CN111029687A - 基于pin二极管的三枝节微带线可调移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，包括介质支撑基板，其一侧表面铺设有加载负极的金属电极地层，另一侧表面印制有移相网络层，移相网络层包括实现射频信号的传输的微带传输线和实现移相的微带枝节线，微带枝节线由三根平行放置的枝节线构成，将三个PIN二极管加载在三个枝节线与微带传输线通路之间，通过控制直流偏置电压来调节二极管的通断，进而控制微带枝节线与微带传输线的连接状态，可以实现分离可调的高精度相位调控。本发明相位调节精度高且可控制、成本低、损耗小、质量轻、耐腐蚀、设计简单，可用于有源和无源相控阵雷达、可调波束阵列天线等领域。

Description

基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器
技术领域
本发明涉及一种基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，属于微波器件技术领域。
背景技术
雷达是军事国防上必不可少的关键技术，它可以实现对飞机的探测，追踪。移相器是相控阵雷达中不可缺少一个重要组成部分，可以控制各辐射单元的馈电相位，进而实现对阵列方向图的控制，如波束指向、波束形状、副瓣控制等。但是传统的移相器组件在实现大范围的相位调控和精细的相位步进上，需要采用大量的PIN二极管，而大规模的使用PIN二极管会造成严重散热困难和价格成本上升。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其具体技术方案如下：
基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，包括介质支撑基板，所述介质支撑基板的一侧表面铺设有加载负极的金属电极地层，所述介质支撑基板的另一侧表面印制有移相网络层，所述移相网络层包括微带传输线和微带枝节线，所述微带传输线实现射频信号的传输，所述微带枝节线实现移相，
所述微带枝节线由多根平行放置的枝节线构成，每根所述枝节线和微带传输线之间均放置一根PIN二极管，所述PIN二极管的正极和枝节线连接，所述PIN二极管的负极和微带传输线连接，
所述微带枝节线和微带传输线还连接有用于控制PIN二极管的直流偏置网络，所述直流偏置网络包括与微带枝节线连接的直流正极偏置线和与微带传输线连接的直流负极偏置线，
所述介质支撑基板开设有贯通两侧表面的负极金属化过孔，所述直流负极偏置线穿过金属化过孔与金属电极地层相连，形成直流偏置的负极；
所述介质支撑基板表面开设有正极金属化过孔，所述直流正极偏置线穿过正极金属化过孔连接控制电路。
进一步的，所述微带枝节线由三根平行放置的枝节线构成，微带枝节线的长度、宽度和间距通过仿真软件优选得到，以实现所需相位偏移值。
进一步的，所述直流正极偏置线包括串联的正极蛇形线和扇形线，所述正极蛇形线在射频状态下引入一个电感，所述扇形线在射频状态下等效为一个电容，通过调整正极蛇形线和扇形线的结构参数实现微带传输线两端的阻抗匹配特性。
进一步的，所述直流负极偏置线包括与微带传输线相连的负极蛇形线，所述负极蛇形线在射频工作状态下为高阻抗，防止微带传输线上的射频信号进入，从而降低传输损耗，在直流状态下保证微波传输线为0V的低电位。
进一步的，所述微带枝节线的三根枝节线通过正极蛇形线和扇形线连接到直流正极偏置线，与直流负极偏置线和PIN二极管构成闭合直流馈电网络。
进一步的，所述介质支撑基板由微波介质材料制得。
进一步的，所述金属电极地层和移相网络层均采用PCB印刷电路板技术与光刻刻蚀在介质支撑基板上。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设计了三枝节线移相器，具有结构简单、设计复杂度低的特点。PIN二极管处于截止状态时，微带传输线和微带枝节线断开，传输相位由微带传输线决定；当PIN二极管处于导通状态时，微带传输线和微带枝节线构成移相网络，实现所需的相位偏移。因此，只需要考虑微带枝节线连接时的匹配状态，显著降低设计复杂度。
(2)本发明采用三枝节线匹配结构，具有更大的调节自由度，使得传输电路的阻抗匹配特性更为优良，更容易实现较宽频带的阻抗匹配。
(3)和现有的数字移相器相比，本发明所采用的PIN二极管仅作开关使用，且工作频段范围更广，性能更稳定。
(4)和现有的移相器产品相比，本发明的加工成本更低、移相精度高，通过调整单元结构的尺寸便可设计在不同工作频点的产品，具备良好的通用性。
附图说明
图1为本发明实施例中的整体结构3D示意图，
图2为本发明实施例中的整体结构俯视示意图，
图3为本发明实施例中的仿真优化结果的S11曲线示意图，
图4为本发明实施例中的仿真优化结果的相位示意图，
图中：1—移相网络层，11—微带传输线，12—微带枝节线，121—枝节线，13—直流偏置网络，131—直流正极偏置线，1311—正极蛇形线，1312—扇形线，1313—正极金属化过孔，132—直流负极偏置线，1321—负极蛇形线，1322—负极金属化过孔，14—PIN二极管，2—介质支撑基板，3—金属电极地层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。
如图1所示，本发明的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，包括介质支撑基板2，介质支撑基板2的一侧表面铺设有加载负极的金属电极地层3，介质支撑基板2的另一侧表面印制有移相网络层1，移相网络层1包括微带传输线11和微带枝节线12，微带传输线11实现射频信号的传输，微带枝节线12的长度、宽度和间距通过仿真软件优选得到，以实现所需相位偏移值。
微带传输线11长度和宽度由工作频率、传输阻抗、介质层厚度及介质层的介电常数所决定，微带传输线11连接有直流负极偏置线132，介质支撑基板2开设有贯通两侧表面的负极金属化过孔1322，直流负极偏置线132穿过金属化过孔1322与金属电极地层3相连，形成直流偏置的负极，等同接地效果。
微带枝节线12长度和宽度由工作频率、传输阻抗、介质层厚度、介质层的介电常数、以及所需要调节的相位差值所决定，微带枝节线12由三根平行放置的枝节线121构成，微带枝节线12长度、宽度和间距可通过仿真软件优选得到，以实现所需相位偏移值。每根枝节线121和微带传输线11之间均放置一根PIN二极管14，PIN二极管14的正极和枝节线121连接，PIN二极管14的负极和微带传输线11连接。PIN管须具备寄生效应影响小、发热量小、工作频段宽、可靠性高的技术特点。
微带枝节线12连接直流正极偏置线131，介质支撑基板2表面开设有正极金属化过孔1313，直流正极偏置线131穿过正极金属化过孔1313连接控制电路。
直流负极偏置线132和直流正极偏置线131构成直流偏置网络13，通过直流偏置网络13控制所加载PIN二极管的通断，调控三个枝节线121与微带线的通断状态，进而调节相移的差值。
结合图2，直流正极偏置线131包括串联的正极蛇形线1311和扇形线1312，正极蛇形线1311在射频状态下引入一个电感，扇形线1312在射频状态下等效为一个电容，正极蛇形线1311和扇形线1312用来调整射频信号的阻抗匹配特性，同时不影响直流偏置信号的导通。
直流负极偏置线132包括与微带传输线11相连的负极蛇形线1321，负极蛇形线1321在射频工作状态下为高阻抗，防止微带传输线11上的射频信号进入，从而降低传输损耗，在直流状态下保证微波传输线11为0V的低电位。负极蛇形线1321利用其高频工作状态下的高阻抗特性，减少射频信号的传输损耗。
微带枝节线12的三根枝节线121通过正极蛇形线1311和扇形线1312连接到直流正极偏置线131，与直流负极偏置线132和PIN二极管构成闭合直流馈电网络。
介质支撑基板2由微波介质材料制得，根据工作频段和产品需求选择，微波介质板材的特性决定微带传输线11和枝节线121的长度与宽度。
金属电极地层3和移相网络层1均采用PCB印刷电路板技术与光刻刻蚀在介质支撑基板2上。
根据本发明原理，设计了一个工作在18GHz-21GHz频段实现45度移相器。该实施例中选用了MA4AGFCP910型PIN管，该移相器的回波损耗特性、相移特性分别如图3和图4所示，可以看出通过控制PIN二极管开与关，可以实现精准的相位偏移控制，回波损耗在工作频段范围内可控制在-16dB以下。

Claims (7)

1.基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，包括介质支撑基板(2)，所述介质支撑基板(2)的一侧表面铺设有加载负极的金属电极地层(3)，其特征在于：所述介质支撑基板(2)的另一侧表面印制有移相网络层(1)，所述移相网络层(1)包括微带传输线(11)和微带枝节线(12)，所述微带传输线(11)实现射频信号的传输，所述微带枝节线(12)实现移相，
所述微带枝节线(12)由多根平行放置的枝节线构成，每根所述枝节线和微带传输线(11)之间均放置一根PIN二极管(14)，所述PIN二极管(14)的正极和枝节线连接，所述PIN二极管(14)的负极和微带传输线(11)连接，
所述微带枝节线(12)和微带传输线(11)还连接有用于控制PIN二极管(14)的直流偏置网络(13)，所述直流偏置网络(13)包括与微带枝节线(12)连接的直流正极偏置线(131)和与微带传输线(11)连接的直流负极偏置线(132)，
所述介质支撑基板(2)开设有贯通两侧表面的负极金属化过孔(1322)，所述直流负极偏置线(132)穿过金属化过孔(1322)与金属电极地层(3)相连，形成直流偏置的负极；
所述介质支撑基板(2)表面开设有正极金属化过孔(1313)，所述直流正极偏置线(131)穿过正极金属化过孔(1313)连接控制电路。
2.根据权利要求1所述的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其特征在于：所述微带枝节线(12)由三根平行放置的枝节线(121)构成，枝节线(121)的长度、宽度和间距通过仿真软件优选得到，以实现所需相位偏移值。
3.根据权利要求1所述的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其特征在于：所述直流正极偏置线(131)包括串联的正极蛇形线(1311)和扇形线(1312)，所述正极蛇形线(1311)在射频状态下引入一个电感，所述扇形线(1312)在射频状态下等效为一个电容，通过调整正极蛇形线(1311)和扇形线(1312)的结构参数实现微带传输线(11)两端的阻抗匹配特性。
4.根据权利要求1所述的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其特征在于：所述直流负极偏置线(132)包括与微带传输线(11)相连的负极蛇形线(1321)，所述负极蛇形线(1321)在射频工作状态下为高阻抗，防止微带传输线(11)上的射频信号进入，从而降低传输损耗，在直流状态下保证微波传输线(11)为0V的低电位。
5.根据权利要求2所述的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其特征在于：所述微带枝节线(12)的三根枝节线(121)通过正极蛇形线(1311)和扇形线(1312)连接到直流正极偏置线(131)，与直流负极偏置线(132)和PIN二极管构成闭合直流馈电网络。
6.根据权利要求1所述的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其特征在于：介质支撑基板(2)由微波介质材料制得。
7.根据权利要求1所述的基于PIN二极管的三枝节微带线可调移相器，其特征在于：所述金属电极地层(3)和移相网络层(1)均采用PCB印刷电路板技术与光刻刻蚀在介质支撑基板(2)上。
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