一种集成式360°反射型模拟移相器的制作方法

本发明涉及相控阵雷达领域，尤其涉及一种基于具有旋磁性铁氧体材料的集成式360°反射型模拟移相器。

背景技术：

移相器是对射频信号进行相位调制、而尽可能不产生能量衰减的双端口微波器件，广泛用于通信系统、天线阵列、雷达系统以及微波自动控制系统等领域。随着各领域实际应用对电子系统的体积、重量和功耗的要求越来越严苛，人们寻求各种性能优良、体积小的混合集成或单片集成移相器的愿望也越来越迫切。

现有技术通常设计固态电调模拟移相器主要有两种不同的方法：一种是利用铁氧体磁性材料的磁导率随外加直流偏置磁场的变化而变化导致传输的电磁波的传播常数发生变化，以此来改变传输的电磁波的相位，被称为微波铁氧体移相器。另一种是利用半导体器件如PIN二极管或变容二极管构造特定的电路结构，并使半导体器件的等效参数随外加偏置电压的变化而变化，以此来改变传输的电磁波的相位，被称为微波半导体移相器。微波铁氧体移相器由于重量、体积大，驱动功率大等原因，主要应用在较高峰值功率的场合，且不便于集成小型化；而微波半导体移相器结构紧凑，基于变容二极管的等效电容随外加反向偏压变化的时间短，可以以极快的速度对微波信号进行处理，所以使用其制作的移相器响应速度快，无惯性，易于电控，因此，变容二极管成为目前设计电调模拟式移相器的主流。

为克服上述技术问题，亟需一种集成化、小型化、轻量化且性能优越的模拟移相器。

技术实现要素：

鉴于上文所述，本发明的目的在于提供一种集成式360°反射型模拟移相器，该移相器将多个功能网络集成于具有旋磁性的铁氧体基板上，能够实现移相器轻量化、小型化的需求，有利于与收发组件的其他子电路进行集成；本发明通过调节外加反向偏压实现信号相位在0～360°范围内连续可调，并且基于旋磁材料受外加磁场激励能够改变在材料中传播的电磁波的极化方向，从而可改变本发明信号传输和隔离的方向，进而使得移相器的调节、控制更为灵活；此外本发明能够有效克服传统铁氧体材料制得的移相器所存在的重量、体积过大，开关时间较长等不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成式360°反射型模拟移相器，包括具有旋磁性的铁氧体基板和集成于所述铁氧体基板一表面的信号环流网络、反射电抗网络、反向信号隔离网络、直流电压偏置网络和隔直网络；

所述信号环流网络包括第一环行器和第一永磁体；所述第一环行器包括圆形谐振结，三段互成120度的匹配传输线以及分别与每一匹配传输线串联的50欧姆传输线，所述第一永磁体设于第一环行器的圆形谐振结正上方或正下方；

所述第一环行器为三端口环行器，其第一端口与隔直网络相连接，所述隔直网络包括第一单片电容；

所述第一环行器的第二端口与反射电抗网络相连接，所述反射电抗网络包括两条支路，第一支路为第一微带线串联第一变容二极管，第二支路为与所述第一支路并联的第二变容二极管，并且所述第一变容二极管与第二变容二极管的负极均接入地平面；

所述第一环行器的第三端口与反向信号隔离网络相连接，所述反向信号隔离网络包括第二环行器、第二永磁体及接入地平面的匹配负载；

所述第二环行器包括圆形谐振结，三段互成120度的匹配传输线以及分别与每一匹配传输线串联的50欧姆传输线，所述第二永磁体设于第二环行器的圆形谐振结正上方或正下方；

所述第二环行器为三端口环行器，其第一端口与隔直网络相连接，所述隔直网络包括第二单片电容；

所述第二环行器的第二端口与信号环流网络的第三端口相连接，所述第二环行器的第三端口与两条支路相连接，其中一条支路为匹配负载，具体为与所述50欧姆传输线相匹配的负载；另一条支路包括直流电压偏置网络，所述直流电压偏置网络包括带阻滤波器及与之串联的第二微带线，所述第二微带线终端形成焊盘以作为直流电压馈电点。

进一步地，本发明中反射电抗网络中变容二极管的变容范围均为0.26pF～3.16pF。

进一步地，本发明中反射电抗网络中变容二极管的工作偏压范围为0～20V。

进一步地，本发明中第一变容二极管或第二变容二极管的正极均通过单根金丝与所述第一微带线连接。

具体地，本发明中隔直网络中第一单片电容或第二单片电容与相应端口的连接方式具体如下：在第一环行器或第二环行器的第一端口处50欧姆传输线上开槽将传输线分为相互隔离的两段，然后将单片电容的一极与其中一段传输线相连，并将单片电容的另一极通过两根并联的金丝与另一段传输线相连。

进一步地，本发明中匹配负载包括相互串联的薄膜电阻和微带式金属电极，所述微带式金属电极的一端接入地平面。

进一步地，还包括使得所述50欧姆传输线与所述薄膜电阻相匹配的微带式阻抗匹配网络。

具体地，所述微带式阻抗匹配网络为平衡式开路微带线，所述微带式阻抗匹配网络设置在所述50欧姆传输线和所述薄膜电阻之间。

进一步地，本发明中带阻滤波器包括第三微带线及与所述第三微带线并联的扇形微带开路线。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明移相器电路结构设计合理，通过将多个功能网络集成于具有旋磁性的铁氧体基板一表面，满足了未来发展对移相器轻量化、小型化的需求，并且有利于与收发组件的其他子电路进行集成；本发明通过两个变容二极管及一段均匀微带线实现了信号相位在0～360度连续可调，并且综合利用了旋磁材料的特性，使得移相器的相位传输和隔离的方向可以通过改变外加磁场激励的方向进行调节，进而使得移相器的信号控制更为灵活；本发明移相器在工作频率范围内所有可变相位条件下均具有良好性能，具体如下：移相器输入、输出端口的电压驻波比不超过1.3，传输损耗绝对值不大于4.5dB，反向隔离绝对值大于20dB；此外，本发明通过在铁氧体基板表面印制图形且在铁氧体基板外围设置地平面以便于变容二极管端接入地平面，能够避免在脆性的铁氧体基板上进行打孔或者异形处理，有效减小加工难度。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的集成式360°反射型模拟移相器的电路结构示意图；

图2是本发明实施例1所提供的集成式360°反射型模拟移相器的反射电抗网络示意图；

图3是本发明实施例1所提供的集成式360°反射型模拟移相器中环行器与永磁体的结构示意图；

图4是本发明实施例1所提供的集成式360°反射型模拟移相器的反向信号隔离网络中匹配负载和直流偏置网络的结构示意图；

图5是本发明实施例1所提供的集成式360°反射型模拟移相器的隔直网络示意图；

图6是本发明集成式360°反射型模拟移相器中地平面的一种具体实施方式示意图；

其中，1为变容二极管，2为地平面，3为第一环行器，4为第二环行器，5为扇形微带开路线，6为焊盘，7为薄膜电阻，8为单片电容，9为铁氧体基板，10为金丝，11为第一微带线；12为环行器的微带结构，其中，13为圆形谐振结，14为匹配传输线，15为50欧姆传输线，16为永磁体；17为开路微带匹配线，18为微带式金属电极，19为高阻微带线，21为外部基板，22为金属底面，23为容置槽，24为L型地平面，25为第一环行器的第一端口，26为第二环行器的第一端口。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细的阐述：

实施例1：

一种集成式360°反射型模拟移相器，如图1所示，包括具有旋磁性的铁氧体基板9和集成于所述铁氧体基板9一表面的信号环流网络、反射电抗网络、反向信号隔离网络、直流电压偏置网络和隔直网络；

本发明所提供的基于铁氧体材料的360°反射型模拟移相器的中心频率工作在10GHz，作为优选实施方式，本发明铁氧体基板9的材料应为具有旋磁性的镍铁氧体材料，具体地，本实施例中铁氧体基板9的电磁参数如下：饱和磁化强度为2500高斯，铁磁共振线宽为240奥斯特，相对介电常数为12.6，损耗角正切小于0.0005；为使得移相器适于与其他元器件集成，本实施例中铁氧体基板9的物理结构采用规则的长方体，具体尺寸如下：长为35.6mm，宽为12.9mm，高为0.8mm。本发明集成于铁氧体基板9的整个电路中主要采用的传输线类型为微带线，具体加工方式是在铁氧体基板9的正面印制特定的图形，铁氧体基板9的背面整体金属化处理以作为地平面2，根据本领域技术人员知识，本发明中地平面2的实施方式有多种，不局限本实施例上述内容。

其中：结合图2所示，反射电抗网络包括两条支路，第一支路为特性阻抗为Z₀，物理长度为L₀的第一微带线11串联第一变容二极管，第二支路为与所述第一支路并联的第二变容二极管，并且所述第一变容二极管与第二变容二极管的负极均接入地平面2；

为减少高频时变容二极管1的不可控寄生参量，作为优选实施方式，本实施例采用变容二极管1的封装形式为裸芯片；

为便于所述反射电抗网络与外部电路的匹配，所述第一微带线11的特性阻抗Z₀优选为50欧姆；

进一步地，所述反射电抗网络中变容二极管1的工作偏压范围为0～20V；变容范围为0.26pF～3.16pF；

作为优选实施方式，变容二极管1与第一微带线11的连接的方式如下：所述第一变容二极管或第二变容二极管的正极均通过单根金丝10与所述第一微带线11连接。

信号环流网络包括第一环行器3和第一永磁体；第一环行器3的微带结构如图3所示，具体包括圆形谐振结13，三段互成120度的匹配传输线14以及分别与每一匹配传输线串联的50欧姆传输线15，所述第一永磁体设于第一环行器3的圆形谐振结13正上方或正下方。

本发明采用的第一环行器3为三端口器件，所述环行器具有以下性质：当信号自一端口输入时，信号仅会流向指定的一个端口，而另一个端口几乎没有信号流出，并且，信号的流向具有单向环流性。结合图1所示，本发明将第一环行器3一端口与反射电抗网络连接，根据永磁体16施加的实际磁场方向，将剩余两个端口其中一个作为信号输入端，另一个作为信号输出端，以此构成信号环流网络。当信号的环流方向一定时，本发明信号环流网络可将流进反射电抗网络的信号和流出反射电抗网络的信号进行分离。

上述信号环流网络将流进反射电抗网络和流出反射电抗网络的信号分离后，进一步地，为实现本发明信号的反向隔离，将反向信号隔离网络与所述信号环流网络的第三端口连接：

所述反向信号隔离网络包括第二环行器4、第二永磁体及匹配负载；本发明采用的第二环行器4亦为三端口器件，第二环行器4的微带结构亦如图3所示，具体包括圆形谐振结13，三段互成120度的匹配传输线14以及分别与每一匹配传输线串联的50欧姆传输线15，所述第二永磁体设于第二环行器4的圆形谐振结13正上方或正下方；

反向信号隔离网络中第二环行器4的设计方法与信号环流网络中第一环行器3的设计方法类似，进一步地，如图4所示，本发明将第二环行器4的第三端口(即除了输入信号端口和输出信号端口以外的一个端口)与匹配负载连接，通过第二环行器4的环流作用以使得反向信号直接流入匹配负载，由匹配负载所吸收，而不流出输入端，即实现反向信号隔离。

所述匹配负载为50欧姆匹配负载，包括薄膜电阻7及微带式金属电极18；所述匹配负载与第二环行器4的第三端口连接的具体实施方式可以为：将薄膜电阻7一端与第二环行器4的第三端口相连接，再将薄膜电阻7另一端连接至微带式金属电极18，所述微带式金属电极18通过铁氧体基板9侧壁相应位置的金属化处理与设于铁氧体基板9背面的地平面2连接，以实现将薄膜电阻7的一极接入地平面2。

为了使薄膜电阻7与第二环行器4的第三端口之间能够达到良好的匹配以减少反射信号，实施例还包括在薄膜电阻7与第二环行器4的第三端口之间添加微带式阻抗匹配网络，具体地，所述微带式阻抗匹配网络为开路微带匹配线17。

基于此，由环行器信号可单向环流的性质可知：第二环行器4输入端口和输出端口之间间的信号仅可单向传输，即正向传输，反向隔离。因此，将反向隔离网络接入信号环流网络的第二端口，进而能够实现移相器整体的正向信号移相，反向信号隔离。

结合图4所示，本发明在第二环行器4的第三端口还包括与所述匹配负载相并联的直流电压偏压网络，所述直流偏电压网络包括带阻滤波器与之串联的高阻微带线19，所述带阻滤波器能够隔绝工作频率的信号进出直流偏压网络，达到射频扼流的目的，所述高阻微带线19终端形成焊盘6以作为直流电压馈入点使得直流电压能够接入。设于第二环行器4的第三端口处的直流偏压网络支路对于移相器电路整体的传输损耗和回波损耗几乎没有影响。

具体地，所述带阻滤波器包括高阻微带线19和扇形微带开路线5，优选地，所述高阻微带线19的特性阻抗为80欧姆，几何长度为四分之一工作波长。

结合图5所示，本发明第一环行器3或第二环行器4的第一端口均与隔直网络相连接，所述隔直网络为单片电容8；

具体地，本发明环行器第一端口与单片电容8的连接采用如下方式连接：在第一环行器3或第二环行器4的第一端口处50欧姆传输线15上开槽，将50欧姆传输线15分为相互隔离的两段，考虑到单片电容8的封装形式，将单片电容8的一极连接至50欧姆传输线15上，并将单片电容8的另一极通过两根并联的金丝10与另一段50欧姆传输线15相连。此处采用两根并联的金丝10与50欧姆传输线15相连为减少在高频下金丝10引入的寄生效应，且在连接良好的条件下尽量要求金丝10的长度要短。

实施例2：

结合图6所示本实施例提供了一种地平面2的具体实施方式，并具体详述本发明集成于铁氧体基板9表面上由各功能网络形成的移相器与外部电路基板21的一种具体安装方法：

为使本发明电路部分能与外部基板21上其他工作电路进行有效连接，特在外部电路基板21特定位置开设容置槽23，所述容置槽23的底面进行金属化处理形成均匀金属层；然后将铁氧体基板9嵌入其所述容置槽23中，使得铁氧体基板9相背于印制电路的一面与所述容置槽23的金属底面22紧密贴合，其中，所述容置槽23的开槽尺寸略大于铁氧体基板9以实现凸起的地平面2，具体地：在容置槽23和铁氧体基板9之间空隙处进行金属化处理，使得所述空隙处容置槽23的金属底面22在相应位置抬高至与所述铁氧体基板9上电路同平面；作为优选实施方式，本实施例地平面2为凸起的L型地平面24，且其与铁氧体基板9及外部电路基板21紧密贴合。根据本领域人员知识可以知道，所述凸起的L型地平面24仅为地平面2的一种优选实施方式，本发明地平面2的设置不局限于上述实施方式。

基于上文所述，以下对本发明所提供的集成式360°反射型模拟移相器的工作原理从整体角度进行详细阐述：

实际工作时，信号环流网络及反向信号隔离网络所使用的环行器单元在受到永磁体16所施加偏置磁场的激励方向必须一致，当第一环行器3和第二环行器4受到永磁体16所施加偏置磁场的激励方向固定时，环行器单元内信号的环流方向也就固定。根据图1所示，假设第一环行器3和第二环行器4的信号环流方向均为所在纸平面上逆时针方向，且信号环流网络中第一环行器3的第一端口25作为信号输入端时，由于信号环流网络中第一环行器3的圆形谐振结13内铁氧体材料的垂直方向受到了永磁体16的磁化激励，使得在信号环流网络内传输的电磁波发生极化旋转，第一环行器3的第一端口25进入的信号将流入反射电抗网络内；

所述反射电抗网络如图2所示，A点为反射电抗网络的输入端，由于反射电抗网络的输入端反射系数不为0，使得进入反射电抗网络内的信号发生反射，基于信号环流网络的信号环流作用，经反射电抗网络所反射的信号流入反向信号隔离网络内；

本发明能够实现信号360°电调移相，具体地：当第一微带线11的几何长度L₀取为特定值时，本发明具体实施例将所述L₀设定为工作波长的八分之三，通过将变容二级管1在其可变等效电容值范围内的归一化等效电抗值及其连接的金丝10的归一化等效电抗值之和经过0，0.41，1这三个点，则使得传输线A点处的归一化输入等效电抗值经过两个零点和一个极点，最终使得A点对应的输入反射系数角经历360°的变化以达到被反射信号360°移相的目的，因此，通过构造简单且可控的反射电抗网络并调节外加的直流偏压就可实现信号360°移相。

流入反向信号隔离网络内的信号经过第二环行器单元4的单向信号环流作用最终使得信号通过第二环行器4的第一端口26输出；并且此时若有信号从第二环行器4的第一端口26输入，信号将不会从第一环行器3的第一端口25流出，而是直接由反向信号隔离网络中的匹配负载吸收；

基于上文所述，本发明能够达到信号从第一环行器3的第一端口25到第二环行器4的第一端口26的正向信号传输并电调移相，而信号从第二环行器4的第一端口26到第一环行器3的第一端口25反向隔离的功能。

同理，当第一环行器3和第二环行器4受到永磁体16所施加偏置磁场的激励方向同时改变，即信号的环流方向均为所在纸平面上顺时针方向，则根据上述的原理分析可知第二环行器4的第一端口26到第一环行器3的第一端口25将正向信号传输并电调移相，而信号从第一环行器3的第一端口25到第二环行器4的第一端口26将反向隔离。因此通过调节固定在铁氧体基板9特定位置上的永磁体施加的磁场方向便可改变本发明信号传输和隔离的方向。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。