CN111883882B - 一种等长度基片集成波导移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等长度基片集成波导移相器，属于雷达液位计技术领域。它包括实现在基板上的微带线部和SIW本体两部分构成；所述微带线部由第一矩形部、第一过渡部、第二矩形部、第二过渡部依次连接构成，第一过渡部为等腰梯形，第一过渡上下底边的边长分别等于第一矩形部、第二矩形部的宽，第二过渡部为等腰梯形，第二过渡部上底边的边长等于第二矩形部的宽，第二过渡部下底边与SIW本体中部相连。采用等长结构和单层基板的平面结构，具有结构简单，加工难度低，加工成品率高，生产质量稳定；采用等长的平面结构，方便与其他平面型无源和有源电路集成，能够得到广泛使用。

Description

一种等长度基片集成波导移相器
技术领域
本发明涉及一种等长度基片集成波导移相器，属于雷达液位计技术领域。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一种新型的微波传输线形式，其设计思想来源于传统的波导结构，通过加工在介质基板上的两排金属化通孔，实现类似于金属波导的场传播模式。基片集成波导本身具备了传统金属波导和微带线的优点，方便实现平面电路型的高性能微波毫米波电路结构。
移相器是微波毫米波电路和系统的基本元件之一，尤其是在相控阵系统中得到了广泛的应用。为了降低在一些电路设计时的电路复杂度，加快设计过程，在设计复杂馈电网络时，通常需要使用等长度的SIW移相器。
据相关文献报道，SIW移相器主要有以下几种实现方法。
研究者Yu Jian Cheng等人提出了一种新型的SIW自补偿移相器，他们采用不等宽SIW结构，补偿了原有的SIW延迟线移相器的相移特性，能在一定频段内方便地实现恒定的相移。其设计思路简单，但实现不同的相移量时，移相器的总长度无法一致，无法实现器件尺寸等长度。参见文献Yu Jian Cheng,Wei Hong,Ke Wu,"Broadband Self-CompensatingPhase Shifter Combining Delay Line and Equal-Length Unequal-Width Phaser",IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010,58(1):203-210。
研究者Frédéric Parment等人提出了基于不等宽的SIW结构和不等介电常数的SIW结构组合而成的SIW移相器，在Ka频段上实现了宽带补偿SIW移相器。虽然能够实现等长度的不同相移量的移相器，但由于使用了两段不等宽的SIW结构和不等介电常数的SIW结构而使整体结构显得复杂，增加设计难度和工作量。参见文献Frédéric Parment,AnthonyGhiotto,Tan-Phu Vuong,Jean-Marc Duchamp,Ke Wu,"Double Dielectric Slab-LoadedAir-Filled SIW Phase Shifters for High-Performance Millimeter-WaveIntegration",IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2016,64(9):2833-2842。
研究人员T.Djerafi基于阵列小孔实现可变的人工介电常数，从而引起相位变化实现移相功能。但是，基于数控铣床的光栅表面和激光微加工，加工难度大。由于在微带线(MS)和较厚的衬底之间存在高阶模，较高的工作频率难以达到。参见文献T.Djerafi,K.Wu,S.O.Tatu,“Substrate-integrated waveguide phase shifter with rod-loadedartificial dielectric slab,”Electronics Letters,2015,51(9):707-709。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种等长度基片集成波导移相器，它解决了目前基片集成波导移相器结构较复杂，带宽有限，且不等长的缺点。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种等长度基片集成波导移相器，它包括实现在基板上的微带线部和SIW本体两部分构成；
所述微带线部由第一矩形部、第一过渡部、第二矩形部、第二过渡部依次连接构成，第一过渡部为等腰梯形，第一过渡上下底边的边长分别等于第一矩形部、第二矩形部的宽，第二过渡部为等腰梯形，第二过渡部上底边的边长等于第二矩形部的宽，第二过渡部下底边与SIW本体中部相连；
所述SIW本体在传输方向中线的两侧对称分布两排金属化通孔。
作为优选实例，所述第一矩形部的特性阻抗为50Ω。
作为优选实例，所述第二矩形部的特性阻抗为108Ω。
作为优选实例，所述基板采用Rogers 5880介质基板。
移相器工作原理：微带线部和SIW本体的传播常数曲线在一定条件下可以视为两条斜率相同，起点不同的直线，即有固定的相位差，因此在选取合适的材料、尺寸下，可以达到稳定移相的功能。
制作不同相对相移的移相器，均能够采用等长的移相器结构，使得在设计基于此种移相器的馈电网络时，大大降低整体设计复杂性。
本发明的有益效果是：
(1)采用等长结构和单层基板的平面结构，具有结构简单，加工难度低，加工成品率高，生产质量稳定，带宽相对较宽；
(2)采用等长的平面结构，方便与其他平面型无源和有源电路集成，能够得到广泛使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例的尺寸图；
图3为本发明实施例中金属化通孔部分的尺寸图；
图4为本发明实施例移相器的PCB印制板结构图；
图5是相对相移为0°移相器的S参数仿真与测试图；
图6是相对相移为45°移相器的S参数仿真与测试图；
图7是相对相移为90°移相器的S参数仿真与测试图；
图8是相对相移为45°、90°移相器的相移仿真与测试图；
图9是相对相移为45°、90°移相器幅度不均衡仿真与测试图。
图中：基板1，SIW本体2，第一矩形部3，第一过渡部4，第二矩形部5，第二过渡部6，金属化通孔7，金属化匹配通孔701，缩进金属化通孔702。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种等长度基片集成波导移相器，它包括实现在基板1上的微带线部和SIW本体2两部分构成；
微带线部由第一矩形部3、第一过渡部4、第二矩形部5、第二过渡部6依次连接构成，第一过渡部4为等腰梯形，第一过渡4上下底边的边长分别等于第一矩形部3、第二矩形部5的宽，第二过渡部6为等腰梯形，第二过渡部6上底边的边长等于第二矩形部5的宽，第二过渡部6下底边与SIW本体2中部相连；
制作相对相移为0°、45°、90°的移相器，均能够采用等长的移相器结构，使得在设计基于此种移相器的馈电网络时，大大降低整体设计复杂性。
实施例
移相器实现在Rogers 5880介质基板上，该基板1的相对介电常数为3.38，基板1厚度为h，基板1上的金属厚度为t。移相器包括5个部分：依次连接的第一矩形部3、第一过渡部4、第二矩形部5、第二过渡部6、SIW本体2；其中，第一矩形部3的特性阻抗为50Ω；第二矩形部5的特性阻抗为108Ω。SIW本体2在传输方向中线的两侧对称分布两排金属化通孔7。
如图2、图3所示，图中的物理变量的定义如下：wms，lms分别为特性阻抗50Ω第一矩形部3的宽度和长度，lt1是第一过渡部4的长度，wms1和lms1分别为特性阻抗108Ω第二矩形部5的宽度和长度，wt是第二过渡部6与SIW本体2连接下底边的宽度，lt为第二过渡部6等腰梯形的高。SIW本体2在传输方向中线的两侧分布两排金属化通孔7，金属化通孔7包括成行的金属化通孔7，以及最靠近第二过渡部6一侧的为金属化匹配通孔701，和处于金属化匹配通孔701和成行的金属化通孔7之间的缩进金属化通孔702，两排成行的对应位置金属化通孔7之间的圆心距离为a，单个通孔的直径为dvp；最靠近过渡结构2与SIW本体2的衔接边上下的金属化匹配通孔701，单个金属化匹配通孔701与衔接边距离为del_x，与成行的金属化通孔7的垂直方向圆心距离为del_y；缩进金属化通孔702的圆心位置以成行金属化通孔7圆形垂直位置为基准，向SIW边沿垂直外移长度del_y_1；单侧所有金属化通孔7之间的圆心距离为svp。
如图4所示，应用了本移相器的PCB印制板。
经过理论计算和电磁软件Ansoft HFSS仿真优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如表1所示：
表1
Figure BDA0002620228660000041
Figure BDA0002620228660000051
根据仿真结果，制作了相对相移为0°、45°、90°的移相器的PCB印制板，安装完成的实物图如图4所示。
如图5、6、7所示，相对相移为0°、45°、90°的移相器的S参数仿真结果和测试结果，从图中可以清楚地对比各个移相器的S参数仿真结果和测试结果，如表2所示：
表2
Figure BDA0002620228660000052
从表2可已看出，测试结果仿真结果具有较好的一致性，相对相移为0°、45°、90°的SIW移相器在26-40GHz(Ka波段)频段内的测试回波损耗均优于12.3dB，且测试插入损耗均优于-2.4dB。
如图8、9所示，相对相移为45°和90°的SIW移相器的相移和幅度不均衡仿真结果和测试结果，分别将仿真结果和测试结果进行对比，如表3所示：
表3
Figure BDA0002620228660000061
仿真与测试结果显示,，测试结果与仿真结果具有良好的一致性。在Ka频段(26-40Ghz)内，对于45°移相器实测的相移和幅度不均衡分别为44.9°±2.2°和0.2dB±0.25dB。对于90°移相器，实测的移相和幅度不均衡分别为89.7°±3.3°和0.28dB±0.38。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种等长度基片集成波导移相器，其特征在于，它包括实现在基板上的微带线部和SIW本体两部分构成；
所述微带线部由第一矩形部、第一过渡部、第二矩形部、第二过渡部依次连接构成，第一过渡部为等腰梯形，第一过渡部上下底边的边长分别等于第一矩形部、第二矩形部的宽，第二过渡部为等腰梯形，第二过渡部上底边的边长等于第二矩形部的宽，第二过渡部下底边与SIW本体中部相连；
所述SIW本体在传输方向中线的两侧对称分布两排金属化通孔；
制作相对相移为0°、45°、90°的移相器，均采用等长的移相器结构。
2.根据权利要求1所述一种等长度基片集成波导移相器，其特征在于，所述第一矩形部的特性阻抗为50Ω。
3.根据权利要求1所述一种等长度基片集成波导移相器，其特征在于，所述第二矩形部的特性阻抗为108Ω。
4.根据权利要求1所述一种等长度基片集成波导移相器，其特征在于，所述基板采用Rogers 5880介质基板。
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