CN107026305A - 基于基片集成波导的微波延迟线 - Google Patents

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陈海东
车文荃
侯文杰
张天羽
冯文杰
曹越
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的微波延迟线，包括多个延迟单元，每个延迟单元由基态和延迟态组成，基态和延迟态为两段不同长度的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面、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两排金属柱线列；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态和延迟态通过开关元件进行切换，多个延迟单元的开关元件之间通过微带线连接，且微带线作为微波延迟线的输入和输出传输线。本发明解决了当前雷达系统中体积庞大、损耗大以及电路容易受干扰的问题，结构简单，能够满足工程应用需求。

Description

基于基片集成波导的微波延迟线
技术领域
本发明涉及微波延迟线领域，尤其涉及一种基于基片集成波导的微波延迟线。
背景技术
在相控阵雷达方面，为提高抗干扰能力、分辨力以及多目标雷达成像的能力，都要求瞬时信号有大的带宽，而传统相控阵雷达的天线阵列孔径效应和孔径渡越时间限制了雷达信号的瞬时带宽，使其无法满足宽带通信和雷达技术的应用。为此，应在天线阵列单元或各子阵级别上采用实时延迟线，取代传统相控阵雷达中的移相器。传统的延迟线是由波导或同轴电缆实现的，对于一个口径20米的大型相控阵天线，在扫描角为60°时，用于抵消孔径时间的TTD的延迟线长度约为17米，如此长的波导或同轴电缆，不但会增加损耗而且工程实现也很困难。随着科技的发展，集成化、小型化电路成为微波系统中的首要标准，因此传统的延迟线逐渐被基于LTCC的多层微带延迟线所取代，如文献1(Y.Yao,X.Zhang,J.Hu,etal.Ka-band 3D meander stripline delay line using LTCC[J].2012 IEEEInternational Workshop on Electromagnetics Applications and StudentInnovation,2012,pp.1～4.)，与基于电磁带隙等谐振结构的延迟线相比，开关线型的延迟线原理简单，对电路工艺要求也比较低。
开关线式延迟线的工作原理与开关移相器完全一样，都是利用开关选取不同的路线来达到移相或延迟的目的，只是开关移相器的开关路线相位差较小，不超过360°，而延迟线的开关路线一般较长，多为工作波长的整数倍。一般的延时单元由两个单刀双掷开关、延迟线和一段微带线组成，通过开关选通延迟线或该段短微带线，实现延时差。因此本专利同样适用于微波移相器。
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，因此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2(“Integrated microstrip and rectangularwaveguide in planar form”,IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.,Vol.11,No.2,2001,pp.68-70)和文献3(“A Planar Magic-T Using Substrate Integrated CircuitsConcept,”IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.,Vol.18,No.6,2008,pp386-388)，都比较详细地介绍了采用基片集成波导这类新技术来设计的新型微波毫米波平面无源电路。但是，对于多层基片集成波导，特别是接近20来层的电路，目前在业内尚属空白。一般而言，利用传输线作为延迟结构往往需要很大尺寸的传输线，如利用PCB多层板工艺来实现会使得电路尺寸很大，利用带状线来实现则会使得线间耦合严重，层间互连的不连续性也会造成匹配变差，驻波较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导的微波延迟线。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于基片集成波导的微波延迟线，包括多个延迟单元，每个延迟单元由基态和延迟态组成，基态和延迟态为两段长度不同的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面、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两排金属柱线列；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态和延迟态通过开关元件进行切换，多个延迟单元的开关元件之间通过微带线连接，且微带线作为微波延迟线的输入和输出传输线。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的基片集成波导延迟线，带宽可以从5％到15％以上，满足工程需求；(2)本发明可以解决基片集成波导功分器的隔离问题，降低电路之间的电磁干扰；(3)本发明可以解决传统微带线形式电路的功率容量问题；(4)本发明电路指标相对稳定，满足特定条件下的需求；(5)本发明结构设计简单易行，可以采用常规的LTCC制作工艺，或者多层印制板工艺，具有成本优势；(6)本发明设计简单，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为集成波导结构示意图。
图2为开关线型延迟单元原理示意图。
图3为本发明的两位集成波导延迟线布局图。
图4为本发明的集成波导延迟线单元剖面图。
图5为基态和延迟态多层传输剖面示意图。
图6(a)为本发明基片集成波导延迟线的耦合过渡爆炸示意图，图6(b)为金属柱和开缝位置示意图，图6(c)为两层基片集成波导侧视图。
图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为本发明延时态设计方法1中的基态、两个波长延迟和四个波长延迟图。
图8(a)、图8(b)和图8(c)分别为本发明延时态设计方法2中的基态、两个波长延迟和四个波长延迟图。
图9为本发明的输入回波损耗仿真结果示意图。
图10为本发明的输出回波损耗仿真结果示意图。
图11为本发明的插入损耗仿真结果示意图。
图12为本发明的延迟仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，基片集成波导结构包括上层金属面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根据已有公式(1)-(2)计算:
R＜0.1λg,W＜4R,R＜0.2a (2)
其中a′为SIW的宽度，R为金属柱半径，W为相邻金属柱的间距，a为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。
图2为典型的延迟单元原理图，它是一种开关线型结构，通过控制开关在两条物理长度为L1和L2的传输路径之间进行切换，其中的一条传输线的相移值为基态，另外一条传输线的相移值为延迟态，由于两条传输路径的电长度不同，所以两个状态的输出会有相位差，从而实现了移相延迟。传输长度的不同而导致的移相量为：
式中Δφ是移相量，β是传播常数，λg是导波波长，f是频率，vp是相速，由上式可知，移相量和频率、相速相关。微带线中传播准TEM模，相速近似恒定，因此微带结构的开关线型移相量和频率成线性关系。
如图3所示，本发明的一种基于基片集成波导的微波延迟线，包括多个延迟单元6，每个延迟单元6由基态9和延迟态10组成，基态9和延迟态10为两段不同长度的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面1、中间介质板2、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之间设置两排金属柱线列4；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态9和延迟态10通过开关元件5进行切换，多个延迟单元的开关元件5之间通过微带线8连接，且微带线8作为微波延迟线的输入和输出传输线。
所述开关元件5为PIN管、MEMS开关或单刀双掷开关，每个延迟单元6包括两个开关元件，分别设置在多层基片集成波导传输线的顶面和底面，如图4所示。
上下两侧基片集成波导传输线之间采用槽耦合7或孔耦合。
所述基片集成波导延迟线每层的上层金属面1和下层金属面3外表面之间的距离为0.05mm、0.1mm、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0.05～0.5mm,每两个金属柱之间的距离为0.1～2mm。
基态和延迟态的不同点在于基片集成波导的传输线长度不一样，其结构示意图如图5所示，输入输出端口采用微带线结构，即通过微带与SIW过渡结构进入SIW传输线，上下两层SIW间的耦合通过图6所示在两层之间的金属上开缝来实现，该结构上下对称，最后电磁波经过底层SIW过渡到微带，再由单刀双掷开关输出。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
本实施例的工作频率为10GHz，满足X波导雷达系统的要求，介质基片用FerroA6M，厚度0.096mm，圆柱通孔半径R取0.15mm，根据LTCC工艺要求阵列孔间距为5倍孔半径，即孔间距P取0.75mm，根据计算，SIW宽度约为12.4mm，这里SIW宽度a'取10mm，根据工艺要求L应大于0.75mm。本实例延迟线一共包括两个延迟单元，分别是2λ与4λ单元，每个延迟单元由一个基态与一个延迟态组成，这是一种开关线型的延迟结构，通过每一个延迟单元中单刀双掷开关切换基态与延迟态。
本实例基片集成波导延迟线采用的LTCC是20层生胚叠积的工艺，其延时态的设计有两种方法：
方法1：除去电路顶层与底层，耦合缝间距变化半波长的1/18，整个传输线相应变化半波长，如图7所示，选定基态的耦合缝距离后，使耦合缝间距增加半波长的1/9就可以实现一个波长的延迟，耦合缝间距增加2/9个半波长就可以实现两个波长的延迟，以此类推。
方法2：选定基态耦合缝距离后，增加特定层的耦合缝距离，使特定层传输线多出半波长，同样可以达到目标延迟；根据图8给出的剖面图，方法1随着延迟位的增加，延迟传输线的一边所占面积会增加，而中间有很大一部分空白部分无法被利用；方法2结合LTCC的特点，充分利用单刀双掷开关和微带SIW过渡结构下方空间，使延迟态除了多出延迟的部分，其他与基态相同。为了减小失配，多出的半波长最好设计成上下对称的形式。
方法1和方法2灵活应用，比如在实现1个波长延迟时，方法2并不适合，因为1个波长占据的面积并不大，这时候就可以用方法1来实现。在设计大延迟位时，方法2中随着中间层使用增多，有可能会导致特定层SIW传输线和微带线的地相冲突，这时候就要将方法1和方法2结合起来使用。另外，根据实际情况，各个状态相位的微小差异可以通过调节顶层和底层传输线长度来调整。
本实施例仿真过程中的结果见图9-图12。仿真结果表明输入输出4个状态回波损耗都大于18dB，插入损耗最大值小于9.5dB，状态内插入损耗起伏小于0.2dB，中心频率延迟依次是0.34ns、0.68ns、1.01ns，各状态内延迟起伏小于9％。
以上所述为本发明所提出的基片集成波导延迟线的设计方法和具体实例设计。设计实例的结果表明：本发明基片集成波导延迟线可以满足小型化、集成化、高功率、高隔离的实际需求，体积小，重量轻，适合应用于各种需要大相位延时的实际系统中，同时作为一种新技术也可以用在小相位的移相器中。

Claims (6)

1.一种基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，包括多个延迟单元(6)，每个延迟单元(6)由基态(9)和延迟态(10)组成，基态(9)和延迟态(10)为两段长度不同的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面(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)之间设置两排金属柱线列(4)；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态(9)和延迟态(10)通过开关元件(5)进行切换，多个延迟单元的开关元件(5)之间通过微带线(8)连接，且微带线(8)作为微波延迟线的输入和输出传输线。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，所述开关元件(5)为PIN管、MEMS开关或单刀双掷开关，每个延迟单元(6)包括两个开关元件，分别设置在多层基片集成波导传输线的顶层上表面和底层下表面。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，上下两层基片集成波导传输线之间采用槽耦合或孔耦合。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，每层基片集成波导传输线的上层金属面(1)和下层金属面(3)外表面之间的距离为0.05mm、0.1mm、0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
5.根据权利要求1或4所述的基片集成波导延迟线，上层金属面(1)和下层金属面(3)之间的中间介质板(2)的介电常数为2-20。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，所述金属柱的半径为0.05～0.5mm,每两个金属柱之间的距离为0.1～2mm。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113839165A (zh) * 2021-09-16 2021-12-24 中国科学院空天信息研究院粤港澳大湾区研究院 用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构
CN114567280A (zh) * 2021-12-23 2022-05-31 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种高性能小型化ltcc延时器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201898182U (zh) * 2010-11-01 2011-07-13 西安空间无线电技术研究所 一种多层1/4模基片集成波导滤波器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201898182U (zh) * 2010-11-01 2011-07-13 西安空间无线电技术研究所 一种多层1/4模基片集成波导滤波器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
侯文杰: "移相延迟电路的分析与设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113839165A (zh) * 2021-09-16 2021-12-24 中国科学院空天信息研究院粤港澳大湾区研究院 用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构
CN114567280A (zh) * 2021-12-23 2022-05-31 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种高性能小型化ltcc延时器

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