CN114122650B - 一种波导电控二极管移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导电控二极管移相器，通过结构级联，所设计的波导电控移相器可实现0‑360°相位周期内数字式步进式移相，可满足实际相控阵天线的移相需求，而且波导电控移相器采用了加载式结构，在实现移相的同时只有部分能量通过加载结构，使得移相器具有较低的插损以及较高的功率容量；同时，相比于传统波导电控移相器，该款移相器具有更高的移相平稳度；同时，所设计的加载结构可采用成熟的PCB工艺实现，同时传输波导结构始终具有均匀的截面，使得整个结构便于加工且具有较低的成本；此外，波导电控移相器结构嵌入波导内部，整个结构被限制在波导截面内，具有尺寸小、重量轻的优点，特别适用于密集排布的阵列应用。

Description

一种波导电控二极管移相器
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种波导电控二极管移相器。
背景技术
移相器是一种可改变传输电磁信号的相位器件，被广泛应用于微波、毫米波馈电网络中，特别是相控阵天线的馈电系统中。移相器通常由一定的电磁信号传输结构与移相控制器件构成。数十年来，移相器已发展出各种型号以及多种类别。移相器可按照不同标准进行分类：按照移相器控制方式可分为机械式移相器和电控式移相器；按照移相相位步进状态可分为模拟式移相器和数字式移相器；按照移相器所使用的传输结构可分为平面传输线移相器、波导移相器、集总式移相器等。其中，基于平面传输线结构以及集总器件的移相器由于尺寸小、成本低、便于加工和集成等优点，在目前的应用中最为常见。但是，这类移相器通常也具有插损高、功率容量低等缺点。
在很多对插损、功率容量要求较高的应用中，波导结构，包括金属波导、介质波导、平面集成波导等，常常被用作传输结构，由此衍生出对波导移相器的需求。由于波导结构、场分布较一般传输线更为复杂，使得波导移相器的设计相对困难。目前，波导移相器多为铁氧体式或机械式。这类移相器通常具有功率容量大、带宽较宽、插损较小的优点，但也存在着体积大、控制功耗高、响应速度慢等缺点。特别地，铁氧体移相器响应时间主要取决于铁氧体的磁化速度，通常为毫秒量级；机械式移相器响应时间主要取决于机械装置的动作速度，通常为秒量级，采用特殊的微机电开关等装置可达毫秒量级。这样的响应时间难以满足一些实际应用的要求，如需要波束快速偏转的相控阵雷达或高速数传系统。
为了克服上述问题，研究人员提出和设计了多种基于变容二极管、PIN二极管等的电控波导移相器，其相应时间可达纳秒量级。例如，Wu Ke等人设计了一款利用波导表面缝隙加载变容二极管实现电控移相的平面集成波导移相器(Y.Ding and K.Wu,“Vara-ctor-Tuned Substrate Integrated Waveguide Phase Shifter,”2011 IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium,Jun.2011.)；Badar等人利用波导耦合腔结构结合PIN二极管加载的表面缝隙实现了一款平面集成波导电控移相器(B.Muneer,Q.Zhu andS.Xu,“A Broadband Tunable Multilayer Substrate Integrated Waveguide PhaseShifter,”IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.25,no.4,pp.220-222,Apr.2015.)；A.E.Martynyuk等人将苯并环丁烯材料构成的特殊偏置结构膜片放置于金属圆波导中实现了反射式的电控圆波导移相器(A.E.Martynyuk,A.G.Martinez-Lopezand J.I.M.Lopez,“2-bit X-Band Reflective Waveguide Phase Shifter with BCB-Based Bias Circuits,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.54,no.12,pp.4056-4061,Dec.2006.)。但是，目前的波导电控移相器存在着插损高、带宽窄、移相精度差等问题。同时，已有的波导电控移相器通常不能实现0-360°相位周期内连续的或步进式的相位调整，使得其难以在实际系统中发挥作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种波导电控二极管移相器，具有插损小，可实现0-360°相位周期内步进式高精度移相的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种波导电控二极管移相器，级联在一起的指定角度的加载式移相结构与180°移相结构，所述指定角度的加载式移相结构数目为N个，实现N+1位波导数字电控移相器，所述N大于等于1；其中：
所述指定角度的加载式移相结构包括：金属波导，以及平行于金属波导宽边且距金属波导宽边中心有指定距离的第一电路板；所述第一电路板上印刷有口字形金属结构，包括两条竖直金属条带以及上下两侧的金属脊；两条竖直金属条带与上下两侧的金属脊之间加载有二极管开关，通过控制二极管开关在导通和截止间切换实现移相功能；
所述180°移相结构包括：左右两部分，左部分包括右侧封闭的金属波导，右部分包括左侧封闭的金属波导，左右两部分金属波导中心对齐，第二电路板横跨左右两部分金属波导的宽边中心位置，且同时与左右两部分金属波导窄边平行，实现左右两部分金属波导的连接；第二电路板左侧位于左部分的金属波导内，印有渐变金属结构，第二电路板右侧位于右部分的金属波导内，印有微带线结构与微带探针结构，渐变金属结构经左部分金属波导右侧的开口结构与微带线结构相连；微带线结构包含对称的上下两部分，并设置有一对二极管开关，实现上下两条传输路径的切换；微带线结构将信号向右部分传递，并经右部分金属波导侧壁上的开口结构传递至微带探针结构；微带探针结构上加载有二极管开关，与微带线结构上的二极管开关共同作用实现完整的上下传输路径切换功能；
每一移相结构中电路板与相应金属波导固定连接，并且通过偏置金属线两端分别连接电路板与直流电源，同时将相应金属波导的波导壁与直流电源地相接，构成完整的直流偏置回路。
由上述本发明提供的技术方案可以看出：1)通过结构级联，所设计的波导电控移相器可实现0-360°相位周期内数字式步进式移相，可满足实际相控阵天线的移相需求。2)波导电控移相器采用了加载式结构(也后文图2与图3所示结构)，在实现移相的同时只有部分能量通过加载结构，使得移相器具有较低的插损以及较高的功率容量；同时，相比于传统波导电控移相器，该款移相器具有更高的移相平稳度。3)所设计的加载结构可采用成熟的PCB工艺实现，同时传输波导结构始终具有均匀的截面，使得整个结构便于加工且具有较低的成本。4)波导电控移相器结构嵌入波导内部，整个结构被限制在波导截面内，具有尺寸小、重量轻的优点，特别适用于密集排布的阵列应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种波导电控二极管移相器的示意图；
图2为本发明实施例提供的指定角度的加载式移相结构的示意图；其中，(a)部分：剖面图；(b)部分：前视图；
图3为本发明实施例提供的180°移相结构的示意图；其中，(a)部分：剖面图；(b)部分：前视图；
图4为本发明实施例提供的实现22.5°移相的仿真结果，其中，(a)部分：反射系数与传输系数；(b)部分：移相量；
图5为本发明实施例提供的实现45°移相的仿真结果，其中，(a)部分：反射系数与传输系数；(b)部分：移相量；
图6为本发明实施例提供的实现90°移相的仿真结果，其中，(a)部分：反射系数与传输系数；(b)部分：移相量；
图7为本发明实施例提供的实现180°移相的仿真结果，其中，(a)部分：反射系数与传输系数；(b)部分：移相量；
图8为本发明实施例提供的4位波导数字电控移相器的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的实现4位数字移相的仿真结果，其中，(a)部分：反射系数；(b)部分：透射系数；(c)部分：移相量。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的一种波导电控二极管移相器进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，一种波导电控二极管移相器，主要包括：级联在一起的指定角度的加载式移相结构(小角度加载式移相结构)与180°移相结构，所述指定角度的加载式移相结构数目为N个，实现N+1位波导数字电控移相器，所述N大于等于1；通过合理的参数设计以及结构级联，所设计的波导电控二极管移相器可实现0-360°相位周期内数字式步进式移相，可满足实际相控阵天线的移相需求。
下面针对指定角度的加载式移相结构与180°移相结构分别进行介绍。
1、指定角度的加载式移相结构。
本发明实施例中，指定角度可以根据实际情况设定，例如，22.5°、45°、90°等，单个指定角度的加载式移相结构能够实现0-180°范围内的任意移相。
如图2所示，其主要包括：金属波导1，以及平行于金属波导宽边且距金属波导宽边中心有指定距离的第一电路板2；所述第一电路板上印刷有口字形金属结构，包括两条竖直金属条带3以及上下两侧的金属脊5；两条竖直金属条带3与上下两侧的金属脊5之间加载有二极管开关4，通过控制二极管开关4在导通和截止间切换实现移相功能。
第一电路板的顶部与底部设有与金属波导的波导壁相对应的金属边6，金属边6中开有金属化槽7；波导壁上设有与金属化槽7所对应的金属销8，金属化槽7与金属销8相配合，将所述第一电路板固定在金属波导上，并通过焊接实现第一电路板与波导壁的电气连接；两条竖直金属条带3与偏置金属线9相连接，偏置金属线9上加载有隔直电感10；偏置金属线通过第一电路板2一侧以及波导壁上对应位置的开槽11引出并与直流电源相接，同时波导壁与直流电源地相接，构成完整的直流偏置回路。
指定角度的加载式移相结构基于电抗加载原理，通过控制二极管开关的通断实现移相功能，指定角度的加载式移相结构具有两个工作状态：当直流偏置端施加正向电压时工作于第一状态，此时所有的二极管开关同时导通，两条竖直金属条带与波导壁直接连通，等效为一个电感性加载；当直流偏置端施加反向电压时工作于第二状态，此时所有的二极管开关同时断开，两条竖直金属条带与波导壁断开，二极管开关的结电容，以及两条竖直金属条带与上下两侧的金属脊之间的缝隙等效为一个电容性加载；在两种工作状态下，微波信号通过该指定角度的加载式移相结构时具有不同的传输相位，由此实现移相功能。同时，金属脊5的高度与宽度、第一电路板2与波导中心12的距离等参数经过适当设计，以保证结构在两个工作状态下均具有良好的阻抗匹配。
2、180°移相结构。
如图3所示，主要包括：左右两部分，左部分包括右侧封闭的金属波导13，右部分包括左侧封闭的金属波导14，左右两部分金属波导中心对齐，通过第二电路板15相连接。
第二电路板15横跨金属波导13、金属波导14的宽边中心位置12，且同时与两金属波导窄边平行，由此实现两波导的连接；第二电路板左侧位于左部分的金属波导内，印有渐变金属结构16，第二电路板右侧位于右部分的金属波导内，印有微带线结构18与微带探针结构20，渐变金属结构16经左部分金属波导右侧的开口结构17与微带线结构18相连；微带线结构包含对称的上下两部分，并设置有一对二极管开关4(右部分中左侧上下两个)，实现上下两条传输路径的切换；微带线结构18将信号向右部分传递，并经右部分金属波导侧壁上的开口结构19传递至微带探针结构20；微带探针结构上加载有二极管开关4(右部分中右侧上下两个)，与微带线结构上的二极管开关4共同作用实现完整的上下传输路径切换功能。
与指定角度的加载式移相结构类似的，第二电路板与相应金属波导固定连接，并且通过偏置金属线两端分别连接电路板与直流电源，同时将相应金属波导的波导壁与直流电源地相接，构成完整的直流偏置回路。如图3所示，金属波导13、金属波导14的壁上设置有金属销8(图示中，波导13处的金属销为“L”形，波导14处的金属销为“U”形，实际中也可为其他便于固定的结构)，第二电路板15上设置有与金属销对应的金属化槽7，两者配合完成第二电路板的定位。在此基础上，再通过金属销8与金属槽7间的焊接实现第二电路板与波导壁间的机械固定与电气连接。此外，第二电路板15上还设置有金属结构6、偏置金属线9、隔直电感10与上下两个直流引出结构21以完成对加载开关4的通断控制功能：对于右部分金属波导中左侧上下两个开关，由上下两个直流引出结构21、隔直电感10、微带线结构18、渐变金属结构16、金属结构6、金属化槽7、金属销8、金属波导13共同构成直流偏置回路；对于右部分金属波导中右侧上下两个开关，由上下两个直流引出结构21、隔直电感10、微带线结构18、微带探针结构20、偏置金属线9共同构成直流偏置回路。
所述180°移相结构基于路径切换原理实现180°移相；其具有两个工作状态：当上方直流引出结构21施加正向电压、下方直流引出结构21施加反向电压并且金属波导13、金属波导14的波导壁接直流地时，工作于第一状态，此时，右部分中上方的两个二极管开关导通，下方的两个二极管开关断开，信号通过上方的路径传输；当上方直流引出结构21施加反向电压、下方直流引出结构21施加正向电压并且金属波导13、金属波导14的波导壁接直流地时，工作于第二状态，此时，右部分中下方两个的二极管开关导通、上方的两个二极管开关断开，信号通过下方的路径传输；所述180°移相结构的右部分关于中心线呈镜像对称，在第一状态与第二状态下，当信号分别由上方、下方路径馈入右部分金属波导时，右部分金属波导内场分布也呈镜像对称，由此实现180°移相。
基于上述波导电控二极管移相器的结构提供如下优选方案：
1)金属波导(包括图2～图3中标记1、13、14所示的三类金属波导)可为矩形波导、圆波导以及带脊波导。
2)第一电路板2与第二电路板15为低插损高频电路板，且具有较低的介电常数与较薄的厚度以减小对波导传输的影响。
3)可保留第一电路板2与第二电路板15上的金属结构而将其电介质结构舍去或替换为其他具有支撑作用的结构。
4)金属条带3为矩形，宽度为0.001λ～0.4λ，两金属条带(3)间距为0.1λ～1λ。
5)金属条带3可为菱形、圆形、蜿蜒线型，同时根据等效原理，金属条带可用金属柱、金属薄片替代。
6)二极管开关4可为低插损的PIN二极管开关、变容二极管开关、肖特基二极管开关或微机电MEMS开关。
7)图2与图3移相结构中二极管开关4的数目为2-8个，更多的开关数目有助于降低损耗。
8)金属脊5的宽度与两金属条带3的距离相同，金属脊5的高度为波导高度的0.01倍～0.45倍。
9)可采用位于上侧或下侧的具有更高高度的单条金属脊5代替上、下两侧的两条金属脊5。
10)金属化槽7以及金属销8的形状可为腰形、L形、长方形、圆角矩形、圆形以及菱形。
11)偏置金属线9的宽度为0.001λ～0.1λ，可从波导的顶部或底部引出。
12)隔直电感10可为集总电感以及分布式电感。
13)第一电路板2与波导中心12的间距可为0～0.5倍波导宽度。
14)渐变金属结构16可为阶梯状、指数渐变、直线渐变、或者抛物线渐变。
15)微带线结构18的特征阻抗为10Ω～200Ω，较高的特征阻抗有助于减小开关插损，但会带来更大的传输插损且更难以加工。
16)微带探针20距右部分的金属波导左侧封闭端的距离为0.1λg～0.5λg，最优间距通常为0.25λg，其中λg为波导波长。
本发明实施例提供的上述波导电控二极管移相器相较于现有方案主要获得如下有益效果：
1)通过结构级联，所设计的波导电控移相器可实现0-360°相位周期内数字式步进式移相，可满足实际相控阵天线的移相需求。
2)波导电控移相器采用了加载式结构，在实现移相的同时只有部分能量通过加载结构，使得移相器具有较低的插损以及较高的功率容量；同时，相比于传统波导电控移相器，该款移相器具有更高的移相平稳度。
3)所设计的加载结构可采用成熟的PCB工艺实现，同时传输波导结构始终具有均匀的截面，使得整个结构便于加工且具有较低的成本。
4)波导电控移相器结构嵌入波导内部，整个结构被限制在波导截面内，具有尺寸小、重量轻的优点，特别适用于密集排布的阵列应用。
为了说明本发明上述方案的效果，下面结合三种仿真实验进行说明。
仿真实验一。
本仿真实验中，单独使用图2所示的指定角度的加载式移相结构，为实现移相功能，在均匀矩形金属波导1中加载第一电路板2。第一电路板2与矩形波导窄边平行放置，且与波导宽边中心12有一定距离。第一电路板2上印刷有口字形金属结构，包括两条竖直金属条带3以及上、下两侧的金属脊5。在两条竖直金属条带3与上、下两侧的金属脊5之间的四个缝隙中均加载一个二极管开关。在第一电路板2的顶部与底部设置金属边6并在其中刻蚀出金属化槽7，同时在波导壁上加工与金属化槽7相对应的金属销8。通过金属化槽7与金属销8的配合结合焊接工艺以固定电路板2在波导中的位置，并且实现口字形金属结构与波导壁的电气连接。为实现对二极管开关4的控制，利用印刷的偏置金属线9与金属条带3相连，并且通过波导侧面的开槽11将偏置金属线9引出波导外。为了隔绝直流偏置电路对微波信号的影响，在偏置金属线9靠近金属条带3的位置处以及偏置金属线9的引出端均加载隔直电感10。此时，只需将引出的偏转金属线9连接直流电源输出端，同时将波导壁与直流地相接，即可形成完整的直流偏置回路。
该移相结构及其基于电抗加载原理，通过控制结构中二极管开关的通断实现移相功能，具体的原理在前文进行了说明，此处不再赘述。
如之前所述，指定角度可以根据实际情况设定，例如，22.5°、45°、90°等，下面以示例的形式提供上述三种角度的仿真结果。
图4为应用指定角度的加载式移相结构实现22.5°移相的仿真结果。本示例中，加载式移相结构中心工作频率为9.6GHz，结构被放置于宽24mm，高6mm的铝制金属矩形波导中。结构中第一电路板2采用厚度0.508mm的Rogers 5880介质板，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；结构中的二极管开关4选用Skyworks公司的PIN型二极管DSM8100-000；结构中的隔直电感10选用Coilcraft公司的集总式线绕电感0201DS-5N4XJE。结构中的其他主要设计参数为：第一电路板2与波导中心12的距离为7.8mm；金属条带3的宽度为0.3mm，中心间距为10mm；金属脊5高为0.05mm，与金属条带3的间隙为0.4mm。从图4的(a)部分中可以看到，该结构两移相状态(状态1#、状态2#各自对应第一状态、第二状态)在9GHz-10.2GHz频段内反射小于-25dB，插损优于-0.06dB，具有良好的匹配和很低的插损。从图3的(b)部分中可以看到，该结构在中心频率9.6GHz处可提供22.5°相移，并且在9GHz-10.2GHz频段内相移量保持为22.32°-24.52°，具有良好的移相平稳度。
图5为应用指定角度的加载式移相结构实现45°移相的仿真结果。本示例中，结构工作频段、波导尺寸、电路板以及集总器件型号与图4中示例一致，但是电路板上的金属结构尺寸略有不同。主要设计参数为：第一电路板2与波导中心12的距离为6.5mm；金属条带3的宽度为1.18mm，中心间距为10.57mm；金属脊5高为0.66mm，与金属条带3的间隙为0.4mm。从图5的(a)部分中可以看到，该结构两移相状态在9GHz-10.2GHz频段内反射小于-20dB，具有良好的匹配。在9GHz-10.2GHz的工作频段内，结构在第一状态下的插损优于-0.16dB，在第二状态下的插损优于-0.09dB，结构具有很低的插损。从图5的(b)部分中可以看到，该结构在中心频率9.6GHz处可提供45°相移，并且在9GHz-10.2GHz频段内相移量保持为44.76°-48.16°，具有良好的移相平稳度。
图6为应用指定角度的加载式移相结构实现90°移相的仿真结果。本示例中，结构工作频段、波导尺寸、电路板以及集总器件型号与图4以及图5中示例一致，但是电路板上的金属结构尺寸略有不同。主要设计参数为：第一电路板2与波导中心12的距离为4.4mm；金属条带3的宽度为3.3mm，中心间距为11.1mm；金属脊5高为2mm，与金属条带3的间隙为0.4mm。从图6的(a)部分中可以看到，该结构在9GHz-10.2GHz频段内第一状态和第二状态的反射分别小于-12dB与-17dB，具有良好的匹配。在9GHz-10.2GHz的工作频段内，结构在状态1#下的插损优于-0.7dB，在状态2#下的插损优于-0.18dB，结构具有较低的插损。从图6的(b)部分中可以看到，该结构在中心频率9.6GHz处可提供90°相移，并且在9GHz-10.2GHz频段内相移量保持为89.37°-92.97°，具有良好的移相平稳度。
仿真实验二
本仿真实验中，采用图3所示的180°移相结构，结构包含两段对向放置的金属波导13与14，其中左边的金属波导13右侧封闭，而右边的金属波导14左侧封闭。两金属波导通过放置在波导宽边中心处的第二电路板15相连接。第二电路板15左侧位于波导13内，其上印刷有阶梯状渐变金属结构16。渐变金属结构16通过右侧的波导壁开口17与微带线结构18相连，由此将电磁信号由左侧波导13中转换至微带线结构18中。微带线结构18上加载有一对二极管开关4，通过控制其通断可在实现在上、下两条传输路径间切换。微带线结构18引导电磁信号向右传输，并经右侧波导14侧壁上的开口19后转换为微带探针结构20，由此将所承载的电磁信号传递至右侧波导中。微带探针结构20上加载有一对二极管开关4，通过控制其通断与前述微带线结构18上的二极管开关相配合，以实现完整的上、下传输路径切换功能。此外，结构还具有和实施例1中类似的用于电路板固定、电气连接以及偏置的金属边6、金属化槽7、金属销8、偏置金属线9以及隔直电感10。
该移相结构基于路径切换原理实现180°移相，具体的原理在前文进行了说明，此处不再赘述。
本仿真实验中，利用180°移相结构以实现特定的180°移相，下面以示例的形式提供仿真结果。
图7为基于180°移相结构以实现特定的180°移相的仿真结果。本示例中，结构工作频段、波导尺寸以及集总器件型号与仿真实验一中的示例一致，但电路板采用厚度为0.787mm的Rogers 5880介质板。结构中的其他主要设计参数为：渐变金属结构16包含6级阶梯，每一级阶梯高1.03mm、长1.53mm，结构右侧距波导壁0.6mm；微带线结构18宽0.39mm，特征阻抗约为125Ω；微带探针结构20线宽0.39mm，其中心距左侧波导壁10mm；微带探针结构20上加载的两二极管开关4间距为4.4mm。从图7的(a)部分可以看到，由于结构的镜像对称性，结构在两状态下具有完全相同的反射和透射幅度。在9GHz-10.2GHz的工作频段内，结构反射小于-12dB，插损优于-1.2dB，具有良好的匹配效果和较小的插损。从图7的(b)部分中可以看到，结构在中心频率9.6GHz处可提供180.3°相移，并且在9GHz-10.2GHz频段内相移量保持为179.79°-180.45°，具有十分优秀的移相平稳度。
仿真实验三
在前述仿真实验一～仿真实验二的基础上，设置图8所示的波导电控二极管移相器结构，即将所设计的22.5°、45°、90°以及180°移相结构直接级联，以实现一个完整的4位波导数字电控移相器。其中，每一位移相器的结构与前述相同且相邻两位移相器间距为8mm。由于多位级联是常规的数字移相器步进相位实现方法，故不做赘述，但是，关键在于其中每一位移相(22.5°、45°、90°、180°)的高性能实现，这是本发明上述方案所要达到的目的。
仿真结果如图9所示。从图9的(a)部分中可以看到，该4位波导数字电控移相器在9GHz-10.2GHz频段内，各移相状态反射小于-10dB，具有良好的匹配效果。图9的(b)部分显示该4位移相器在9GHz-10.2GHz工作频段内插损优于-1.2dB，具有较低的损耗。根据图9的(c)部分，该4位波导数字电控移相器可实现0-360°范围内22.5°步进移相，并且在9GHz-10.2GHz频段内各移相状态下移相误差小于5％，具有良好的移相平稳度。基于本实施例中的方法，也可实现更高位数的波导数字式电控移相器。
值得注意的是，上述三个仿真实验中所涉及的参数、尺寸的具体数值均为示例，并非构成限制，在实际应用中，用户可以根据实际情况进行设定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种波导电控二极管移相器，其特征在于，级联在一起的指定角度的加载式移相结构与180°移相结构，所述指定角度的加载式移相结构数目为N个，实现N+1位波导数字电控移相器，所述N大于等于1；其中：
所述指定角度的加载式移相结构包括：金属波导，以及平行于金属波导宽边且距金属波导宽边中心有指定距离的第一电路板；所述第一电路板上印刷有口字形金属结构，包括两条竖直金属条带以及上下两侧的金属脊；两条竖直金属条带与上下两侧的金属脊之间加载有二极管开关，通过控制二极管开关在导通和截止间切换实现移相功能；
所述180°移相结构包括：左右两部分，左部分包括右侧封闭的金属波导，右部分包括左侧封闭的金属波导，左右两部分金属波导中心对齐，第二电路板横跨左右两部分金属波导的宽边中心位置，且同时与左右两部分金属波导窄边平行，实现左右两部分金属波导的连接；第二电路板左侧位于左部分的金属波导内，印有渐变金属结构，第二电路板右侧位于右部分的金属波导内，印有微带线结构与微带探针结构，渐变金属结构经左部分金属波导右侧的开口结构与微带线结构相连；微带线结构包含对称的上下两部分，并设置有一对二极管开关，实现上下两条传输路径的切换；微带线结构将信号向右部分传递，并经右部分金属波导侧壁上的开口结构传递至微带探针结构；微带探针结构上加载有二极管开关，与微带线结构上的二极管开关共同作用实现完整的上下传输路径切换功能；
每一移相结构中电路板与相应金属波导固定连接，并且通过偏置金属线两端分别连接电路板与直流电源，同时将相应金属波导的波导壁与直流电源地相接，构成完整的直流偏置回路；
其中，所述指定角度的加载式移相结构中，第一电路板的顶部与底部设有与金属波导的波导壁相对应的金属边，金属边中开有金属化槽；波导壁上设有与金属化槽所对应的金属销，金属化槽与金属销相配合，将所述第一电路板固定在金属波导上，并通过焊接实现第一电路板与波导壁的电气连接；两条竖直金属条带与偏置金属线相连接，偏置金属线上加载有隔直电感；偏置金属线通过第一电路板一侧以及波导壁上对应位置的开槽引出并与直流电源相接，同时波导壁与直流电源地相接，构成完整的直流偏置回路；
所述180°移相结构中，左右两部分金属波导的壁上各自设置有金属销，第二电路板上设置有与金属销对应的金属化槽，两者配合完成第二电路板的定位；第二电路板上还设置有金属结构、偏置金属线、隔直电感与上下两个直流引出结构完成对二极管开关的通断控制功能：对于右部分金属波导中左侧上下两个二极管开关，由上下两个直流引出结构、隔直电感、微带线结构、渐变金属结构、金属结构、金属化槽、金属销、左部分金属波导共同构成直流偏置回路；对于右部分金属波导中右侧上下两个二极管开关，由上下两个直流引出结构、隔直电感、微带线结构、微带探针结构、偏置金属线共同构成直流偏置回路。
2.根据权利要求1所述的一种波导电控二极管移相器，其特征在于，所述指定角度的加载式移相结构能够实现0-180°范围内的任意移相；基于电抗加载原理，通过控制二极管开关的通断实现移相功能，指定角度的加载式移相结构具有两个工作状态：
当直流偏置端施加正向电压时工作于第一状态，此时所有的二极管开关同时导通，两条竖直金属条带与波导壁直接连通，等效为一个电感性加载；当直流偏置端施加反向电压时工作于第二状态，此时所有的二极管开关同时断开，两条竖直金属条带与波导壁断开，二极管开关的结电容，以及两条竖直金属条带与上下两侧的金属脊之间的缝隙等效为一个电容性加载；在两种工作状态下，微波信号通过该指定角度的加载式移相结构时具有不同的传输相位，由此实现移相功能。
3.根据权利要求1所述的一种波导电控二极管移相器，其特征在于，所述180°移相结构基于路径切换原理实现180°移相；
其具有两个工作状态：当上方直流引出结构施加正向电压、下方直流引出结构施加反向电压并且左部分金属波导与右部分金属波导的波导壁接直流地时，工作于第一状态，此时，右部分中上方的两个二极管开关导通，下方的两个二极管开关断开，信号通过上方的路径传输；当上方直流引出结构施加反向电压、下方直流引出结构施加正向电压并且左部分金属波导与右部分金属波导的波导壁接直流地时，工作于第二状态，此时，右部分中下方两个的二极管开关导通、上方的两个二极管开关断开，信号通过下方的路径传输；
所述180°移相结构的右部分关于中心线呈镜像对称，在第一状态与第二状态下，当信号分别由上方、下方路径馈入右部分的金属波导时，右部分的金属波导内场分布也呈镜像对称，由此实现180°移相。
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