CN106329036B - 一种基于ltcc的微带线铁氧体移相器 - Google Patents

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Abstract

一种基于LTCC的微带线铁氧体移相器,属于微波通信技术领域。包括微波输入端、输入端匹配微带线、铁氧体基板、位于铁氧体基板之上的蛇形微带线结构、磁化电流线圈、输出端、输出端匹配微带线,所述蛇形微带线结构包括输入蛇形微带线、过渡蛇形微带线和输出蛇形微带线,输入蛇形微带线与过渡蛇形微带线垂直,过渡蛇形微带线与输出蛇形微带线垂直,磁化电流线圈包括第一线圈、第二线圈、第三线圈,分别向输入蛇形微带线、过渡蛇形微带线、输出蛇形微带线施加直流偏置场。本发明微带线铁氧体移相器的蛇形微带线结构由三部分蛇形微带线组成,可实现在不改变直流偏置磁场大小的情况,通过改变各部分蛇形微带线上偏置场的方向实现不同大小的相移量。

Description

一种基于LTCC的微带线铁氧体移相器
技术领域
本发明属于微波通信技术领域,具体涉及一种基于LTCC技术的小型化微带线铁氧体移相器。
背景技术
传统的机械式扫描雷达通过机械转动天线来改变波束的方向,操作不易精确控制,效率低,而相控阵雷达通过移相器来改变波束方向,成为了现如今雷达发展的趋势。为了充分发挥相控阵雷达的优势,具有低损耗、宽频带、大相移量的移相器的研究成为了关键技术。
目前,常见的移相器有铁电移相器、MEMS移相器、半导体移相器以及铁氧体移相器。铁电移相器具有低成本、低功耗和小尺寸等优点,但是微波损耗高;MEMS移相器与铁电移相器相比,具有较低的微波损耗,但其功率容量很低,限制了其广泛应用;半导体移相器的高成本、抗电磁干扰差等缺陷也限制了它的应用范围。铁氧体移相器具有成本低、可靠性高、平均功率容量大、抗干扰能力强、微波损耗低等优点,成为一种可能应用广泛的移相器。然而现有的铁氧体移相器,包括基于波导式的、基片集成波导(SIW)式、带状线和微带线的铁氧体移相器都无法在不改变结构的基础上实现相位的连续变化,只能实现单一的最大相移量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作频带宽、微波损耗低、小型化、可实现多个相移量的基于LTCC技术的微带线铁氧体移相器。
本发明的技术方案如下:
一种基于LTCC的微带线铁氧体移相器,包括微波输入端、输入端匹配微带线3-1、铁氧体基板1、位于铁氧体基板之上的蛇形微带线结构、磁化电流线圈、输出端、输出端匹配微带线3-2,所述蛇形微带线结构包括输入蛇形微带线2-1、过渡蛇形微带线2-2和输出蛇形微带线2-3,所述输入蛇形微带线2-1与过渡蛇形微带线2-2垂直,过渡蛇形微带线2-2与输出蛇形微带线2-3垂直,输入蛇形微带线2-1与输入端匹配微带线3-1连接,输出蛇形微带线2-3与输出端匹配微带线3-2连接,所述磁化电流线圈包括第一线圈4-1、第二线圈4-2和第三线圈4-3,所述第一线圈4-1用于向输入蛇形微带线2-1施加直流偏置场,第二线圈4-2用于向过渡蛇形微带线2-2施加直流偏置场,第三线圈4-3用于向输出蛇形微带线2-3施加直流偏置场。
进一步地,所述输入蛇形微带线和输出蛇形微带线上施加与微带线平行的直流偏置场,所述过渡蛇形微带线上施加与过渡蛇形微带线平行的直流偏置场,即输入蛇形微带线和输出蛇形微带线上施加的直流偏置场与过渡微带线上施加的直流偏置场方向垂直。
进一步地,所述输入蛇形微带线与输出蛇形微带线为轴对称。
进一步地,所述输入蛇形微带线2-1、过渡蛇形微带线2-2和输出蛇形微带线2-3均是由若干相同的四分之一波长线弯曲连接形成。
进一步地,所述输入端匹配微带线3-1、输出端匹配微带线3-2用于匹配50欧姆输入、输出接口。
进一步地,所述铁氧体基板采用LTCC工艺制得。
进一步地,所述铁氧体基板材料选用在低温下具有高旋磁、低矫顽力、高剩磁比和低铁磁共振线宽的尖晶石系铁氧体粉料,如LiZn铁氧体、YIG铁氧体等。
进一步地,所述铁氧体基板的尺寸根据移相器的工作频率和相移量决定,所述输入蛇形微带线、过渡蛇形微带线和输出蛇形微带线的长度、宽度、厚度、间隙和条数等尺寸,可根据移相器的工作频率和相移量确定。
本发明所述移相器的工作原理如下:
将移相器的微波输入端、微波输出端和磁化电流线圈部分分别接到微波电路中,首先在第一线圈4-1、第二线圈4-2和第三线圈4-3中通入大小相同、方向不同的脉冲电流,即可在线圈对应的输入蛇形微带线2-1、过渡蛇形微带线2-2和输出蛇形微带线2-3中产生不同方向的直流偏置场,产生的偏置场使得铁氧体内部磁矩被磁化,磁化方向与偏置场方向一致;然后在微波输入端输入信号,此时铁氧体磁导率转化为张量磁导率(各向异性),相位常数发生变化,从而导致输出端相位相对于输入端相位发生变化,产生相移。可通过改变第一线圈4-1、第二线圈4-2或第三线圈4-3的脉冲电流,得到不同的相移量。
本发明的有益效果为:
1、本发明微带线铁氧体移相器的蛇形微带线结构由三部分蛇形微带线组成,可实现在不改变直流偏置磁场大小的情况下(即在最大磁滞回线上变化),通过改变各部分蛇形微带线上偏置场的方向实现不同大小的相移量,通过各部分蛇形微带线的长度控制移相器的最大相移量。本发明微带线铁氧体移相器保证了每次磁化的磁滞回线都是铁氧体的最大磁滞回线(不是通过改变磁滞回线来控制相移量),有效减小了移相器的磁损耗。
2、本发明微带线铁氧体移相器的蛇形微带线结构由三部分蛇形微带线组成,通过合理设计各部分蛇形微带线的长度、宽度、厚度、间隙和条数等参数,可使移相器工作在奇偶模式,增大相移量,降低微波损耗;本发明铁氧体基板材料采用在低温下烧结的具有高旋磁、低矫顽力、高剩磁比和低铁磁共振线宽的尖晶石系铁氧体粉料,如LiZn铁氧体、YIG铁氧体等,通过LTCC工艺得到。
3、本发明微带线铁氧体移相器的蛇形微带线结构由三部分蛇形微带线组成,每部分蛇形微带线弯曲部分满足介电损耗最小匹配原则;对称的输入蛇形微带线和输出蛇形微带线是为了消除各自的偏置场对另一微带线的影响,过渡蛇形微带线是为了在满足小尺寸要求的同时尽量提高相移量;通过向各部分蛇形微带线上施加不同方向的偏置场可得到不同状态下的移相,通过对各部分蛇形微带线的长度、宽度、厚度、间隙和条数等参数的设计,可控制移相器的最大相移量。
附图说明
图1为本发明微带线铁氧体移相器的整体结构示意图;
图2为实施例微带线铁氧体移相器状态一的相移仿真结果图;
图3为实施例微带线铁氧体移相器状态二的相移仿真结果图;
图4为实施例微带线铁氧体移相器状态三的相移仿真结果图;
图5为实施例微带线铁氧体移相器状态四的相移仿真结果图;
图6为实施例微带线铁氧体移相器的插入损耗仿真结果图;
图7为实施例微带线铁氧体移相器的驻波比仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,详述本发明的技术方案。
实施例
如图1所示,为本发明提供的基于LTCC的微带线铁氧体移相器,包括微波输入端、输入端匹配微带线3-1、铁氧体基板1、位于铁氧体基板之上的蛇形微带线结构、磁化电流线圈、输出端、输出端匹配微带线3-2,所述蛇形微带线结构包括输入蛇形微带线2-1、过渡蛇形微带线2-2和输出蛇形微带线2-3,所述输入蛇形微带线2-1与过渡蛇形微带线2-2垂直,过渡蛇形微带线2-2与输出蛇形微带线2-3垂直,所述输入蛇形微带线与输出蛇形微带线为轴对称,输入蛇形微带线2-1与输入端匹配微带线3-1连接,输出蛇形微带线2-3与输出端匹配微带线3-2连接,所述磁化电流线圈包括第一线圈4-1、第二线圈4-2和第三线圈4-3,所述第一线圈4-1用于向输入蛇形微带线2-1施加直流偏置场,第二线圈4-2用于向过渡蛇形微带线2-2施加直流偏置场,第三线圈4-3用于向输出蛇形微带线2-3施加直流偏置场,所述输入蛇形微带线和输出蛇形微带线上施加与微带线平行的直流偏置场即水平方向上的直流偏置场,所述过渡蛇形微带线上施加与过渡蛇形微带线平行的直流偏置场即垂直方向上的直流偏置场。
进一步地,所述输入端匹配微带线3-1、输出端匹配微带线3-2为形成于Si衬底上的用于匹配蛇形微带线结构与外部50欧姆接口的微带线。
进一步地,所述铁氧体基板材料选用在低温下烧结的具有高旋磁、低矫顽力、高剩磁比和低共振线宽的LiZn铁氧体;铁氧体基板的厚度为0.254mm;通过LTCC工艺的混料、流延、叠片、等静压、烧结等过程制得。
进一步地,所有微带线结构的金属导体图案由LTCC工艺的丝网印刷而成。所述输入端匹配微带线3-1的宽度为0.15mm,长度为0.5mm;输入蛇形微带线2-1由3段相同的微带线构成,每段的长度为0.6mm,宽度为0.1mm,每段之间的间隙为0.2mm;过渡蛇形微带线2-2由4段相同的微带线构成,每段的长度为0.6mm,宽度为0.1mm,每段之间的间隙为0.2mm;输出蛇形微带线2-3由3段相同的微带线构成,每段的长度为0.6mm,宽度为0.1mm,每段之间的间隙为0.2mm;输出端匹配微带线3-2的宽度为0.15mm,长度为0.5mm。
每部分蛇形微带线所需的直流偏置场通过加脉冲电流的磁化电流线圈提供。磁化电流线圈所在位置如图1所示,距离蛇形微带线3~5个波长范围,三部分磁化线圈(导线)4-1、4-2、4-3的长度分别为1.0mm,0.8mm,1.0mm。
进一步地,所述微带线铁氧体移相器的尺寸为长*宽*高=3.8mm*1.75mm*0.254mm,该移相器的尺寸远小于现有的矩形波导型毫米波移相器。
进一步地,将所述移相器的微波输入输出端以及磁化线圈(导线)分别接到微波电路中。当在三部分磁化线圈中分别通入大小相同、方向不同的脉冲电流时,即可在线圈对应的输入蛇形微带线2-1、过渡蛇形微带线2-2和输出蛇形微带线2-3中产生不同方向的直流偏置场(输入蛇形微带线2-1中直流偏置场方向向左,过渡蛇形微带线2-2中直流偏置场方向向上,输出蛇形微带线2-3中直流偏置场方向向左),此时铁氧体基板被磁化饱和;去掉脉冲电流后,铁氧体基板处于剩磁状态,此时输入微波场,由于铁氧体中磁导率变成张量,相位常数会发生变化,将在微波输入端输出端产生相位差(Φ0=-31.1频率点30GHz),如图2所示。
当仅使过渡蛇形微带线上的直流偏置场方向反向时,即输入蛇形微带线2-1中直流偏置场方向向左,过渡蛇形微带线2-2中直流偏置场方向向下,输出蛇形微带线2-3中直流偏置场方向向左,同理,输入输出端将产生另一个相位差Φ1=-66.9,如图3所示。
当仅使输入蛇形微带线和输出蛇形微带线的直流偏置场方向反向时,即输入蛇形微带线2-1中直流偏置场方向向右,过渡蛇形微带线2-2中直流偏置场方向向上,输出蛇形微带线2-3中直流偏置场方向向右,同理,输入输出端将产生另一个相位差Φ2=-83.76,结果如图4所示。
当输入蛇形微带线、过渡蛇形微带线和输出蛇形微带线的直流偏置场均反向时,即输入蛇形微带线2-1中直流偏置场方向向右,过渡蛇形微带线2-2中直流偏置场方向向下,输出蛇形微带线2-3中直流偏置场方向向右,同样的原理,输入输出端将产生另一个相位差Φ3=121.7,结果如图5所示。
实施例得到的移相器中心频率大约为30GHz,带宽~5GHz;通过外部脉冲电流方向的改变就能简单的实现多个相位的变化;另外,通过三个该低微波损耗的移相器,适当地添加或改变脉冲电流方向(大小不变)可以实现360°范围内的多个不同的相位变化。
图6为实施例微带线铁氧体移相器的插入损耗S21仿真结果图;图7为实施例微带线铁氧体移相器的驻波比VSWR仿真结果图。由图6,7可知,实施例铁氧体移相器不仅可实现多个不同相位的移相,同时插入损耗(S21)仅有1.2dB,满足低损耗的要求。
此外,本发明的铁氧体移相器实际工作频率(30GHz)远远高于铁氧体材料的铁磁共振区(fm=μ0γMs/2π=(2.8MHz/Oe)g(4πMsG),根据铁氧体材料的饱和磁化强度4πMs,可得到共振区在~12GHz,可以进一步降低微波损耗。

Claims (5)

1.一种基于LTCC的微带线铁氧体移相器,包括微波输入端、输入端匹配微带线(3-1)、铁氧体基板(1)、位于铁氧体基板之上的蛇形微带线结构、磁化电流线圈、输出端、输出端匹配微带线(3-2),所述蛇形微带线结构包括输入蛇形微带线(2-1)、过渡蛇形微带线(2-2)和输出蛇形微带线(2-3),所述输入蛇形微带线(2-1)与过渡蛇形微带线(2-2)垂直,过渡蛇形微带线(2-2)与输出蛇形微带线(2-3)垂直,输入蛇形微带线(2-1)与输入端匹配微带线(3-1)连接,输出蛇形微带线(2-3)与输出端匹配微带线(3-2)连接,所述磁化电流线圈包括第一线圈(4-1)、第二线圈(4-2)和第三线圈(4-3),所述第一线圈(4-1)用于向输入蛇形微带线(2-1)施加直流偏置场,第二线圈(4-2)用于向过渡蛇形微带线(2-2)施加直流偏置场,第三线圈(4-3)用于向输出蛇形微带线(2-3)施加直流偏置场。
2.根据权利要求1所述的基于LTCC的微带线铁氧体移相器,其特征在于,所述输入蛇形微带线和输出蛇形微带线上施加与输入蛇形微带线和输出蛇形微带线平行的直流偏置场,所述过渡蛇形微带线上施加与过渡蛇形微带线平行的直流偏置场。
3.根据权利要求1所述的基于LTCC的微带线铁氧体移相器,其特征在于,所述输入蛇形微带线与输出蛇形微带线关于所述微带线铁氧体移相器的轴线对称。
4.根据权利要求1所述的基于LTCC的微带线铁氧体移相器,其特征在于,所述输入蛇形微带线(2-1)、过渡蛇形微带线(2-2)和输出蛇形微带线(2-3)均是由若干相同的四分之一波长线弯曲连接形成。
5.根据权利要求1所述的基于LTCC的微带线铁氧体移相器,其特征在于,所述铁氧体基板的尺寸根据移相器的工作频率和相移量决定,所述输入蛇形微带线、过渡蛇形微带线和输出蛇形微带线的长度、宽度、厚度、间隙和条数,根据移相器的工作频率和相移量确定。
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Address before: 611731, No. 2006, West Avenue, Chengdu hi tech Zone (West District, Sichuan)

Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China

Country or region before: China