基于基片集成波导的微波延迟线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于基片集成波导的微波延迟线，包括多个延迟单元，每个延迟单元由基态和延迟态组成，基态和延迟态为两段不同长度的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，上层金属面和下层金属面之间设置两排金属柱线列；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态和延迟态通过开关元件进行切换，多个延迟单元的开关元件之间通过微带线连接，且微带线作为微波延迟线的输入和输出传输线。本发明专利技术解决了当前雷达系统中体积庞大、损耗大以及电路容易受干扰的问题，结构简单，能够满足工程应用需求。

【技术实现步骤摘要】
基于基片集成波导的微波延迟线
本专利技术涉及微波延迟线领域，尤其涉及一种基于基片集成波导的微波延迟线。
技术介绍
在相控阵雷达方面，为提高抗干扰能力、分辨力以及多目标雷达成像的能力，都要求瞬时信号有大的带宽，而传统相控阵雷达的天线阵列孔径效应和孔径渡越时间限制了雷达信号的瞬时带宽，使其无法满足宽带通信和雷达技术的应用。为此，应在天线阵列单元或各子阵级别上采用实时延迟线，取代传统相控阵雷达中的移相器。传统的延迟线是由波导或同轴电缆实现的，对于一个口径20米的大型相控阵天线，在扫描角为60°时，用于抵消孔径时间的TTD的延迟线长度约为17米，如此长的波导或同轴电缆，不但会增加损耗而且工程实现也很困难。随着科技的发展，集成化、小型化电路成为微波系统中的首要标准，因此传统的延迟线逐渐被基于LTCC的多层微带延迟线所取代，如文献1(Y.Yao,X.Zhang,J.Hu,etal.Ka-band3DmeanderstriplinedelaylineusingLTCC[J].2012IEEEInternationalWorkshoponElectromagneticsApplicationsandStudentInnovation,2012,pp.1～4.)，与基于电磁带隙等谐振结构的延迟线相比，开关线型的延迟线原理简单，对电路工艺要求也比较低。开关线式延迟线的工作原理与开关移相器完全一样，都是利用开关选取不同的路线来达到移相或延迟的目的，只是开关移相器的开关路线相位差较小，不超过360°，而延迟线的开关路线一般较长，多为工作波长的整数倍。一般的延时单元由两个单刀双掷开关、延迟线和一段微带线组成，通过开关选通延迟线或该段短微带线，实现延时差。因此本专利同样适用于微波移相器。应用基片集成波导即SIW(SubstrateIntegratedWaveguide)这类成熟的设计平台来实现的平面结构，融合了矩形波导和微带线的优点，具有体积小、重量轻、相对带宽较宽的优点，同时可承受较高的功率门限，Q值也比较高，理论和实验均表明这类平面结构具有非常突出的优点，因此可在微波毫米波电路、混合集成电路(HMIC)以及毫米波单片集成电路(MMIC)中得到很好的应用。如文献2(“Integratedmicrostripandrectangularwaveguideinplanarform”,IEEEMicrowaveandWirelessComp.Lett.,Vol.11,No.2,2001,pp.68-70)和文献3(“APlanarMagic-TUsingSubstrateIntegratedCircuitsConcept,”IEEEMicrowaveandWirelessComp.Lett.,Vol.18,No.6,2008,pp386-388)，都比较详细地介绍了采用基片集成波导这类新技术来设计的新型微波毫米波平面无源电路。但是，对于多层基片集成波导，特别是接近20来层的电路，目前在业内尚属空白。一般而言，利用传输线作为延迟结构往往需要很大尺寸的传输线，如利用PCB多层板工艺来实现会使得电路尺寸很大，利用带状线来实现则会使得线间耦合严重，层间互连的不连续性也会造成匹配变差，驻波较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于基片集成波导的微波延迟线。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于基片集成波导的微波延迟线，包括多个延迟单元，每个延迟单元由基态和延迟态组成，基态和延迟态为两段长度不同的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，上层金属面和下层金属面之间设置两排金属柱线列；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态和延迟态通过开关元件进行切换，多个延迟单元的开关元件之间通过微带线连接，且微带线作为微波延迟线的输入和输出传输线。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术的基片集成波导延迟线，带宽可以从5％到15％以上，满足工程需求；(2)本专利技术可以解决基片集成波导功分器的隔离问题，降低电路之间的电磁干扰；(3)本专利技术可以解决传统微带线形式电路的功率容量问题；(4)本专利技术电路指标相对稳定，满足特定条件下的需求；(5)本专利技术结构设计简单易行，可以采用常规的LTCC制作工艺，或者多层印制板工艺，具有成本优势；(6)本专利技术设计简单，对基片材料几乎没有特殊要求，可以采用所有的微波基板，具有广泛的通用性。附图说明图1为集成波导结构示意图。图2为开关线型延迟单元原理示意图。图3为本专利技术的两位集成波导延迟线布局图。图4为本专利技术的集成波导延迟线单元剖面图。图5为基态和延迟态多层传输剖面示意图。图6(a)为本专利技术基片集成波导延迟线的耦合过渡爆炸示意图，图6(b)为金属柱和开缝位置示意图，图6(c)为两层基片集成波导侧视图。图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为本专利技术延时态设计方法1中的基态、两个波长延迟和四个波长延迟图。图8(a)、图8(b)和图8(c)分别为本专利技术延时态设计方法2中的基态、两个波长延迟和四个波长延迟图。图9为本专利技术的输入回波损耗仿真结果示意图。图10为本专利技术的输出回波损耗仿真结果示意图。图11为本专利技术的插入损耗仿真结果示意图。图12为本专利技术的延迟仿真结果示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，基片集成波导结构包括上层金属面1、中间介质板2、下层金属面3和两排金属柱线列4；其中上层金属面1位于中间介质板2的上表面，底层金属面3位于中间介质板2的下表面，在金属面打两排金属化孔，或填充金属浆料成金属柱；基片集成波导的宽度和金属柱的半径根据已有公式(1)-(2)计算:R＜0.1λg,W＜4R,R＜0.2a(2)其中a′为SIW的宽度，R为金属柱半径，W为相邻金属柱的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；金属柱半径小于基片集成波导截止波长的1/10，两金属柱之间的间距小于金属柱直径；上层金属面的宽度对应为基片集成波导结构截止频率波长的二分之一以上。图2为典型的延迟单元原理图，它是一种开关线型结构，通过控制开关在两条物理长度为L1和L2的传输路径之间进行切换，其中的一条传输线的相移值为基态，另外一条传输线的相移值为延迟态，由于两条传输路径的电长度不同，所以两个状态的输出会有相位差，从而实现了移相延迟。传输长度的不同而导致的移相量为：式中Δφ是移相量，β是传播常数，λg是导波波长，f是频率，vp是相速，由上式可知，移相量和频率、相速相关。微带线中传播准TEM模，相速近似恒定，因此微带结构的开关线型移相量和频率成线性关系。如图3所示，本专利技术的一种基于基片集成波导的微波延迟线，包括多个延迟单元6，每个延迟单元6由基态9和延迟态10组成，基态9和延迟态10为两段不同长度的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面1、中间介质板2、下层金属面3，中间介质板2位于上层金属面1和下层金属面3之间，上层金属面1和下层金属面3之间设置两排金属柱线列4；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态9和延迟态10通过开关元件5进行切换，多个延迟单元的开关元件5之间通过微带线8连接，且微带线8作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，包括多个延迟单元(6)，每个延迟单元(6)由基态(9)和延迟态(10)组成，基态(9)和延迟态(10)为两段长度不同的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面(1)、中间介质板(2)和下层金属面(3)，中间介质板(2)位于上层金属面(1)和下层金属面(3)之间，上层金属面(1)和下层金属面(3)之间设置两排金属柱线列(4)；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态(9)和延迟态(10)通过开关元件(5)进行切换，多个延迟单元的开关元件(5)之间通过微带线(8)连接，且微带线(8)作为微波延迟线的输入和输出传输线。

【技术特征摘要】
1.一种基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，包括多个延迟单元(6)，每个延迟单元(6)由基态(9)和延迟态(10)组成，基态(9)和延迟态(10)为两段长度不同的多层基片集成波导传输线，每层基片集成波导传输线包括上层金属面(1)、中间介质板(2)和下层金属面(3)，中间介质板(2)位于上层金属面(1)和下层金属面(3)之间，上层金属面(1)和下层金属面(3)之间设置两排金属柱线列(4)；多层基片集成波导传输线之间相互耦合；所述的基态(9)和延迟态(10)通过开关元件(5)进行切换，多个延迟单元的开关元件(5)之间通过微带线(8)连接，且微带线(8)作为微波延迟线的输入和输出传输线。2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的微波延迟线，其特征在于，所述开关元件(5)为PIN管、MEMS开关或单刀双掷开关，每个延迟单元(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海东，车文荃，侯文杰，张天羽，冯文杰，曹越，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32