CN107026300A - 基于半模基片集成波导的开关单元 - Google Patents

基于半模基片集成波导的开关单元 Download PDF

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车文荃
陈海东
张天羽
曹越
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Abstract

本发明涉及一种基于半模基片集成波导的开关单元，包括半模基片集成波导和阻抗器，所述半模基片集成波导包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，上层金属面和下层金属面之间设置一排金属柱线列，金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面和下层金属面相接触；所述阻抗器设置在间介质板上，通过开关元件与半模基片集成波导连接。本发明结构简单，体积小，重量轻，适用频率范围广，加工工艺为传统的印制板工艺和普通焊接工艺，成本相对较小。

Description

基于半模基片集成波导的开关单元
技术领域
本发明涉及微波开关单元领域，尤其涉及一种基于半模基片集成波导的开关单元。
背景技术
应用基片集成波导即SIW(Substrate Integrated Waveguide)这类成熟的设计平台来实现的平面结构，融合了矩形波导和微带线的优点，具有体积小、重量轻、相对带宽较宽的优点，同时可承受较高的功率门限，Q值也比较高，理论和实验均表明这类平面结构具有非常突出的优点，可在微波毫米波电路、混合集成电路(HMIC)以及毫米波单片集成电路(MMIC)中得到很好的应用。如文献1(“Integrated microstrip and rectangularwaveguide in planar form”,IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.,Vol.11,No.2,2001,pp.68-70)、文献2(“A Planar Magic-T Using Substrate Integrated Circuits Concept”IEEEMicrowave and Wireless Comp.Lett.,Vol.18,No.6,2008,pp386-388)和文献3(“基片集成波导混合功率分配器馈电对数周期天线,”电波科学学报,2011,26(3),pp.437-442)中，都详细地介绍了采用基片集成波导来设计的新型微波毫米波平面无源电路。
微波开关是现代通信系统中的重要组件，广泛应用于微波通信、电子对抗、频率综合和微波测量等系统中。尽管微波开关的研制技术趋于成熟，然而针对基片集成波导这种发展十多年的新型传输线而言，能够见到的研究成果却非常的少。直到2011年，文献4(X.Ruo Feng,B.S.Izquierdo,and P.R.Young,"Switchable Substrate IntegratedWaveguide,"Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,vol.21,pp.194-196,2011.)第一次公开了一种基于基片集成波导的开关，这种开关通过PIN开关阵列来切换两种不同传输线，即从裂缝基片集成波导(Slotted Substrate Integrated Waveguide,SSIW)切换到HMSIW(Half Mode Substrate Integrated Waveguide)，由于SSIW和HMSIW的截止频率不一样，因此这种单刀单掷(single-pole-single-through,SPST)开关的隔离度非常高，可以达到50dB；但是在开启状态，其损耗达到3dB以上，同时也无法进一步扩展为单刀双掷(ingle-pole-dual-through,SPDT)开关，因此缺点也比较明显。2014年，文献5(L.Inseop and L.Sungjoon,"Substrate-Integrated-Waveguide(SIW)Single-Pole-Double-Throw(SPDT)Switch for X-Band Applications,"Microwave andWireless Components Letters,IEEE,vol.24,pp.536-538,2014.)公开了另外一种基于PIN管的开关，这种电路采用在SIW内部集成金属化柱的方式，通过切换金属化柱的两种状态来改变基片集成波导的状态。这种电路可以实现SPST和SPDT，但是由于其内置的金属化柱即使在导通状态对电路主体的影响都不可避免，随着频率升高后，这种电路将会产生很大的损耗。基于铁氧体材料的开关也分别于2012年和2014年被提出，然而这种电路的通病是体积大，加工工艺复杂，难以满足集成化的需求。
到目前为止，尚未见到任何基于半模基片集成波导的开关电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半模基片集成波导的开关单元。
实现本发明目的技术解决方案为：一种基于半模基片集成波导的开关单元，包括半模基片集成波导和阻抗器，所述半模基片集成波导包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，上层金属面和下层金属面之间设置一排金属柱线列，金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面和下层金属面相接触；所述阻抗器设置在间介质板上，通过开关元件与半模基片集成波导连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明工作原理简单，以现有的基于微带电路的开关作为理论研究的依据；(2)本发明工作频带高，可以从GHz到THz；(3)本发明电路指标相对稳定，同时也可以在生产后进行必要的调试，满足特定条件下的需求；(4)本发明结构设计简单易行，可以采用常规的PCB印制板制作工艺，传统的机加工工艺，以及手工安装手段，经济性突出；(5)本发明设计原理简单，对基片材料几乎没有特殊要求，可以采用所有的微波基板，具有广泛的通用性。
附图说明
图1为本传统基片集成波导匹配结构示意图。
图2为本发明的半模基片集成波导匹配结构示意图。
图3为本发明的基于半模基片集成波导的开关单元结构示意图。
图4为本发明的基于半模基片集成波导的开关单元原理示意图。
图5为本发明在导通和关断两种状态下5GHz处的仿真结果示意图。
图6为本发明的双支节开关单元原理示意图。
图7为本发明的三支节开关单元原理示意图。
图8为本发明的双支节和三支节开关单元仿真结果示意图。
图9为本发明终端开路单支节实现方式示意图。
图10为本发明终端短路单支节实现方式示意图。
图11(a)和图11(b)分别为本发明单支节在终端开路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图。
图12(a)和图12(b)分别为本发明单支节在终端短路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图。
图13(a)和图13(b)分别为本发明双支节在终端开路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图。
图14(a)和图14(b)分别为本发明双支节在终端短路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图。
具体实施方式
本发明中的半模基片集成波导由传统基片集成波导派生而成，如图1所示，传统基片集成波导开关单元包括上层金属面1、中间介质板2、下层金属面3和两排金属柱线列4；其中上层金属面1位于中间介质板2的上表面，底层金属面3位于中间介质板2的下表面，在金属面1或2打两排金属化孔，或填充金属浆料成金属柱；基片集成波导的宽度和金属柱的半径可以根据已有公式(1)-(2)计算:
R＜0.1λg,W＜4R,R＜0.2a (2)
其中a′是SIW的宽度，R是金属柱半径，W是相邻金属柱的间距，a是传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；金属柱半径小于基片集成波导截止波长的1/10，两金属柱之间的间距小于金属柱直径；上层金属面的宽度对应为基片集成波导结构截止频率波长的二分之一以上。
基片集成波导的工作模式是TE10模，而本发明涉及的半模基片集成波导，其工作模式为TE0.5,0模。其主体结构和基片集成波导类似，如图2所示，即包括上层金属面1、中间介质板2、下层金属面3，但是只有一排金属柱线列4；其中上层金属面1位于中间介质板2的上表面，底层金属面3位于中间介质板2的下表面，在上层金属面1和下层金属面3打排金属化孔，或填充金属浆料成金属柱。
如图3所示，本发明的基于半模基片集成波导的开关单元包括半模基片集成波导和阻抗器5，所述半模基片集成波导包括上层金属面1、中间介质板2和下层金属面3，中间介质板2位于上层金属面1和下层金属面3之间，上层金属面1和下层金属面3之间设置一排金属柱线列4，金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面1和下层金属面3相接触；所述阻抗器5设置在间介质板2上，通过开关元件6与半模基片集成波导连接。
进一步的，开关元件6为PIN二极管、MEMS开关或者其它可用于微波切换的开关元件。
阻抗器5为微带传输线，其长度优选的为1/4波导波长。
基片集成波导开关单元的上层金属面1和下层金属面3外表面之间的距离为0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
上层金属面1和下层金属面3之间填充介质材料的介电常数为2-20。
每个金属柱的半径为0.2～0.5mm，每两个金属柱之间的距离为0.2～2mm。
本发明涉及的开关单元基本原理如图4所示，其由一段半模基片集成波导和一段电长度为θ、宽度为w的微带分支线支节组合而成。根据经典的长线理论，在TT’段内，其S参数为
其中Zo和Zs分别为微带分支线的特性阻抗和输入阻抗，当Zs趋近于无穷小时，S11趋近于-1，而S21趋近于0，其电路等效为短路，无能量从输出口输出；而当Zs趋近于无穷大时，S11趋近于0，而S21趋近于1，其电路等效为正常传输，分支线不存在，所有能量从输出口输出。因此，通过改变Zs的值，即可实现电路的开关状态切换。
图5是两种状态在5GHz处的仿真结果，可见在5GHz处，电路可以被有效关断，但是由于微带线是频率相关的，因此工作带宽较窄。
在实际使用中，可通过级联多个开关单元来实现宽带效应，如图6和图7所示，分别是具有两段分支线和三段分支线的开关电路，图6中分支线之间的距离d1和图7中两个相邻分支线距离d2为1/4波导波长，θ1为图6中微带分支线的电长度，θ2和θ3为图7中两条微带分支线的电长度，w1为图6中微带分支线宽度，w2和w3为图7中两条微带分支线宽度。图8是上述两种电路的仿真结果示意图，通过比较图5和图8，采用多段分支线的开关单元能够大大拓展工作带宽，分支线越多，带宽越宽。
本发明的开关单元为了实现分支线的切换，采用两种不同的形式，一种是终端开路，一种是终端短路，分别如图9和图10所示。对于终端开路电路，微带线的长度为1/4导波长时，当PIN开关处在关断状态时，半模基片集成波导和微带线之间形成一个结电容，微带线相当于不存在，电路处于导通状态；当PIN开关处在打开状态时，半模基片集成波导和微带线之间形成一个阻值很小的电阻，Zs趋近于0，电路处于短路状态，能量全部反射。对于终端短路电路，微带线的长度为1/4导波长时，当PIN开关处在开启状态时，微带线之间一段接地，Zs趋近于无穷大，电路处于导通状态；微带线相当于当PIN开关处在关断状态时，微带线终端悬空，Zs趋近于无穷大，电路处于短路状态，能量全部反射。
图11(a)和图11(b)分别为单支节在终端开路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图；图12(a)和图12(b)分别为单支节在终端短路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图。图13(a)和图13(b)分别为双支节在终端开路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图；图14(a)和图14(b)分别为双支节在终端短路下5GHz的S11测试结果和S21测试结果示意图。对于单支节电路，当电路处于关断状态时，20dB隔离度的相对带宽分别为0％和2％。而当电路支节数增加至2时，20dB隔离度的相对带宽分别达到为13.4％和12.6％，在此频率范围内，回波损耗分别大于20dB和24dB，插入损耗为1dB左右。
以上便是本发明所提出的半模基片集成波导开关单元的设计方法和具体应用的实施例，实施例的结果表明：本发明半模基片集成波导开关单元可以满足低插入损耗、高隔离的实际需求，同时体积小，重量轻，适合应用于各种微波、毫米波以及THz系统的集成使用。

Claims (7)

1.一种基于半模基片集成波导的开关单元，其特征在于，包括半模基片集成波导和阻抗器(5)，所述半模基片集成波导包括上层金属面(1)、中间介质板(2)和下层金属面(3)，中间介质板(2)位于上层金属面(1)和下层金属面(3)之间，上层金属面(1)和下层金属面(3)之间设置一排金属柱线列(4)，金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面(1)和下层金属面(3)相接触；所述阻抗器(5)设置在间介质板(2)上，通过开关元件(6)与半模基片集成波导连接。
2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的开关单元，其特征在于，开关元件(6)为PIN二极管或MEMS开关。
3.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的开关单元，其特征在于，阻抗器(5)为微带传输线。
4.根据权利要求3所述的基于半模基片集成波导的开关单元，其特征在于，所述微带传输线的长度为1/4波导波长。
5.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的开关单元，其特征在于，基片集成波导开关单元的上层金属面(1)和下层金属面(3)之间的距离为0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
6.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的微波开关单元，其特征在于，所述中间介质板(2)的介电常数为2-20。
7.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的开关单元，其特征在于，所述金属柱半径为0.2～0.5mm，每两个金属柱之间的距离为0.2～2mm。
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