一种基于有源器件实现的可调超材料移相器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于有源器件实现的可调超材料移相器，其特征在于，包括用于实现负的折射率的超材料单元，在超材料单元传输线上串联电容、并联电感，整体的移相值为超材料单元与电容电感组成的相移单元的组合。本发明专利技术是利用有源器件来实现的一种紧凑型的微波、毫米波频段移相器，这种移相器可以在不经历整个周期的情况下实现负的移相特性，可以应用于相控阵雷达及通信系统。并且本发明专利技术的移相器没有运用传统移相器通过开关设定不同的传播路径产生相移的方法，结构更加紧凑。

An adjustable metamaterial phase shifter based on active devices

The invention relates to an adjustable supermaterial phase shifter based on an active device, which is characterized in that it comprises a supermaterial unit for realizing negative refractive index, a series capacitor and a shunt inductor on the transmission line of the supermaterial unit, and the overall phase shifting value is a combination of the supermaterial unit and the phase shifting unit composed of the capacitive inductor. The invention is a compact microwave and millimeter wave frequency band phase shifter realized by active devices. The phase shifter can realize negative phase shifting characteristics without experiencing the whole cycle, and can be applied to phased array radar and communication system. Moreover, the phase shifter of the present invention has a more compact structure without the method of using the traditional phase shifter to set different propagation paths through switches to generate phase shifts.

【技术实现步骤摘要】
一种基于有源器件实现的可调超材料移相器
本专利技术涉及微波、毫米波领域应用的一种基于有源器件实现的可调超材料移相器。
技术介绍
微波、毫米波领域的信号移相器是相控阵列雷达及相控阵通信领域的必要元器件，通过电路实现移相的常用方法包括使用混合集成移相电路或单片集成移相芯片。移相器又可以分为数字与模拟两种方式，数字移相器通过开关，实现不同电长度的传播路径，从而实现不同的时延特征，产生不同的相位延迟；模拟的方法一般先将信号分成正交的两路信号，每一路进行一定的幅度调制，最后通过矢量合成的方法，得到最终的信号；两路正交信号的不同幅度比例构成了不同的调制角度。基于移相器实现的相控阵系统一般而言需要较为复杂的馈电网络，也是整个相控阵系统设计中的难点之一。超材料(Metamaterials)是一种人工合成的一类材料，其化学成分并未做重大改变，主要通过其中的一些微型结构，形成一定的空间布局实现宏观材料表现的电磁性能特性。经过设计的超材料结构可以具备自然界中传统物质所不具备的电磁特性，如负的介电常数、负磁导率、负折射率等。利用电磁超材料可以实现电磁波和光的任意“剪裁”，可以实现如完美透镜、负折射率以及电磁隐射等奇特的电磁特性。利用超材料可实现负折射率的特点，可以在不经历整个相位周期的情况下实现相位的超前控制。由于受到超材料自身色散与耗散的限制，实际实验中超材料只能在较窄的频率范围内工作；另外，超材料的元胞多为固定结构，工作频率等参数无法调节，限制了超材料结构的应用。在超材料元胞中加入电压控制元件，如可变电容、电阻与非线性器件可以改变元胞的谐振特性，实现带宽、频率、幅度、相位等电磁特性可调，可以拓展应用到多种微波电路设计，并使其具有特殊的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种紧凑型的微波、毫米波频段移相器。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种基于有源器件实现的可调超材料移相器，其特征在于，包括用于实现负的折射率的超材料单元，在超材料单元传输线上串联电容、并联电感，整体的移相值为超材料单元与电容电感组成的相移单元的组合。优选地，采用变容二极管作为串联电容，其中，变容二极管的反向电压控制其电容。优选地，采用电子可调谐电感器作为并联电感，电子可调谐电感器由有源电路来实现，通过不同的电压控制实现不同的相移控制，通过变容二极管的反向电压与电子可调谐电感器的电压控制的组合来达到阻抗匹配的目的。本专利技术中，超材料结构与电容、电感组合引起的相移参数可以近似为：式中，φ表示相移参数，ω表示工作频率，L表示电感值，C表示电容值，θπ表示微带线的一段所引起的相位滞后。如果L和C都调谐到满足匹配条件，则相位调谐范围可表示为：其中：r＝Cmax/Cmin，Cmax、Cmin分别为可调电容的最大值与最小值，ΔφC-L表示相位调谐范围，Z0表示特征阻抗。整个移相单元中的有源可调串联电容可以通过外接变容二极管两端的反偏电压来实现。并联可调电感可以使用有源电路来实现，可调电感大多基于有源电感实现，常用的如gyrator-C架构，其等效电感可以用L＝C/gm1gm2近似表示，通过调整跨导gm1和gm2从而实现电感值的调节，gm1和gm2分别表示放大器的跨导。本专利技术是利用有源器件来实现的一种紧凑型的微波、毫米波频段移相器，这种移相器可以在不经历整个周期的情况下实现负的移相特性，可以应用于相控阵雷达及通信系统。并且本专利技术的移相器没有运用传统移相器通过开关设定不同的传播路径产生相移的方法，结构更加紧凑。附图说明图1为基于超材料移相单元的N维相控阵天线等效模型；图2为基于超材料元胞的移相器；图3为移相器整体结构图。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。相控阵系统(可应用于雷达、通信等系统)的基础是能够实现微波、毫米波信号的移相，从而实现天线波束扫描。利用超材料单元实现相控阵系统的基本思想是：首先根据相控阵列天线波束扫描要求，分配天线辐射单元的调幅、调相参数；然后利用嵌入了超材料构型的微带线，优化超材料电压调谐参数，从而实现相控阵列天线的要求，其基本框图如图1所示，图1中，n表示相控阵辐射单元的个数、k0表示辐射单元的幅度加权系数，dc表示辐射单元间的距离，θ表示相邻辐射单元之间的馈电相位差。图1所示结构中包括利用多个超材料单元实现的移相器。超材料结构可以实现超材料传输线的正折射率(PRI)和负折射率(NRI)，这种超材料传输线可以用来构建高频移相器，且这种结构可以构建具有正向和负向的宽带紧凑移相器。图2是利用超材料实现的移相器单元，它由装有串联电容器和并联电感器微带线组成，这相当于将PRI线与NRI线级联，从而导致引起补偿传播信号的相移。使用周期性分析可以表明，单位单元的相移数值可由式(1)给出：其中θTL是微带线的一段所引起的相位滞后，其值可以表示为：θTL＝βTLd/2。式中，βπ表示波的相速度，d表示传输线长度。为了超材料传输线保持与特征阻抗Z0的匹配，我们将输入反射系数(S11)等于零，可以得到电感、电容与相移量在频率上的关系式：为简化计算，假设信号在微带线中传播一个很小的相移，近似为零，则匹配条件(上式)可近似为：通过研究周期性结构的阻带，并找到消除接近零相移区阻带的条件可以得到相同的结果。在这种匹配条件下，相位可近似为：这意味着正相移和负相移都可以由单个元胞实现，无需像传统的低通或高通那样经历完整的相位旋转。此外，相移量可以通过调整改变加载元素的值(L和C)实现，但是要保持传输线匹配，两个元素必须同时调整以满足公式(3)。如果串联电容仅在C＝(Cmax+Cmin)/2处选取与移相器匹配的电感值发生变化，则会导致相位调谐范围ΔφC较小，由下式给出：其中：r＝Cmax/Cmin，如果L和C都调谐到满足匹配条件，则相位调谐范围ΔφC-L表示为：由上式可知，改变L和C的数值，来实现匹配即可实现不同的相移。图3显示了设计的基于有源可调器件实现的超材料移相器单元。可调电容采用变容二极管实现，其中变容二极管的反向电压控制其电容。另一方面，使用有源电路来实现电子的可调谐电感；大多数有源电感器的实现都基于gyrator-C架构，如图3所示。共等效电感通过L＝C/gm1gm2近似表示，通过调整跨导gm1和gm2从而实现电感值的调节。变容二极管和有源电感都必须在设计频率下达到足够的品质因数(Q)，这就设定了移相器工作速度的上限。有源电感器工作频率高达几G或数十G赫兹以上，可以采用0.1μ的InGaAs/InP高电子迁移率晶体管(HEMT)实现。用以上方法实现的有源可调超材料移向器可以应用于微波或毫米波频段，具有广泛的应用前景。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有源器件实现的可调超材料移相器，其特征在于，包括用于实现负的折射率的超材料单元，在超材料单元传输线上串联电容、并联电感，整体的移相值为超材料单元与电容电感组成的相移单元的组合。

【技术特征摘要】
1.一种基于有源器件实现的可调超材料移相器，其特征在于，包括用于实现负的折射率的超材料单元，在超材料单元传输线上串联电容、并联电感，整体的移相值为超材料单元与电容电感组成的相移单元的组合。2.如权利要求1所述的一种基于有源器件实现的可调超材料移相器，其特征在于，采用变容二极管作为串联电容，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔恒荣，刘旭阳，刘钊，朱芸桢，刘涛，赵敏，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31