CN113036379B - 一种压控磁性阻抗变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控磁性阻抗变换器，包括至少一层磁性介质层，各磁性介质层磁性介质层堆叠设计；靠端部的磁性介质层磁性介质层分别连接微波传输线，两磁性介质层微波传输线相互耦合；各磁性介质层分别连接有压控电极，以在施加电压下改变磁性介质层的磁场强度或方向；磁性介质层磁性介质层的磁场方向与微波传输线中所传输的微波信号的电磁场方向垂直或相差0°～90°之间的一个角度。本发明兼具滤波和隔离功能，并实现阻抗变换和频率调谐。本发明可以小型化设计，便于集成，可多通道工作，可利用磁性介质实现宽频带工作。本发明可以提高线性度，可以宽温度、高可靠工作。

Description

一种压控磁性阻抗变换器

技术领域

本发明涉及微波通信领域，尤其是一种压控磁性阻抗变换器。

背景技术

现有技术实现的阻抗调配器有两种方案：一种是基于机械结构的电控阻抗调配器，另一种是基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器，对应的原理及结构特点如下：

(1)现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器特点：

(a)有中心导体或腔体直通信号；

(b)采用机械马达驱动的探针来实现阻抗调配；

(c)马达驱动探针沿着中心导体或腔体移动时，端口呈现的相位可调配；

(d)马达驱动探针垂直于中心导体或腔体移动时，端口呈现的反射系数，或阻抗绝对值可调配；

(e)采用多个马达驱动多个阻抗调配探头进行协同阻抗调配，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗调配。

现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器结构如图1所示。该方式存在以下问题：

(a)体积大，重量高，可靠性欠佳。根据电磁波原理，频率越低，波长越长，因此覆盖频率越低的阻抗调配器，达到180°相位调配所需要的调配距离也越大。举例而言，常用的覆盖(0.8～18)GHz的阻抗调配器，调配距离超过30cm，重量超过10kg。由于采用机械马达，需要定期保养，可靠性差，不能满足无人值守工作条件，以及高可靠性应用场合要求。

(b)谐波阻抗调配实现困难，体积、重量进一步增加。现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器采用多个机械马达驱动多个阻抗调配探头进行协同阻抗调配，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗调配。多个马达和阻抗调配探头使体积、重量、控制及测量软件复杂度进一步提升，可靠性进一步下降。距离而言，3次谐波阻抗调配器需要3个机械马达协同调配，重量增加了30％以上，可靠性大大下降。

(c)成本高，价格昂贵。现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器需要高机械加工精度的中心导体或腔体、精密定位马达、高精度阻抗调配探头等零件，并且需要高精度装配。所有生产条件都需要精密机械加工，精密多轴装配才能完成，生产成本高，价格昂贵。

(d)无法与现有半导体技术集成。现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器是机械结构，无法与现有的化合物半导体技术、硅基半导体技术集成。半导体芯片要进行阻抗调配，必须先通过电路板过渡到同轴或波导接口才能实现。

(e)难以集成在微波功放及通信系统中。例如，多赫蒂功放需要调配负载阻抗来获得高效率，但是由于机械阻抗调配器体积太大，是难以集成在产品及功放模块中的，只能在调试和测试过程中使用。再例如，收发(T/R)器件与相控阵系统中，需要对每一路的反射系数、阻抗以及相位差进行调配，但是由于机械阻抗调配器体积太大，是难以集成在模块及系统级产品中的，只能在调试和测试过程中使用。

(f)难以进行微波探针内集成，在片负载牵引测试系统集成困难。固态微波功率器件设计生产过程中经常要用到负载牵引测试系统，有基波及谐波功能的，有同轴/波导形式的，也有在片探针形式的。在片负载牵引测试系统用于测量裸芯片性能。由于现有技术的阻抗调配器体积太大，因此目前的在片系统集成方案探针与阻抗调配器难以集成，需要通过同轴或波导接口连接。存在的问题是在片系统集成需要满足调配器重量的前提下，进行高精度定位，且探针台上预留空间还必须满足调配器体积需求，系统集成难度很高。

(g)毫米波性能不佳。频率越高，对调配器机械接头、中心导体/腔体、马达定位精度、微波探头的加工精度要求越高。例如，50GHz时，中心导体和接头要采用2.4mm标准，67GHz时就要采用1.85mm标准，90GHz时就要采用1mm标准。

(2)现有技术实现的基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器的特点：

(a)有多个可调配电感、电容、电阻等分立元件构成阻抗匹配网络；通过调节每个电感、电容、电阻的量值，实现阻抗调配。

(b)匹配元件之间是串联或并联关系，常用π型或L型匹配结构；

(c)采用多级阻抗调配网络，实现基波、二次谐波、三次谐波的阻抗调配。

(d)一般应用时，也可以采用不可调配的无源电感、电阻、电容实现。

(e)某些需要大调配范围的应用中，采用功率晶体管取代分立元件，利用功率晶体管输出对目标调配器件进行输入输出阻抗调配，也即有源负载牵引。

现有技术实现的基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器结构如图2所示。该方式存在以下问题：

(a)阻抗调配范围有限。现有技术的可调配电感、电容、电阻等分立元件的调配范围都是非常有限的，因此在此基础上构成的阻抗调配网络的调配范围也是非常有限的，在大阻抗调配应用需求中，通常需要多级阻抗调配网络实现。

(b)相移难以实现，尤其是需要真实延时的应用难以满足。可调配电感、电容、电阻等分立元件可以在一定范围内产生相移，但毕竟不是真实相移器件，难以满足某些需要真实延时测应用需求。

(c)阻抗调配精度不高。可调配电感、电容、电阻等分立元件通常工作在非线性区，元件电性能随控制电压变化非线性，且变化灵敏，温度相关，难以实现高精度稳定调配。

局限于低频应用，难以满足2GHz以上高频应用需求。现有分立元件技术，由于可调配电感、电容、电阻等分立元件的频段限制，电控可调配阻抗匹配通常工作在2GHz以内，难以满足2GHz以上高频应用需求。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种压控磁性阻抗变换器，以实现兼具滤波和隔离功能，并实现阻抗和频率调谐的功能的小型化、便于集成的设计。

本发明采用的技术方案如下：

一种压控磁性阻抗变换器，包括至少一层磁性介质层，各所述磁性介质层堆叠设计；靠端部的所述磁性介质层分别连接微波传输线，两所述微波传输线相互耦合；各所述磁性介质层分别连接有压控电极，以在施加电压下改变磁性介质层的磁场强度或方向；所述磁性介质层的磁场方向与所述微波传输线中所传输的微波信号的电磁场方向垂直或相差0°～90°之间的一个角度。

进一步的，至少一条所述微波传输线的宽度渐变设计。

进一步的，在磁性介质层与微波传输线之间，或者相邻磁性介质层之间，设置有至少一层中间金属层，所述中间金属层上设置有金属传输线，所述金属传输线相互连通或相互耦合。

进一步的，各所述磁性介质层与各所述中间金属层逐层交替堆叠设置。

进一步的，各所述金属传输线的宽度均渐变设计。

或者，至少一层所述磁性介质层上设计有凹槽，设计有凹槽的磁性介质层的凹槽内，嵌入有金属传输线，各金属传输线相互连通或相互耦合。

进一步的，各所述金属传输线的宽度均渐变设计。

进一步的，各层所述磁性介质层上均嵌入有金属传输线。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、小型化、便于集成

现有的机械阻抗调配器体积太大，难以在功放、TR收发模块、相控阵等微波模块或系统中集成使用，难以和芯片做集成，难以和微波探针做集成。本设计提出的新型磁性阻抗变换器可以小型化实现，例如以0201规格(600微米×300微米)尺寸的表面贴装元件SMT的形式实现，可以显著改善微波通信系统整体效率，并小型化实现。

2、集成阻抗变换、滤波及隔离功能，可多通道工作

本设计提出的新型磁性阻抗变换器，可以在封装时采用多通道模式。新型磁性阻抗变换器同时具有阻抗变换功能，以及滤波和隔离功能。

3、宽频带

现有采用可调配电阻电感电容等分立元件的阻抗调配器，由于分立元件工作频率限制，非线性调配的困难，工业上难以实现毫米波高频应用。本设计提出的新型磁性阻抗变换器件，可以工作于高频段，例如5G有低于6GHz(sub6GHz)和高于20GHz(毫米波mmW)两个频段。本发明器件在功放、5G移动通信、相控阵T/R器件及系统、负载牵引测试系统等领域能够得到广泛的应用。

4、宽温度、高可靠工作，控制算法简单。

现有采用可调配电阻电感电容等分立元件的阻抗调配器，由于工作在非线性区，因此调配控制算法复杂，随温度变化大，难以宽温度范围稳定工作。本设计提出的新型磁性阻抗变换器可以提高线性度，因此可以宽温度、高可靠工作，且控制算法简单。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是基于机械结构的电控阻抗调配器结构示意图。

图2是基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器结构示意图。

图3是三层磁性介质层构成的压控磁性阻抗变换器件结构示意图。

图4是三层磁性介质层之间的中间金属层为多条耦合关系的金属传输线结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

本实施例公开了一种压控磁性阻抗变换器，包括一层磁性介质层，该磁性介质层的两侧分别连接微波传输线，两微波从传输线相互耦合。磁性介质层的磁场方向与微波信号电磁场方向垂直或旋转0°～90°之间的一个角度。磁性介质层通过欧姆接触层连接压控电极，通过在压控电极上施加电压控制磁性介质层的磁场强度或磁场方向，从而控制阻抗变换值、衰减量、相移、变换频点，进而实现压控调谐。

微波传输线与磁性介质层紧密贴合，当微波信号在微波传输线中传播时，受到磁场影响，加强或抵消该方向上的电磁波，起到隔离功能。

微波传输线的线宽渐变，磁性介质层与微波传输线之间产生谐振，使得部分频带可以通过而其他频带不能通过，实现阻抗变换和滤波的效果。

实施例二

本实施例公开了一种压控磁性阻抗变换器，其与实施例一的结构大致相同，唯一不同之处在于，本实施例的压控磁性阻抗变换器额外设计了金属传输线。金属传输线与微波传输线耦合设计。在一些实施方式中，磁性介质层与一侧的微波传输线之间，设计有中间金属层，金属传输线设置于该中间金属层上。在另一些实施方式中，在磁性介质层中刻蚀有凹槽，金属传输线嵌入该凹槽中。金属传输线的设计，可以进一步优化阻抗变换范围、插损和带宽。

实施例三

本实施例公开了一种压控磁性阻抗变换器，包括多层(至少两层)磁性介质层和微波传输线，磁性介质层通过与中间金属层逐层交替堆叠形成多层结构，当然，也可以不是逐层交替堆叠，例如可以是在磁性介质层与微波传输线之间，或者相邻磁性介质层之间中的一处或多处设置至少一层中间金属层。以逐层堆叠结构为例，中间金属层与磁性介质层可以等量设计。中间金属层可以是板状或其他结构。靠端部的磁性介质层和中间件金属层分别连接微波传输线，各微波传输线分别连接输入焊盘以接收信号。微波传输线宽度渐变设计，增加阻抗变换能力和滤波效果。多层磁性介质层的堆叠设计，可以进一步优化阻抗变换范围、插损和带宽。各层磁性介质层均设置有压控电极，可以用电压控制磁性介质层磁场强度或者磁场方向，从而控制阻抗变换值、衰减量、相移、变换频点等，进而实现压控调谐。在一些实施例中，各层磁性介质层均通过欧姆接触层连接对应的压控电极。如图3所示为以三层磁性介质层为例的阻抗变换器的结构示意图。磁性介质层与微波传输线紧密贴合，兼具隔离功能，即实现在微波信号于微波传输线中传播时，受磁性介质层的磁场影响，加强或抵消传播方向上的电磁波，实现对反向传输衰减的隔离效果。磁性介质层与中间金属层中的金属传输线间产生谐振，某些频带可以通过，某些频带不能通过，形成滤波效果。在另一些实施例中，可以舍弃中间金属层，或者将其中的金属传输线嵌入磁性介质层中设计。金属传输线可以是采用直通形式，也可以是采用多条耦合线的耦合形式。耦合线可以设计在不同层，也可以设计在同一层，如图4所示为3层中间金属层的金属传输线的耦合结构示意图。上述结构的压控磁性阻抗变换器，利用压控多层磁性介质层阻抗特性的不同，采用相应的算法，控制不同层的电压，实现期望的阻抗变换和滤波效果。

实施例四

本实施例以三层磁性介质为例，说明本发明的压控磁性阻抗变换器的结构。如图3所示，阻抗变换器包括三层磁性介质，分别为第一磁性介质层11、第二磁性介质层12和第三磁性介质层13。各层磁性介质层分别与欧姆接触层连接，各欧姆接触层分别连接压控电极：第一磁性介质层11连接第一欧姆接触层21，第一欧姆接触层21连接第一压控电极31；第二磁性介质层12连接第二欧姆接触层22，第二欧姆接触层22连接第三压控电极32；第三磁性介质层13连接第三欧姆接触层23，第三欧姆接触层23连接第三压控电极33。各层磁性介质层与中间金属层逐层堆叠设计：第一磁性介质层11、第一中间金属层41、第二磁性介质层12、第二中间金属层42、第三磁性介质层13、第三中间金属层43依次设置，且各磁性介质层与各中间金属层间紧密贴合，第一中间金属层41、第二中间金属层42和第三中间金属层43均为板状结构，第一中间金属层41上设计第一金属传输线51，第二中间金属层42上设计第二金属传输线52，第三中间金属层43上设计第三金属传输线53，第一金属传输线51、第二金属传输线52和第三金属传输线53均为渐变设计，且三条金属传输线耦合设计，如图4所示。当微波信号在微波传输线中传播时，受到磁场影响，加强或抵消该方向上的电磁波。典型地，正向传输时加强，插损很小；反向传输时抵消，插损很大，形成正向传输通过，反向传输衰减的隔离效果。各磁性介质层与各中间金属层间产生谐振，使得部分频带通过而部分频带不能通过，形成滤波效果。在第一磁性介质层11上连接第一微波传输线61，在第三中间金属层43上连接第二微波传输线62，第一微波传输线61和第二微波传输线62分别连接输入焊盘。第一微波传输线61和第二微波传输线62宽度渐变。

各压控电极上所连通的电压分别控制对应磁性介质的磁场强度或磁场方向，从而控制阻抗变换值、衰减值、相移、变换频点等，进而实现压控调谐。典型地，电压控制磁场强度不同，阻抗变换点不同；电压控制磁场方向不同，衰减量和相移不同。特别地，利用电压压控多层磁性介质阻抗特性，为不同层磁性介质层施加不同电压，通过对应参数和算法的设计，实现期望的阻抗变换和滤波效果。

实施例五

本实施例以三层磁性介质为例，说明本发明的压控磁性阻抗变换器的另一种结构。

本实施例与实施例四中压控磁性阻抗变换器的结构大致相同，唯一不同之处在于，本实施例中的各中间金属层(第一中间金属层41、第二中间金属层42和第三中间金属层43)均被舍弃。

实施例六

本实施例以三层磁性介质为例，说明本发明的压控磁性阻抗变换器的另一种结构。

本实施例与实施例四中压控磁性阻抗变换器的结构大致相同，唯一不同之处在于，本实施例中的各中间金属层(第一中间金属层41、第二中间金属层42和第三中间金属层43)的结构替换为了其他设计。

本实施例中，第一中间金属层41、第二中间金属层42和第三中间金属层43均被舍弃，将第一金属传输线51、第二金属传输线52和第三金属传输线53对应嵌入第一磁性介质层11、第二磁性介质层12和第三磁性介质层13。在一些实施方式中，第一磁性介质层11、第二磁性介质层12和第三磁性介质层13上分别刻蚀有凹槽，第一金属传输线51嵌入第一磁性介质层11的凹槽中，第二金属传输线52嵌入第二磁性介质层12的凹槽中，第三金属传输线53嵌入第三磁性介质层13的凹槽中。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种压控磁性阻抗变换器，其特征在于，包括至少一层磁性介质层，各所述磁性介质层堆叠设计；靠端部的所述磁性介质层分别连接微波传输线，两所述微波传输线相互耦合，至少一条所述微波传输线的宽度渐变设计；各所述磁性介质层分别连接有压控电极，以在施加电压下改变磁性介质层的磁场强度或方向；所述磁性介质层的磁场方向与所述微波传输线中所传输的微波信号的电磁场方向垂直或相差0°～90°之间的一个角度。

2.如权利要求1所述的压控磁性阻抗变换器，其特征在于，在磁性介质层与微波传输线之间，或者相邻磁性介质层之间，设置有至少一层中间金属层，所述中间金属层上设置有金属传输线，所述金属传输线相互连通或相互耦合。

3.如权利要求2所述的压控磁性阻抗变换器，其特征在于，各所述磁性介质层与各所述中间金属层逐层交替堆叠设置。

4.如权利要求2所述的压控磁性阻抗变换器，其特征在于，各所述金属传输线的宽度均渐变设计。

5.如权利要求1所述的压控磁性阻抗变换器，其特征在于，至少一层所述磁性介质层上设计有凹槽，设计有凹槽的磁性介质层的凹槽内，嵌入有金属传输线，各金属传输线相互连通或相互耦合。

6.如权利要求5所述的压控磁性阻抗变换器，其特征在于，各所述金属传输线的宽度均渐变设计。

7.如权利要求5所述的压控磁性阻抗变换器，其特征在于，各层所述磁性介质层上均嵌入有金属传输线。

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