CN106329035A - 复合左右手结构宽带移相器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合左右手结构宽带移相器，从下之上依次包括背面覆铜层、介质基板、正面电路，正面电路包括P1区、P2区、P3区，P2区包括两个复合左右手结构移相单元，每个单元包括中间的交指部分、焊盘、金属化通孔，两个复合左右手结构移相单元之间通过右手传输线连接；P1区是威尔金森功分器，威尔金森功分器的两个输出端分别连接P2区和P3区，隔离电阻跨接在P2区和P3区之间；P3区是右手传输线移相单元，右手传输线移相单元为右手传输线，P3区输出端口port3和P2区的输出端口port2对齐；本发明含有新型的复合左右手移相单元，与传统移相器相比，能够实现宽带移相，如果采用MEMS技术的话，该结构移相器可以微型化运用于薄膜集成电路。

Description

复合左右手结构宽带移相器

技术领域

本发明属于微波电路领域，具体涉及一种复合左右手结构宽带移相器。

背景技术

微波移相器是微波技术领域中的常见器件，在多种场合具有广泛的应用，如雷达系统，卫星通信系统，电子对抗系统和相控阵天线阵列等。作为一种微波无源两端口器件，微波移相器使信号在两个端口间传输时产生一定的相移。按相位变化的不同，移相器可分为模拟式和数字式两类。前者的相位变化是连续的，而后者的相位则只有若干个固定位。按构成移相器的材料和结构不同又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。微波移相器作为相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件，要求其移相的数值精确、性能稳定、频带和功率容量足够、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等，它的性能直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度，以及系统的重量、体积和成本。

现有的移相器中，大多数采用一段传输线来产生相移，例如想在很多MEMS移相器就是采用此结构，该方法结构简单，能够产生任意度数的相移，但是，由于普通传输线的相移随着频率变化而变化的，所以只能在很窄的频段内产生要求相移。随着现在电子通信对带宽要求越来越宽，这种移相结构越来越不能满足要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种复合左右手结构宽带移相器，采用新型复合左右手结构来移相，采用两路移相方案，实现宽带内相移恒定的目标。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种复合左右手结构宽带移相器，从下之上依次包括背面覆铜层、介质基板、正面电路3，所述正面电路包括P1区、P2区、P3区：

P2区包括两个复合左右手结构移相单元，每个单元包括中间的交指部分、交指部分两端的焊盘、焊盘上的金属化通孔，两个复合左右手结构移相单元之间通过右手传输线连接，两复合左右手结构移相单元之间的右手传输线长度为L；

P1区是威尔金森功分器，包括隔离电阻，威尔金森功分器的两个输出端分别连接P2区和P3区，隔离电阻跨接在P2区和P3区之间用于增加P2和P3的隔离度；

P3区是右手传输线移相单元，所述右手传输线移相单元为右手传输线，P3区输出端口port3和P2区的输出端口port2对齐；且3个区的移相度数需满足：

Φ_ph＝Φ_CRLH-Φ_RH (1)

其中，Φ_ph为本发明的移相器总的移相度数，Φ_CRLH为P2区的总移相度数，Φ_RH为P3区的移相度数；P2区的总移相度数Φ_CRLH通过下述公式得到：

Φ_CRLH＝Φ_CRLH1+Φ_L+Φ_CRLH2 (2)

其中，Φ_CRLH为P2区的总移相度数，Φ_CRLH1是第一个复合左右手结构移相单元的移相度数；Φ_CRLH2是第二个复合左右手结构移相单元的移相度数；Φ_L为P2区的长度为L的右手传输线的移相度数；L通过下式计算得到：

$L=\frac{{\mathrm{\Φ}}_L}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(3\right)$

其中，λ_g为P2区里的右手传输线里的波导波长；

P3区的右手传输线的长度L_RH通过下式计算得到：

$L_{RH}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{RH}}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(4\right)$

其中，Φ_RH为P3区的移相度数；λ_g为P3区里的右手传输线里的波导波长。

移相器由一威尔金森功分器将输入信号一分为二，一路经过两个复合左右手结构移相单元得到一输出信号S1，另一路经过一普通右手传输线移相得到输出信号S2，两路输出信号S1、S2的相位差即为最后的移相度数，两个复合左右手移相单元之间的长度为L的普通右手传输线有相位调节作用。

焊盘上的金属化通孔同时具有屏蔽功能。

作为优选方式，P3区的右手传输线为带有弯曲结构的右手传输线。这样在保证总物理长度的情况下可节省空间。

作为优选方式，P3区的右手传输线为U型弯曲的右手传输线。

作为优选方式，所述各金属通孔的直径都小于λ_g/8，λ_g为本移相器的波导波长。通孔直径小于λ_g/8，才能实现良好的接地。

作为优选方式，焊盘的长度和宽度大于金属化通孔的直径。

作为优选方式，金属化通孔是指孔壁上用化学镀或电镀方法镀上一层导电金属的孔。

作为优选方式，介质基板的材料为罗杰斯5880。

作为优选方式，交指部分长度为λ_g/8到λ_g/4之间，λ_g为本移相器的波导波长。

本发明的工作原理如下：本发明原理如图4所示，输入信号通过威尔金森功分器一分为二，一路通过复合左右手传输线，得到的色散曲线Φ_CRLH如图3上面的弯曲曲线所示，另外一路通过传统右手传输线，得到的色散曲线Φ_RH如图3下面的直曲线所示，从图3中可知在很宽的频率范围内Φ_CRLH-Φ_RH变化不大，利用P2区的复合左右手(CRLH)传输线和传统右手(RH)传输线相移特性的不同，可以实现宽带移相器。由于单个复合左右手结构移相单元移相最大度数有限，所以本发明级联两个复合左右手结构移相单元，在两个复合左右手结构移相单元之间有一段普通的右手传输线，其长度为L，加入一段长度为L的传统右手传输线起到了相位调节的作用。

本发明的有益效果为：本发明含有新型的复合左右手移相单元，与传统移相器相比，能够实现宽带移相。同时，如果采用MEMS技术的话，该结构移相器可以微型化运用于薄膜集成电路。

附图说明

图1为本发明的层状结构图。

图2为本发明的结构俯视图。

图3为本发明移相器色散图。

图4为本发明移相器原理框图。

图5为本发明的一个实施例的复合左右手移相单元的尺寸图。

图6为本发明作为22.5度移相器的实施例的移相度数仿真结果。

图7为本发明作为45度移相器的实施例的移相度数仿真结果。

图8为本发明作为67.5度移相器的实施例的移相度数仿真结果。

图9为本发明作为90度移相器的实施例的移相度数仿真结果。

图10为本发明作为22.5度移相器的实施例的移相度数测试结果。

图11为本发明作为45度移相器的实施例的移相度数测试结果。

图12为本发明作为67.5度移相器的实施例的移相度数测试结果。

图13为本发明作为90度移相器的实施例的移相度数测试结果。

其中，1为背面覆铜层，2为介质基板，3为正面电路，4为焊盘，5为金属化通孔，6为交指部分，7为隔离电阻，8为P2区里的右手传输线，9为P3区的右手传输线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种复合左右手结构宽带移相器，从下之上依次包括背面覆铜层1、介质基板2、正面电路3，所述正面电路3包括P1区、P2区、P3区：

P2区包括两个复合左右手结构移相单元，每个单元包括中间的交指部分6、交指部分6两端的焊盘4、焊盘4上的金属化通孔5，两个复合左右手结构移相单元之间通过右手传输线8连接，两复合左右手结构移相单元之间的右手传输线长度为L；

P1区是威尔金森功分器，包括隔离电阻7，威尔金森功分器的两个输出端分别连接P2区和P3区，隔离电阻7跨接在P2区和P3区之间用于增加P2和P3的隔离度；

P3区是右手传输线移相单元，所述右手传输线移相单元为右手传输线9，P3区输出端口port3和P2区的输出端口port2对齐；且3个区的移相度数需满足：

Φ_ph＝Φ_CRLH-Φ_RH (1)

其中，Φ_ph为本发明的移相器总的移相度数，Φ_CRLH为P2区的总移相度数，Φ_RH为P3区的移相度数；P2区的总移相度数Φ_CRLH通过下述公式得到：

Φ_CRLH＝Φ_CRLH1+Φ_L+Φ_CRLH2 (2)

其中，Φ_CRLH为P2区的总移相度数，Φ_CRLH1是第一个复合左右手结构移相单元的移相度数；Φ_CRLH2是第二个复合左右手结构移相单元的移相度数；Φ_L为P2区的长度为L的右手传输线的移相度数；L通过下式计算得到：

$L=\frac{{\mathrm{\Φ}}_L}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(3\right)$

其中，λ_g为P2区里的右手传输线里的波导波长；

P3区的右手传输线的长度L_RH通过下式计算得到：

$L_{RH}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{RH}}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_g$

其中，Φ_RH为P3区的移相度数；λ_g为P3区里的右手传输线里的波导波长。

移相器由一威尔金森功分器将输入信号一分为二，一路经过两个复合左右手结构移相单元得到一输出信号S1，另一路经过一普通右手传输线移相得到输出信号S2，两路输出信号S1、S2的相位差即为最后的移相度数，两个复合左右手移相单元之间的长度为L的普通右手传输线有相位调节作用。

焊盘4上的金属化通孔5同时具有屏蔽功能。

P3区的右手传输线为带有弯曲结构的右手传输线。这样在保证总物理长度的情况下可节省空间。

P3区的右手传输线为U型弯曲的右手传输线。

所述各金属通孔的直径都小于λ_g/8，λ_g为本移相器的波导波长。通孔直径小于λ_g/8，才能实现良好的接地。

焊盘4的长度和宽度大于金属化通孔5的直径。

金属化通孔是指孔壁上用化学镀或电镀方法镀上一层导电金属的孔。

介质基板2的材料为罗杰斯5880。

交指部分6长度为λ_g/8到λ_g/4之间，λ_g为本移相器的波导波长。

本实施例的工作原理如下：如图4所示，输入信号通过威尔金森功分器一分为二，一路通过复合左右手传输线，得到的色散曲线Φ_CRLH如图3上面的弯曲曲线所示，另外一路通过传统右手传输线，得到的色散曲线Φ_RH如图3下面的直曲线所示，从图3中可知在很宽的频率范围内Φ_CRLH-Φ_RH变化不大，利用P2区的复合左右手(CRLH)传输线和传统右手(RH)传输线相移特性的不同，可以实现宽带移相器。由于单个复合左右手结构移相单元移相最大度数有限，所以本发明级联两个复合左右手结构移相单元，在两个复合左右手结构移相单元之间有一段普通的右手传输线，其长度为L，加入一段长度为L的传统右手传输线起到了相位调节的作用。

滤波器的俯视图结构图如图2所示。图6为本发明作为22.5度移相器的实施例的移相度数仿真结果。图7为本发明作为45度移相器的实施例的移相度数仿真结果。图8为本发明作为67.5度移相器的实施例的移相度数仿真结果。图9为本发明作为90度移相器的实施例的移相度数仿真结果；从图中可以看出，该移相器器的中心频率14GHz，通带4GHz，相对带宽28％，为宽带移相器器。图10到图13为该移相器器的测试结果，通过测试结果与仿真结果对比可以看出，该滤波器能够满足宽带移相要求。

从测试结果来看，本发明能够在很宽的频带内保持一个固定相移，要说明的是仿真图上面的相位突变是由于软件显示的原因，相位是不可能突变的，从测试结果上也可以看出相位是连续的。如果对这个结构尺寸进一步优化，将会得到更好的移相相位平坦度。

本实施例对基板层厚度，材料没有具体要求，可根据具体情况进行设计，常见低损耗射频介质板均可满足要求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：从下之上依次包括背面覆铜层、介质基板、正面电路，所述正面电路包括P1区、P2区、P3区：

P2区包括两个复合左右手结构移相单元，每个单元包括中间的交指部分、交指部分两端的焊盘、焊盘上的金属化通孔，两个复合左右手结构移相单元之间通过右手传输线连接，两复合左右手结构移相单元之间的右手传输线长度为L；

P1区是威尔金森功分器，包括隔离电阻，威尔金森功分器的两个输出端分别连接P2区和P3区，隔离电阻跨接在P2区和P3区之间用于增加P2和P3的隔离度；

P3区是右手传输线移相单元，所述右手传输线移相单元为右手传输线，P3区输出端口port3和P2区的输出端口port2对齐；且3个区的移相度数需满足：

Φ_ph＝Φ_CRLH-Φ_RH (1)

其中，Φ_ph为本发明的移相器总的移相度数，Φ_CRLH为P2区的总移相度数，Φ_RH为P3区的移相度数；P2区的总移相度数Φ_CRLH通过下述公式得到：

Φ_CRLH＝Φ_CRLH1+Φ_L+Φ_CRLH2 (2)

其中，Φ_CRLH为P2区的总移相度数，Φ_CRLH1是第一个复合左右手结构移相单元的移相度数；Φ_CRLH2是第二个复合左右手结构移相单元的移相度数；Φ_L为P2区的长度为L的右手传输线的移相度数；L通过下式计算得到：

$L=\frac{{\mathrm{\Φ}}_L}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(3\right)$

其中，λ_g为P2区里的右手传输线里的波导波长；

P3区的右手传输线的总物理长度L_RH通过下式计算得到：

$L_{RH}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{RH}}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(4\right)$

其中，Φ_RH为P3区的移相度数；λ_g为P3区里的右手传输线里的波导波长。

2.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：P3区的右手传输线为带有弯曲结构的右手传输线。

3.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：P3区的右手传输线为U型弯曲的右手传输线。

4.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：所述各金属通孔的直径都小于λ_g/8，λ_g为本移相器的波导波长。

5.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：焊盘的长度和宽度大于金属化通孔的直径。

6.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：金属化通孔是指孔壁上用化学镀或电镀方法镀上一层导电金属的孔。

7.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：介质基板的材料为罗杰斯5880。

8.根据权利要求1所述的复合左右手结构宽带移相器，其特征在于：交指部分长度为λ_g/8到λ_g/4之间，λ_g为本移相器的波导波长。