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(substrateintegratedwaveguide,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yujiancheng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yujiancheng,weihong,kewu,"broadbandself-compensatingphaseshiftercombiningdelaylineandequal-lengthunequal-widthphaser",ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,2010,58(1):203-210。
研究者frédéricparment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frédéricparment,anthonyghiotto,tan-phuvuong,jean-marcduchamp,kewu,"doubledielectricslab-loadedair-filledsiwphaseshiftersforhigh-performancemillimeter-waveintegration",ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,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-integratedwaveguidephaseshifterwithrod-loadedartificialdielectricslab,”electronicsletters,2015,51(9):707-709。
技术实现要素:
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rogers5880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rogers5880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ansofthfss仿真优化后,获得了最佳的参数尺寸,具体如表1所示:
表1
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
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
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。