波导T型结内部采用铁电材料，整个波导结构简单并易加工；通过调整周期性排列的铁电交指基片的大小及基片之间的间距，实现180度相移的功能；通过调整铁电材料的直流偏置电压，实现灵活输入波的相位变化，通过以上方式，提高毫米波相控阵雷达通信系统的性能。

Description

基于铁电材料的波导T型混合结及设计方法
技术领域
本发明涉及微波电路领域，具体涉及用于毫米波频段无线收发系统的一种基于铁电材料的波导T型混合结。
背景技术
传统频段不能满足高速、宽带、小口径终端等应用的需求。越来越需要工作于更高频段，具有较大带宽和较高频谱效率的卫星通信系统。传统的波导T型功分器具有工作频率高，频带宽，插入损耗低和易加工等优点，但是二个端口隔离度只有6dB左右，而且端口相位无法随意改变，在相控阵雷达收发系统中使用受到很大的限制。
2005年左右，国外就波导中的相位变化，进行了一些研究，例如加州大学洛杉矶分校研究团队采用双负材料运用于波导之中，取得了一些成果，但是无法做到相位根据设计的要求灵活调整。目前国内在这方面的研究还处于起步阶段，没有见到相关研究成果的报道。随着国内外对于毫米波相控阵雷达的深入研究，灵活调整相位的波导T型结的研究具有十分重要的应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种基于铁电材料的波导T型混合结，该混合结能够对输入的波导信号的相位进行灵活调整，有效提高毫米波相控证雷达通信系统的性能。本发明的目的之二是提供一种基于铁电材料的波导T型混合结的设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于铁电材料的波导T型混合结，包括第一输入波导、第二输入波导和分别与第一输入波导、第二输入波导垂直设置的输出波导，所述第一输入波导与第二输入波导具有180°相移；位于第一输入波导/第二输入波导至输出波导的路径上设置有铁电矩形基片单元；所述铁电矩形基片单元包括多个沿波输入方向周期性排列的多个铁电矩形基片。
进一步，所述多个铁电矩形基片的中心在同一条直线上。
进一步，所述铁电矩形基片包括若干个依次排列的叉指结构，每个叉指结构通入可调的直流偏压；所述叉指结构包括上叉指结构和下叉指结构，所述上叉指结构和下叉指结构都包括第一叉指部分和第二叉指部分；所述第一叉指部分包括多个相互平行且均匀排列的第一条状叉指单元，且多个相互平行的第一条状叉指单元之间通过一个与第一条状叉指单元相互垂直的第一条状微带线连接；所述第二叉指部分包括多个相互平行且均匀排列的第二条状叉指单元，且多个相互平行的第二条状叉指单元之间通过一个与第二条状叉指单元相互垂直的第二条状微带线连接；所述第一条状叉指单元与第二条状叉指单元两两交错排列；上叉指结构和下叉指结构的两端连接。
进一步，与叉指结构的直流偏压输入端相对的端上设置有窄带线。
进一步，所述铁电矩形基片的基材采用介电常数为240且厚度为0.01mm的铁电钛酸锶钡薄膜铁电材料。
进一步，所述多个铁电矩形基片设置于第一输入波导/第二输入波导的内壁上。
本发明的目的之二是提供一种基于铁电材料的波导T型结的设计方法，包含以下步骤：
步骤1、将多个铁电矩形基片设置在T型结的第二输入波导的内壁上；
步骤2、调节第二输入波导内的多个铁电矩形基片，使其与第一输入波导的相位差为180度；
步骤3、通过调整第二输入波内的多个铁电矩形基片的直流偏压，来灵活调整输入波导中信号传输的相位，实现相位可调的设计；
步骤4、第一输入波导和第二输入波导的输入信号在输出波导中合成，通过波导端口输出。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明在波导T型结内部采用铁电材料，整个波导结构简单并易加工；通过调整周期性排列的铁电交指基片的大小及基片之间的间距，实现180度相移的功能；通过调整铁电材料的直流偏置电压，实现灵活输入波的相位变化，通过以上方式，提高毫米波相控阵雷达通信系统的性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明基于铁电材料的波导T型混合结的整体结构示意图；
图2为本发明铁电交指基片的结构图；
图3为本发明基于铁电材料的波导T型混合结设计流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，基于铁电材料的波导T型混合结，包括第一输入波导1、第二输入波导2和分别与第一输入波导、第二输入波导垂直设置的输出波导3，所述第一输入波导与第二输入波导具有180°相移；第一输入波导1和第二输入波导2的功率合成后由输出波导输出；位于第一输入波导/第二输入波导至输出波导的路径上设置有铁电矩形基片单元；所述铁电矩形基片单元包括多个沿波输入方向周期性排列的多个铁电矩形基片11，所述多个铁电矩形基片的中心在同一条直线上，铁电矩形基片11之间的间距根据相位要求仿真设计。通过调整铁电材料的直流偏压，实现灵活改变波导2的传输相位的功能。
如图2所示，在本实施例中，铁电矩形基片包括三个铁电叉指结构，每个叉指结构都接一条窄带微带线连接波导壁接地，铁电叉指结构通入可调的直流偏压。该叉指结构包括上叉指结构和下叉指结构，所述上叉指结构和下叉指结构都包括第一叉指部分和第二叉指部分；所述第一叉指部分包括多个相互平行且均匀排列的第一条状叉指单元21，且多个相互平行的第一条状叉指单元之间通过一个与第一条状叉指单元相互垂直的第一条状微带线22连接；所述第二叉指电极包括多个相互平行且均匀排列的第二条状叉指单元211，且多个相互平行的第二条状叉指单元之间通过一个与第二条状叉指单元相互垂直的第二条状微带线212连接；所述第一条状叉指单元与第二条状叉指单元两两交错排列；上叉指结构和下叉指结构的两端连接。与叉指结构的直流偏压输入端相对的端上设置有窄带线。
第一/第二叉指单元的长度为l，宽度为w，间距为s，窄带线长度为l1，宽度为w1，铁电矩形基片长度为y，铁电矩形基片之间的距离为x。铁电矩形基片BST的基材厚度为0.01mm，金属厚度为0.035mm，介电常数为240。
一种基于铁电材料的波导T型结，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、将多个铁电矩形基片设置在T型结的第二输入波导2的内壁上；
步骤2、调节第二输入波导内的多个铁电矩形基片，使其与第一输入波导的相位差为180度；
步骤3、通过调整第二输入波内的多个铁电矩形基片的直流偏压，来灵活调整输入波导中信号传输的相位，实现相位可调的设计；
步骤4、第一输入波导1和第二输入波导2的输入信号在输出波导中合成，通过输出波导3端口输出。
所述的步骤3中第一输入波导与第二输入波导的信号的相位差，可以通过周期性排列的铁电矩形基片11的间距，以及灵活调整每个铁电交指矩形基片的直流偏压来实现。
将周期排列的铁电矩形基片放入波导中，通过导电胶将铁电矩形结构粘在波导内壁。影响第二输入波导2相位的关键部分是铁电矩形基片11的尺寸和铁电矩形基片11之间的间距，要保证180°相位差，需要兼顾铁电矩形基片11的尺寸和铁电矩形基片11之间的间距，因此根据要求可以进行取舍。另外通过改变周期性排列的铁电矩形基片11的直流偏压，改变BST的介电常数，对相位进行微调，实现灵活调整输入波相位的作用。
实施例：铁电材料是采用铁电钛酸锶钡薄膜铁电材料(barium strontiumtitanate，BST)，介电常数240，介质厚度0.01mm，金属厚度0.035mm。通过优化设计，如图2所示，当第一/第二叉指单元的长度l为0.7mm，宽度w为0.5mm，间距s为0.4mm，窄带线长度l1为0.5mm，宽度w1为0.2mm，铁电矩形基片的长度y为3mm，铁电矩形基片之间的距离x为1mm。铁电矩形基片的直流偏压为130V时，相对于波导1输入波，波导2输入波的相位差能够保持180°。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于铁电材料的波导T型混合结，其特征在于：包括
第一输入波导(1)、第二输入波导(2)和分别与第一输入波导、第二输入波导垂直设置的输出波导(3)，所述第一输入波导与第二输入波导具有180°相移；位于第一输入波导/第二输入波导至输出波导的路径上设置有铁电矩形基片单元；所述铁电矩形基片单元包括多个沿波输入方向周期性排列的多个铁电矩形基片(11)；
所述多个铁电矩形基片的中心在同一条直线上；
所述铁电矩形基片(11)包括若干个依次排列的叉指结构，每个叉指结构通入可调的直流偏压；
所述叉指结构包括上叉指结构和下叉指结构，所述上叉指结构和下叉指结构都包括第一叉指部分和第二叉指部分；所述第一叉指部分包括多个相互平行且均匀排列的第一条状叉指单元(21)，且多个相互平行的第一条状叉指单元之间通过一个与第一条状叉指单元相互垂直的第一条状微带线(22)连接；所述第二叉指部分包括多个相互平行且均匀排列的第二条状叉指单元(211)，且多个相互平行的第二条状叉指单元之间通过一个与第二条状叉指单元相互垂直的第二条状微带线(212)连接；所述第一条状叉指单元与第二条状叉指单元两两交错排列；上叉指结构和下叉指结构的两端连接；
与叉指结构的直流偏压输入端相对的端上设置有窄带线。
2.根据权利要求1所述的基于铁电材料的波导T型混合结，其特征在于：所述铁电矩形基片(11)的基材采用介电常数为240且厚度为0.01mm的铁电钛酸锶钡薄膜铁电材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于铁电材料的波导T型混合结，其特征在于：所述多个铁电矩形基片设置于第一输入波导/第二输入波导的内壁上。
4.一种基于铁电材料的波导T型结的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、将多个铁电矩形基片设置在T型结的第二输入波导的内壁上；
步骤2、调节第二输入波导内的多个铁电矩形基片，使其与第一输入波导的相位差为180度；
步骤3、通过调整第二输入波内导 的多个铁电矩形基片的直流偏压，来灵活调整输入波导中信号传输的相位，实现相位可调的设计；
步骤4、第一输入波导和第二输入波导的输入信号在输出波导中合成，通过波导端口输出。
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