CN112909452B - 一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器，包括多个可调谐移相单元，每个可调谐移相单元分别包括输入节点、输出节点、正交耦合器、第一反射式负载单元和第二反射式负载单元，第一反射式负载单元和第二反射式负载单元分别由两个电感和可调谐电容构成，可调谐电容包括衬底和金属电极，衬底和金属电极均为矩形，金属电极层叠在衬底上且两者完全重合，金属电极上开设有从其前端延伸到后端的蛇形槽，蛇形槽从上到下贯穿金属电极，蛇形槽内填充有钛酸锶钡材料，钛酸锶钡材料的底部与衬底贴合，金属电极的左端面和右端面为第一可调谐电容的两端；优点是结构简单，尺寸较小，成本较低，且插损小，工作频率较高。

Description

一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器

技术领域

本发明涉及一种可调谐反射式移相器，尤其是涉及一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器。

背景技术

移相器广泛应用于雷达信号模拟器、信号发生器、相控阵系统、电子对抗系统和通信系统等，实现对信号相位的控制。现有的移相器主要有两类：负载式移相器和反射式移相器，反射式移相器相对于负载式移相器结构更为简单，尺寸更小，成本更低，得到更为广泛的应用。

当前，微波毫米波通信系统在5G毫米波频段已广泛使用反射式移相器。现有的反射式移相器主要采用变容二极管、开关和铁氧体电调器件或者铁氧体磁调器件等来实现。由于变容二极管和开关等器件需要使用额外电路结构来进行匹配，由此，反射式移相器的结构仍然比较复杂，尺寸也较大，成本仍然较高，并且由于变容二极管和开关等集总原件不可避免存在寄生效应，以致该反射式移相器插损大，工作频率不能满足毫米波频段通信的应用，且难以继续提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，尺寸较小，成本较低，且插损小，工作频率较高的基于铁电材料的可调谐反射式移相器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器，包括N个可调谐移相单元，N为大于等于2的整数，每个所述的可调谐移相单元分别包括输入节点、输出节点、正交耦合器、第一反射式负载单元和第二反射式负载单元，所述的第一反射式负载单元和所述的第二反射式负载单元分别具有电源端和信号端，所述的正交耦合器的输入端和所述的输入节点连接，所述的正交耦合器的隔离端与所述的输出节点连接，所述的正交耦合器的直通端与所述的第一反射式负载单元的信号端连接，所述的正交耦合器的耦合端与所述的第二反射式负载单元的信号端连接，第1个可调谐移相单元的输入节点作为所述的可调谐反射式移相器的输入节点，所述的可调谐反射式移相器的输入节点用于接入待移相信号，第k个可调谐移相单元的输出节点和第k+1个可调谐移相单元的输入节点连接，k＝1，2，…，N-1，第N个可调谐移相单元的输出节点作为所述的可调谐反射式移相器的输出节点，所述的可调谐反射式移相器的输出节点用于输出移相后信号；所述的第一反射式负载单元包括第一电感、第二电感和第一可调谐电容，所述的第一电感的一端为所述的第一反射式负载单元的信号端，所述的第一电感的另一端、所述的第一可调谐电容的一端和所述的第二电感的一端连接，所述的第二电感的另一端为所述的第一反射式负载单元的电源端，所述的第一可调谐电容的另一端接地；所述的第二反射式负载单元包括第三电感、第四电感和第二可调谐电容，所述的第三电感的一端为所述的第二反射式负载单元的信号端，所述的第三电感的另一端、所述的第二可调谐电容的一端和所述的第四电感的一端连接，所述的第四电感的另一端为所述的第二反射式负载单元的电源端，所述的第二可调谐电容的另一端接地；所述的第一可调谐电容包括衬底和金属电极，所述的衬底和所述的金属电极均为矩形，所述的金属电极层叠在所述的衬底上且两者完全重合，所述的金属电极上开设有从其前端延伸到后端的蛇形槽，所述的蛇形槽从上到下贯穿所述的金属电极，所述的蛇形槽内填充有钛酸锶钡材料，所述的钛酸锶钡材料的底部与所述的衬底贴合，所述的金属电极的左端面和右端面为所述的第一可调谐电容的两端；所述的第二可调谐电容的结构与所述的第一可调谐电容相同。

所述的蛇形槽由第一开槽、第二开槽、第三开槽、第四开槽、第五开槽、第六开槽、第七开槽、第八开槽、第九开槽、第十开槽和第十一开槽构成，所述的第一开槽、所述的第二开槽、所述的第三开槽、所述的第四开槽、所述的第五开槽、所述的第六开槽、所述的第七开槽、所述的第八开槽、所述的第九开槽、所述的第十开槽和所述的第十一开槽均为矩形槽，所述的第一开槽、所述的第二开槽、所述的第三开槽、所述的第四开槽和所述的第五开槽从前向后间隔设置，且均平行于所述的金属电极的前端面，所述的第一开槽、所述的第二开槽、所述的第三开槽、所述的第四开槽和所述的第五开槽中任意相邻两个开槽之间的间距相等，所述的第一开槽与所述的金属电极的前端面之间的距离等于所述的第五开槽与所述的金属电极的后端面之间的距离，所述的第六开槽的前端面与所述的金属电极的前端面齐平，所述的第六开槽的左端面与所述的第一开槽的右端面贴合连接，所述的第六开槽的后端面与所述的第一开槽的后端面齐平，所述的第七开槽的左端面分别与所述的第二开槽的右端面和所述的第三开槽的右端面贴合连接，所述的第七开槽的前端面与所述的第二开槽的前端面齐平，所述的第七开槽的后端面与所述的第三开槽的后端面齐平，所述的第八开槽的左端面分别与所述的第四开槽的右端面和所述的第五开槽的右端面贴合连接，所述的第八开槽的前端面与所述的第四开槽的前端面齐平，所述的第八开槽的后端面与所述的第五开槽的后端面齐平，所述的第六开槽、所述的第七开槽和所述的第八开槽的右端面位于同一平面，所述的第九开槽的后端面与所述的金属电极的后端面齐平，所述的第九开槽的右端面与所述的第五开槽的左端面贴合连接，所述的第九开槽的前端面与所述的第五开槽的前端面齐平，所述的第十开槽的右端面分别与所述的第三开槽的左端面和所述的第四开槽的左端面连接，所述的第十开槽的前端面与所述的第三开槽的前端面齐平，所述的第十开槽的后端面与所述的第四开槽的后端面齐平，所述的第十一开槽的右端面分别与所述的第一开槽的左端面和所述的第二开槽的左端面贴合连接，所述的第十一开槽的前端面与所述的第一开槽的前端面齐平，所述的第十一开槽的后端面与所述的第二开槽的后端面齐平，所述的第九开槽、所述的第十开槽和所述的第十一开槽的左端面位于同一平面。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过N个可调谐移相单元级联构成可调谐反射式移相器，每个可调谐移相器单元主要由正交耦合器和两个反射式负载单元构成，每个反射式负载单元分别由可调谐电容和两个电感构成，两个电感均用微带线结构来实现，其中一个电感用于可调谐电容和正交耦合器相连接作为反射式负载单元的信号端，其宽度与正交耦合器端口以及可调谐电容金属电极的宽度一致，可以减少正交耦合器和反射式负载单元之间的传输反射，另外一个电感用于连接电源，用于施加直流偏置电压，可调谐电容由衬底和金属电极构成，金属电极上开设有从其前端延伸到后端的蛇形槽，结构较为简单，可调谐电容的金属电极由微纳加工工艺实现，可实现微米级尺寸精度以满足微波应用的需求，同时可调谐电容的金属电极以及蛇形槽尺寸可依据反射式负载单元的输入阻抗来调整，从而可以减少反射式负载单元中匹配电路的设计，降低了反射式负载单元的复杂度和尺寸，蛇形槽内填充具有可调谐性的铁电材料，用于实现可调谐电容的可调谐性，蛇形槽的结构增大了金属电极的面积，便于缩小可调谐电容的尺寸，蛇形槽内的铁电材料具有很高的功率承载特性，使得可调谐电容具有较高的功率承载量，可以满足高功率通信系统的需求，由此反射式负载单元内部除了一个可调谐电容和两个微带线结构的电感之外，不需要额外设置开关电路和匹配电路，结构较为简单，尺寸较小，且插损小，工作频率较高，传输特性较好，同时，可调谐移相器单元之间可通过相应的端口依次连接以实现较大的移相量，整个可调谐反射式移相器为平面结构，无集成元器件的使用，各组成部分之间匹配较好，整体的损耗小且加工工序较少，且加工引入的误差对整体性能稳定性影响较小，可批量化加工，由此，本发明结构简单，尺寸较小，成本较低，且插损小，工作频率较高。

附图说明

图1为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元的电路结构示意图；

图2为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中第一可调谐电容的立体图；

图3为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中第一可调谐电容的俯视图；

图4为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器由两个可调谐移相单元级联而成的电路结构示意图；

图5为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元无偏置时回波损耗的仿真结果示意图；

图6为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元移相特性的仿真结果示意图；

图7为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元加载60V偏置时回波损耗的仿真结果示意图；

图8为本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元插入损耗的仿真结果示意图；

图9为图4所示的基于铁电材料的可调谐反射式移相器回波损耗的仿真结果示意图；

图10为图4所示的基于铁电材料的可调谐反射式移相器移相特性的仿真结果示意图；

图11为图4所示的基于铁电材料的可调谐反射式移相器插入损耗的仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图1、图2和图3所示，一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器，包括N个可调谐移相单元，N为大于等于2的整数，每个可调谐移相单元分别包括输入节点P11、输出节点P12、正交耦合器U1、第一反射式负载单元RL11和第二反射式负载单元RL12，第一反射式负载单元RL11和第二反射式负载单元RL12分别具有电源端和信号端，正交耦合器CP1的输入端IN和输入节点P11连接，正交耦合器CP1的隔离端ISO与输出节点P12连接，正交耦合器CP1的耦合端COU与第一反射式负载单元RL11的信号端连接，正交耦合器CP1的直通端THR与第二反射式负载单元RL12的信号端连接，第1个可调谐移相单元的输入节点P11作为可调谐反射式移相器的输入节点，可调谐反射式移相器的输入节点用于接入待移相信号，第k个可调谐移相单元的输出节点P12和第k+1个可调谐移相单元的输入节点P11连接，k＝1，2，…，N-1，第N个可调谐移相单元的输出节点P12作为可调谐反射式移相器的输出节点，可调谐反射式移相器的输出节点用于输出移相后信号；第一反射式负载单元RL11包括第一电感TL11、第二电感BTL11和第一可调谐电容C1，第一电感TL11的一端为第一反射式负载单元RL11的信号端，第一电感TL11的另一端、第一可调谐电容C1的一端和第二电感BTL11的一端连接，第二电感BTL11的另一端为第一反射式负载单元RL11的电源端，接入电源Bias，第一可调谐电容C1的另一端接地；第二反射式负载单元RL12包括第三电感TL12、第四电感BTL12和第二可调谐电容C2，第三电感TL12的一端为第二反射式负载单元RL12的信号端，第三电感TL12的另一端、第二可调谐电容C2的一端和第四电感BTL12的一端连接，第四电感BTL12的另一端为第二反射式负载单元RL12的电源端，接入电源Bias，第二可调谐电容C2的另一端接地；第一可调谐电容C1包括衬底1和金属电极2，衬底1和金属电极2均为矩形，金属电极2层叠在衬底1上且两者完全重合，金属电极2上开设有从其前端延伸到后端的蛇形槽，蛇形槽从上到下贯穿金属电极2，蛇形槽内填充有钛酸锶钡材料，钛酸锶钡材料的底部与衬底1贴合，金属电极2的左端面和右端面为第一可调谐电容C1的两端；第二可调谐电容C2的结构与第一可调谐电容C1相同。

本实施例中，蛇形槽由第一开槽3、第二开槽4、第三开槽5、第四开槽6、第五开槽7、第六开槽8、第七开槽9、第八开槽10、第九开槽11、第十开槽12和第十一开槽13构成，第一开槽3、第二开槽4、第三开槽5、第四开槽6、第五开槽7、第六开槽8、第七开槽9、第八开槽10、第九开槽11、第十开槽12和第十一开槽13均为矩形槽，第一开槽3、第二开槽4、第三开槽5、第四开槽6和第五开槽7从前向后间隔设置，且均平行于金属电极2的前端面，第一开槽3、第二开槽4、第三开槽5、第四开槽6和第五开槽7中任意相邻两个开槽之间的间距相等，第一开槽3与金属电极2的前端面之间的距离等于第五开槽7与金属电极2的后端面之间的距离，第六开槽8的前端面与金属电极2的前端面齐平，第六开槽8的左端面与第一开槽3的右端面贴合连接，第六开槽8的后端面与第一开槽3的后端面齐平，第七开槽9的左端面分别与第二开槽4的右端面和第三开槽5的右端面贴合连接，第七开槽9的前端面与第二开槽4的前端面齐平，第七开槽9的后端面与第三开槽5的后端面齐平，第八开槽10的左端面分别与第四开槽6的右端面和第五开槽7的右端面贴合连接，第八开槽10的前端面与第四开槽6的前端面齐平，第八开槽10的后端面与第五开槽7的后端面齐平，第六开槽8、第七开槽9和第八开槽10的右端面位于同一平面，第九开槽11的后端面与金属电极2的后端面齐平，第九开槽11的右端面与第五开槽7的左端面贴合连接，第九开槽11的前端面与第五开槽7的前端面齐平，第十开槽12的右端面分别与第三开槽5的左端面和第四开槽6的左端面连接，第十开槽12的前端面与第三开槽5的前端面齐平，第十开槽12的后端面与第四开槽6的后端面齐平，第十一开槽13的右端面分别与第一开槽3的左端面和第二开槽4的左端面贴合连接，第十一开槽13的前端面与第一开槽3的前端面齐平，第十一开槽13的后端面与第二开槽4的后端面齐平，第九开槽11、第十开槽12和第十一开槽13的左端面位于同一平面。

本实施例中，如图4所示，本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器由两个可调谐移相单元PS1和PS2级联而成，两个可调谐移相单元PS1和PS2通过特征阻抗Z0₁₂＝50Ω的传输线T₁₂进行连接，传输线T12的电长度L12可以由版图位置自由调节，本实施例中选取电长度L12＝60°@35GHz。其中第一个可调谐移相单元PS1中的正交耦合器CP1、第一电感TL11、第二电感BTL11、第三电感TL12和第四电感BTL12均采用传输线实现，第二个可调谐移相单元PS2中的正交耦合器CP2、第一电感TL21、第二电感BTL21、第三电感TL22和第四电感BTL22均采用传输线实现。第一个可调谐移相单元PS1中第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2、第二个可调谐移相单元PS2中第一可调谐电容C3和第二可调谐电容C4中钛酸锶钡材料的厚度为0.3um，正交耦合器CP1和CP2均为90°混合正交耦合器，采用耦合传输线实现，其奇偶模特征阻抗和电长度分别为；Z_o1＝20Ω，Z_e1＝120Ω，L_cp1＝90°@35GHz。第一个可调谐移相单元PS1中，第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2提供可变电容值的调谐，第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2提供可变电容值的调谐，第二电感BTL11和第四电感BTL12的阻抗值为125欧姆，作为偏置线，电源Bias为第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2提供偏置电压，从而调整第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2的电容值。第二个可调谐移相单元PS2中，第一可调谐电容C3和第二可调谐电容C4提供可变电容值的调谐，第一可调谐电容C3和第二可调谐电容C4提供可变电容值的调谐，第二电感BTL21和第四电感BTL22的阻抗值为125欧姆，作为偏置线，电源Bias为第一可调谐电容C3和第二可调谐电容C4提供偏置电压，从而调整第一可调谐电容C4和第二可调谐电容C4的电容值。第一个可调谐移相单元PS1中第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2、第二个可调谐移相单元PS2中第一可调谐电容C3和第二可调谐电容C4的参数如下表1所示：

表1

元件名称	交趾宽度w(um)	间距g(um)	交趾长度l(um)	两电极距离s(um)
					C1	5	4	35	4
C2	5	4	35	4
					C3	5	4	35	4
C4	5	4	35	4

不同于集总电容器件，第一个可调谐移相单元PS1中第一可调谐电容C1和第二可调谐电容C2、第二个可调谐移相单元PS2中第一可调谐电容C3和第二可调谐电容C4均是通过微纳加工一次成型的，第一个可调谐移相单元PS1和第二个可调谐移相单元PS2是由电子束蒸镀而成，通过离子刻蚀和PLD等工艺加工而成，精度高且不存在焊接等流程，整体尺寸相比常规移相单元小(衬底通常为高介电、低损耗的材料)等特性，同时不会产生集总元器件带来的寄生效应，且不存在阻抗匹配失配问题。

对本实施例的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元进行仿真实验，无偏置(Bias＝0V)时回波损耗的仿真结果示意图如图5所示，移相特性的仿真结果示意图如图6所示。分析图5和图6可知：以偏置电压Bias＝0V时的相位作为参考相位，增大Bias可以实现相位移动；当偏置电压Bias-＝60V时，在25-45GHz内可以实现大于45°移相。

本实施例的基于铁电材料的可调谐反射式移相器中可调谐移相单元加载60V偏置时回波损耗的仿真结果示意图如图7所示，该可调谐移相单元在偏置电压Bias＝0V时的插入损耗特性仿真结果如图8所示。分析图7和图8可知，该可调谐移相单元损耗较小。

对本实施例中由两个可调谐移相单元PS1和PS2级联而成的基于铁电材料的可调谐反射式移相器进行仿真实验，该可调谐反射式移相器在Bias＝0V时的回波损耗特性如图9所示，该可调谐反射式移相器的移相特性如图10所示，该可调谐反射式移相器在偏置电压Bias＝60V时的插入损耗特性如图11所示。分析图9可知，该可调谐反射式移相器仍然能够实现25GHz-45GHz的范围内S₁₁好于-18dB的良好传输特性。分析图10可知：以偏置电压Bias＝0V时的相位作为参考相位，增大Bias可以实现相位移动；当偏置电压Bias＝60V时可见频率在25-45GHz内可以实现大于90°移相。分析图11可知：该可调谐反射式移相器的损耗相较常规pin二极管的方式的损耗要小，且尺寸也更小。

综上所述，本发明的基于铁电材料的可调谐反射式移相器结构简单，尺寸较小，成本较低，且插损小，工作频率较高。

Claims (1)

1.一种基于铁电材料的可调谐反射式移相器，其特征在于包括N个可调谐移相单元，N为大于等于2的整数，每个所述的可调谐移相单元分别包括输入节点、输出节点、正交耦合器、第一反射式负载单元和第二反射式负载单元，所述的第一反射式负载单元和所述的第二反射式负载单元分别具有电源端和信号端，所述的正交耦合器的输入端和所述的输入节点连接，所述的正交耦合器的隔离端与所述的输出节点连接，所述的正交耦合器的直通端与所述的第一反射式负载单元的信号端连接，所述的正交耦合器的耦合端与所述的第二反射式负载单元的信号端连接，第1个可调谐移相单元的输入节点作为所述的可调谐反射式移相器的输入节点，所述的可调谐反射式移相器的输入节点用于接入待移相信号，第k个可调谐移相单元的输出节点和第k+1个可调谐移相单元的输入节点连接，k＝1，2，…，N-1，第N个可调谐移相单元的输出节点作为所述的可调谐反射式移相器的输出节点，所述的可调谐反射式移相器的输出节点用于输出移相后信号；所述的第一反射式负载单元包括第一电感、第二电感和第一可调谐电容，所述的第一电感的一端为所述的第一反射式负载单元的信号端，所述的第一电感的另一端、所述的第一可调谐电容的一端和所述的第二电感的一端连接，所述的第二电感的另一端为所述的第一反射式负载单元的电源端，所述的第一可调谐电容的另一端接地；所述的第二反射式负载单元包括第三电感、第四电感和第二可调谐电容，所述的第三电感的一端为所述的第二反射式负载单元的信号端，所述的第三电感的另一端、所述的第二可调谐电容的一端和所述的第四电感的一端连接，所述的第四电感的另一端为所述的第二反射式负载单元的电源端，所述的第二可调谐电容的另一端接地；所述的第一可调谐电容包括衬底和金属电极，所述的衬底和所述的金属电极均为矩形，所述的金属电极层叠在所述的衬底上且两者完全重合，所述的金属电极上开设有从其前端延伸到后端的蛇形槽，所述的蛇形槽从上到下贯穿所述的金属电极，所述的蛇形槽内填充有钛酸锶钡材料，所述的钛酸锶钡材料的底部与所述的衬底贴合，所述的金属电极的左端面和右端面为所述的第一可调谐电容的两端；所述的第二可调谐电容的结构与所述的第一可调谐电容相同；

所述的蛇形槽由第一开槽、第二开槽、第三开槽、第四开槽、第五开槽、第六开槽、第七开槽、第八开槽、第九开槽、第十开槽和第十一开槽构成，所述的第一开槽、所述的第二开槽、所述的第三开槽、所述的第四开槽、所述的第五开槽、所述的第六开槽、所述的第七开槽、所述的第八开槽、所述的第九开槽、所述的第十开槽和所述的第十一开槽均为矩形槽，所述的第一开槽、所述的第二开槽、所述的第三开槽、所述的第四开槽和所述的第五开槽从前向后间隔设置，且均平行于所述的金属电极的前端面，所述的第一开槽、所述的第二开槽、所述的第三开槽、所述的第四开槽和所述的第五开槽中任意相邻两个开槽之间的间距相等，所述的第一开槽与所述的金属电极的前端面之间的距离等于所述的第五开槽与所述的金属电极的后端面之间的距离，所述的第六开槽的前端面与所述的金属电极的前端面齐平，所述的第六开槽的左端面与所述的第一开槽的右端面贴合连接，所述的第六开槽的后端面与所述的第一开槽的后端面齐平，所述的第七开槽的左端面分别与所述的第二开槽的右端面和所述的第三开槽的右端面贴合连接，所述的第七开槽的前端面与所述的第二开槽的前端面齐平，所述的第七开槽的后端面与所述的第三开槽的后端面齐平，所述的第八开槽的左端面分别与所述的第四开槽的右端面和所述的第五开槽的右端面贴合连接，所述的第八开槽的前端面与所述的第四开槽的前端面齐平，所述的第八开槽的后端面与所述的第五开槽的后端面齐平，所述的第六开槽、所述的第七开槽和所述的第八开槽的右端面位于同一平面，所述的第九开槽的后端面与所述的金属电极的后端面齐平，所述的第九开槽的右端面与所述的第五开槽的左端面贴合连接，所述的第九开槽的前端面与所述的第五开槽的前端面齐平，所述的第十开槽的右端面分别与所述的第三开槽的左端面和所述的第四开槽的左端面连接，所述的第十开槽的前端面与所述的第三开槽的前端面齐平，所述的第十开槽的后端面与所述的第四开槽的后端面齐平，所述的第十一开槽的右端面分别与所述的第一开槽的左端面和所述的第二开槽的左端面贴合连接，所述的第十一开槽的前端面与所述的第一开槽的前端面齐平，所述的第十一开槽的后端面与所述的第二开槽的后端面齐平，所述的第九开槽、所述的第十开槽和所述的第十一开槽的左端面位于同一平面。

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