CN209786154U - 一种等离子体波导移相器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种等离子体波导移相器，其属于射频通信技术领域。该移相器以波导为基础载体，结合固体半导体等离子体的相关技术实现了电磁波在波导内部的相位变化。该移相器主要包含波导和固体半导体等离子体两部分，波导可以使用多种形式，固体半导体等离子体又有体积小、可独立控制的特点，既可以按照传统数字移相器的设计思路来设计，也可以设计成连续可调的移相器。本实用新型的移相器和传统移相器相比，具有如下主要优势：插损小；设计灵活，固体半导体等离子体可以被集成在任意结构的波导内壁上；对于高频使用有很大优势；控制方便简单，固体半导体等离子体只有两种状态，可以简单的通过外部压控实现状态的变化。

Description

一种等离子体波导移相器

技术领域

本实用新型属于射频通信技术领域，特别涉及一种区别于传统概念的新型固体半导体等离子体波导移相器。

背景技术

移相器在雷达、通信等领域有广泛且重要的作用。在不同的使用场景下，对移相器的结构、射频性能有着不同的要求。因此，移相器包含了各种各样不同的种类：固定移相器、可调移相器、波导移相器、铁氧体移相器、微带移相器等等。随着通信技术的不断发展，对于电子器件小型化的要求不断加强，毫米波频段的应用也愈发广泛。但是，频率的升高使得射频器件损耗、散热等多种问题变得更加难以解决。对于射频领域的移相器来说，小型化、相位精度、控制复杂度、散热等等要求也变得越来越高，相对成熟的微带形式的移相器、固定移相量的移相器等在相对高的频率下应用会受到很多限制。

针对以上问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

有鉴于此，本实用新型提供了一种新型的固体半导体等离子体波导移相器，以适应较高频段的应用。相比传统的移相器，本实用新型的移相器具有设计灵活的特点，可以被设计成固定移相量的移相器，也可以作为数字移相器来使用，并且移相步进可根据实际需求灵活设计。

本实用新型针对的是用来传输无线电波的金属矩形波导，可以为空心波导，亦可以为介质波导。为了使传输效率最大化，电磁波以基模即TE10模进行传播。本实用新型将固体半导体等离子体放置在矩形波导的窄边的内侧，移相便是利用了固体半导体等离子体的介质特性对电压的不同反应而实现的。当固体半导体等离子体单元没有被直流电压驱动时表现为半导体介质，当固体半导体等离子体单元被直流电压所驱动时表现为像金属一样的良导体。通过加电处理，固体半导体等离子体导电率大大提升，可近似看作趋近于金属的一种材料，而其位置又在波导窄边内壁，便等效的把波导的长边进行了压缩，从而以新的基模进行传播的电磁波频率便会升高，和原本波导内传播的基模对应的电磁波频率产生了变化，基模的变化导致了相位在加电前后的不同，因此达到移相的目的。下面将从结构上作具体阐述。

本实用新型以BJ320波导为基础，设计了两种形式的移相器，分别是5比特数字移相器和360度连续可调移相器，以此来说明本实用新型的优势。此种移相器的基本结构由波导和固体半导体等离子体单元构成。5比特的移相器被分为5个移相段，各部分彼此独立，每个移相段的移相量分别为固定的11.25°，22.5°，45°，90°和180°，通过其相互的组合来控制所需的相位，在36GHz时，仿真的相位精度能够在0.5°以内，带内插损平坦度在±0.2dB以内。本实用新型展示的360度连续可调移相器其移相步进为1°，可通过外部的360路控制任意调整移相量，移相量为1的整数倍。

所述BJ320波导是标准波导，与本实用新型的使用频段相对应，此外还可选用脊波导、非标波导等其他形式的波导作为射频传输载体；

所述5比特移相器工作原理和传统数字移相器相同，都是将移相量数字化，对固定的移相量模块进行开关控制，并通过相应的组合达到移相目的；

所述移相段是指拥有固定移相量的一组固体半导体等离子体单元构成的波导结构，包括固定长度的波导和与其长度基本相同的一组固体半导体等离子体单元，每一个移相段的一组固体半导体等离子体单元状态均有两种状态：移相态和非移相态，每个移相段的一组固体半导体等离子体单元由独立的一个开关控制；

所述360度连续可调移相器是将固定移相量细化到所需的移相度数，比如1°，此时每个移相段在两种状态下的相位差均为所需移相度数，比如1°，通过独立的与每个移相段一一对应的驱动电路可以任意对该移相器的移相量进行控制。

本实用新型的有益效果是：

以传统的波导作为载体，结合固体半导体等离子体这一技术手段，可以在极低的插入损耗下实现对射频信号的移相功能。利用固体半导体等离子体精度高、控制简单、不与射频信号干扰等优势，完全可以设计并制作出取代传统移相器的新型移相器。而且，本实用新型所提出的技术路线设计灵活，可根据不同情况进行多种多样的设计。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型固体半导体等离子体波导移相器结构图；

图2为本实用新型不同形式的波导移相器侧视图；

图3(a)为本实用新型固体半导体等离子体单元结构图；

图3(b)为本实用新型固体半导体等离子体单元驱动电路示意图；

图4为本实用新型360度连续可调移相器结构图；

图5为本实用新型5比特数字移相器的移相量示意图；

图6为本实用新型5比特数字移相器的插损示意图；

图7为本实用新型360度连续可调移相器最小移相量示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型实施例设计的移相器工作频率为36GHz。

图1是该本实用新型的说明示例之一，5比特数字移相器100，包括以下两部分：波导101，波导可采用任意形式，图中仅作示意；在波导内壁安置了不同数目的固体半导体等离子体单元200，具体形状可根据不同波导的内壁结构进行相应的调整。图1中共有5段长度不等的移相段，每一段对应一种固定的移相量，分别是11.25°，22.5°，45°，90°和180°。每一个移相段内都有相应数目的一组固体半导体等离子体单元，且每组固体半导体等离子体单元都由对应的驱动电路控制，各移相段相互独立，互不影响，通过不同的组合方式来改变该移相器的移相量，移相量为11.25°的整数倍。

图2列举了三种不同波导形式的移相器侧视图：1011是常规矩形波导的侧视图，1012是单脊波导的侧视图，1013是双脊波导的侧视图。在1011、1012和1013中，固体半导体等离子体均放置在波导两侧的窄边内壁。

图3(a)是本实用新型使用的固体半导体等离子体单元200的结构示意图：每一个固体半导体等离子体单元200包括SPIN二极管、依次设置于所述SPIN二极管下部的氧化层206和介质基板205，其中介质基板205可以为硅，也可以是玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板；所述SPIN二极管设置于所述固体半导体等离子体单元200的表面，由本征层202、P⁺层203和N⁺层204构成；所述SPIN二极管采用横向结构，所述本征层完全暴露于所述氧化层206的上部，所述P⁺层和所述N⁺层分别设置于所述本征层202两侧的上部；在所述P⁺层203和所述N⁺层204的远离所述本征层的一侧的上部均设置金属触点201。

固体半导体等离子体单元200在波导内壁摆放时，介质基板205紧贴于波导内壁，所述SPIN二极管位于最外侧。

一个固体半导体等离子体单元200的长度为20-200微米，宽度100-900微米，厚度为20-70微米，金属触点的宽度为5-20微米。

图3(b)为具有一定数目(≥1)的一组固体半导体等离子体单元及其驱动电路。每组固体半导体等离子体单元有一个与之一一对应的控制开关电路207通过导线208与该组每一个固体半导体等离子体单元200的P⁺层203的金属触点201连接，且该组所有半导体等离子体单元200的N⁺层204金属触点201通过导线209与电源地连接。当控制开关电路207打开并输出大于0V的驱动电压到该组所有半导体等离子体单元200的P⁺层203金属触点201时，该组半导体等离子体单元就处于打开状态(移相状态)；当控制开关电路207关闭并输出0V的电压到该组所有半导体等离子体单元200的P⁺层203金属触点201时，该组半导体等离子体单元就处于关闭状态(非移相状态)。控制开关电路207、导线209、导线208等驱动电路是通过TFT等半导体工艺与固体半导体等离子体单元200一体化集成于同一块介质基板上制造而成。固体半导体等离子体导通与不导通状态切换时间小于1微秒，一个固体半导体等离子体单元200的驱动电压≥0.5V，驱动电流在0.1～30mA。

图4是本实用新型展示的另一种360度连续可调移相器结构示意图，在具体实施例中，该移相器在36Ghz时可以以1°的最小步进进行相位改变，最大移相量为360°。图中301是波导，具有相同数量(≥1)固体半导体等离子体单元200的每组固体半导体等离子体移相段302均匀的排布在波导的窄边内壁。每个移相段均由如图3(b)所示独立的驱动电路进行控制。除本实用新型实施例展示的1°最小步进外，可根据实际使用精度要求进行最小步进以及总移相量设计，例如通过控制302中每组固体半导体等离子体单元数量，在36Ghz时理论上可以实现以0.5°的最小步进进行相位改变。

图5展示的是5比特数字移相器的移相量示意图，可以看出在36GHz时各阶段的移相量准确度在0.5°以内。

图6是5比特数字移相器的插损示意图，图中展示了三种移相量下不同状态的移相器损耗，图中初始状态即为未移相状态，相比移相状态的损耗低很多，在0.03dB以内，在90°的移相状态下损耗在0.11dB左右，最大180°状态时损耗基本是其两倍，整个5比特移相器所有移相段都工作时，损耗在0.5dB以内。可以看出本实用新型所提出的移相器相比传统移相器损耗很低,且在34GHz～38GHz整个带内的插损一致性保持在±0.2dB以内。

图7是本实用新型360度连续可调移相器以1°的步进移相时移相量示意图，可以看出在34GHz～38GHz间的相位一致性保持在0.2°以内。

综合以上结果可以看出，本实用新型所提出的固体半导体等离子体波导移相器具有低损耗，设计灵活，适用于高频段，控制方便简单等众多优点。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种等离子体波导移相器，其特征在于，包括：

波导和多组固体半导体等离子体单元，所述固体半导体等离子体单元均放置在所述波导两侧的窄边内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

所述等离子体波导移相器具有5个移相段，每个移相段的移相量分别为固定的11.25°，22.5°，45°，90°和180°，通过其相互的组合来控制所需的相位。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

所述波导是标准波导、脊波导、或非标波导。

4.根据权利要求2所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

所述移相段是指拥有固定移相量的一组固体半导体等离子体单元构成的波导结构，包括固定长度的波导和与其长度基本相同的一组固体半导体等离子体单元，每一个移相段的一组固体半导体等离子体单元状态均有两种状态：移相态和非移相态，每个移相段的一组固体半导体等离子体单元由独立的一个开关控制。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

所述等离子体波导移相器为360度连续可调移相器，将固定移相量细化到所需的移相度数，每个移相段在两种状态下的相位差均为所需移相度数，通过独立的与每个移相段一一对应的驱动电路可以任意对该移相器的移相量进行控制。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

每个所述固体半导体等离子体单元包括：SPIN二极管、依次设置于所述SPIN二极管下部的氧化层和介质基板，介质基板紧贴于所述波导的内壁上，所述SPIN二极管位于最外侧。

7.根据权利要求6所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

所述介质基板可以为硅，也可以是玻璃、蓝宝石、碳化硅为材料的平面或曲面介质基板。

8.根据权利要求6所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

所述SPIN二极管设置于所述固体半导体等离子体单元的表面，由本征层、P⁺层和N⁺层构成；所述SPIN二极管采用横向结构，所述本征层完全暴露于所述氧化层的上部，所述P⁺层和所述N⁺层分别设置于所述本征层两侧的上部；在所述P⁺层和所述N⁺层的远离所述本征层的一侧的上部均设置金属触点。

9.根据权利要求8所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

每个所述固体半导体等离子体单元的长度为20-200微米，宽度100-900微米，厚度为20-70微米，所述金属触点的宽度为5-20微米。

10.根据权利要求8所述的一种等离子体波导移相器，其特征在于，

每组固体半导体等离子体单元有一个与之一一对应的控制开关电路，所述控制开关电路通过导线与该组每一个固体半导体等离子体单元的P⁺层的金属触点连接，且该组所有固体半导体等离子体单元的N⁺层和金属触点通过导线与电源地连接。