一种可编码太赫兹移相器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种种可编码太赫兹移相器及设计方法，能够通过编码电路实现移相器相位变化幅度的改变。该装置包括电磁带隙金属波导腔体、芯片和控制电路。本发明专利技术首先确定移相器的频率范围并设计空气腔的尺寸；接着进行周期性长方体金属柱的参数设计；在空气腔体上方挖出高度为h_stub，长度l_stub，宽度为w_stub的波导短路负载；芯片放置于负载处，令硅衬底镶嵌于负载两侧，百叶窗覆盖硅衬底，并延伸覆盖波导短路负载；将直流引线从周期性金属柱体的间隙中引出，连接至芯片的边界的焊盘处；将直流引线连接至PCB板上的引脚处，通过控制对各个引脚加馈电信号实现对太赫兹移相器的各个百叶窗的开和关的切换，从而改变相位变化幅度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种可编码太赫兹移相器及设计方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹移相器设计的
，具体涉及一种可编码太赫兹移相器及设计方法。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)科学技术已经成为对现代科学技术、国民经济、国防建设有重要影响的前沿学科。THz频段在医学诊断，雷达，射电天文学，成像系统，频谱分析和高带宽无线通信中有广泛的应用。尽管THz波具有很高的科学研究价值和工程价值，但是THz频段是电磁频谱中利用率最低的区域之一，主要是由于缺乏商用的太赫兹波组件和在太赫兹频段下缺少有效的等效电路方法来表征各个组件。由于THz波固有的频率高、带宽大的优势，THz雷达的空间分辨力和距离分辨力都很高，这使得它在物体成像、环境监测、安全检查、反恐探测、生物医学，尤其是卫星通信和成像雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。相控阵雷达具有波扫描更灵活，能跟踪更多目标，抗干扰性能更好等优势。作为相控阵关键组件，移相器的成本、性能直接影响相控阵雷达系统的造价和性能。所以，研究高性能、易实现、低成本的THz移相器对改进相控阵性能和结构，实现小型、低功耗THz相控阵雷达有非常重要的现实意义。
[0003]目前对电磁波的L、S、C、X、Ku、Ka、W波段的移相器组件的研究相对较为成熟。微波频段的移相器一般通过基于铁氧体材料，PIN二极管或者场效应晶体管开关阵列来实现。相比较之下，铁氧体材料移相器具有更优良的性能，但是其制造成本昂贵，体积大，不易于集成；半导体开关移相器存在的高损耗及线性度差等问题限制了移相器向更高频率和更优异的性能发展。
[0004]因此，目前亟需一种能够提高移相器性能的设计方案，能够让移相器在太赫兹波谱段拥有更高频率和更优异性能，并实现移相器相位变化幅度的改变。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种可编码太赫兹移相器装置及设计方法，能够通过编码电路实现在太赫兹波谱段内移相器相位变化幅度的改变，从而提高移相器性能。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]本专利技术提出了一种可编码太赫兹移相器，包括：电磁带隙金属波导腔体、芯片和控制电路。
[0008]电磁带隙金属波导腔体包括空气腔、下方金属板、周期性金属柱体和上方金属板。
[0009]芯片包括硅衬底、百叶窗；百叶窗为由金属带组成的百叶窗式结构。
[0010]控制电路用于控制百叶窗。
[0011]上方金属板位于空气腔上方，下方金属板位于空气腔下方，周期性金属柱体位于空气腔两侧；在空气腔上方金属板处开设凹槽作为波导短路负载；芯片中的硅衬底镶嵌在空气腔的上方的波导短路负载两侧，百叶窗覆盖硅衬底，并延伸覆盖波导短路负载。
[0012]进一步的，百叶窗中的每一个金属带都由Al层、电阻丝层和Al2O3层三层材料组成，其中Al层在外表面，Al2O3层在内表面，电阻丝层在中间。
[0013]进一步的，控制电路打印在PCB板上，PCB板固定在芯片两侧，百叶窗的电阻丝通过印制在硅衬底上的直流引线连接至控制电路。
[0014]进一步的，电磁带隙金属波导腔体的材料为铝，直流引线的材料为铜。
[0015]进一步的，PCB板的材料为FR
‑
4。
[0016]进一步的，周期性金属柱体为多个金属柱体成固定间隔排布的结构。
[0017]本专利技术提出了一种可编码太赫兹移相器设计方法，针对任一上述的可编码太赫兹移相器进行设计，设计方法包括如下步骤：
[0018]步骤一、根据太赫兹移相器所需的工作频率范围确定所述空气腔的宽度a和高度b，并参考标准波导尺寸表；长度根据具体需求确定；
[0019]步骤二、令周期性金属柱体的高度h与空气腔的高度b保持一致，设置周期性金属柱体的底面正方形边长a1与周期性金属柱体的周期p，使在空气腔中传输的电磁波无法从两侧周期性金属柱体间的空隙中泄露出去。
[0020]步骤三、在电磁带隙金属波导腔体的上方金属板挖出高度为h_stub，长度为l_stub，宽度为w_stub的波导短路负载；其中，长度l_stub与空气腔的宽度a一致，负载个数由所需的移相覆盖范围决定。
[0021]步骤四、将芯片放置于波导短路负载处，令硅衬底镶嵌于波导短路负载两侧，上百叶窗覆盖至空气腔与波导短路负载的交界处。
[0022]步骤五、将直流引线从百叶窗引出并连接至芯片的边界的焊盘处；其中，直流引线从周期性金属柱体的间隙中引出；将直流引线连接至PCB板上的引脚处，PCB板上印制控制电路，控制电路通过控制对各个引脚加馈电信号实现对太赫兹移相器的各个百叶窗的开和关两种状态的切换。
[0023]进一步的，负载个数由所需的移相覆盖范围决定的具体方法为：
[0024]单个波导短路负载为电磁波带来20度的附加相位。
[0025]有益效果：
[0026]1、本专利技术提供了一种可编码太赫兹移相器装置及设计方法，使用金属波导结构解决了现有相器传输损耗过大的问题，利用电磁带隙金属波导腔体与芯片集成来实现编码控制移相器的传输相位变化及设计。在不增加电磁波传输损耗的同时，本专利技术实现了电磁波传输相位编码控制，并且很好的兼具了低损耗传输与传输相位实时控制的优点。电磁带隙金属波导结构将传统波导金属封闭侧壁变为具有周期性间隔的金属柱体结构，在不影响电磁波传输的前提下，提供了从波导内部到外部连通直流引线的路径，克服了波导内部芯片无法通过外接电路控制的问题。
[0027]2、本专利技术在空气腔上方的金属板开出一定宽度的和高度的短路波导负载(以下简称“负载”)，而负载的存在会使在空气腔体传播的电磁波的电场经过此处时会进入负载内的空气腔体并反射会空气腔体里，从而增加了传输电磁波的传输相位。进一步的，本专利技术通过在波导腔体里加入若干个负载(此例里边选择四个负载)，然后通过控制芯片的打开和关闭两种状态实现各个负载工作与否，在本例中单个负载负载工作时会为传输电磁波额外增加20度的工作相位，因此通过芯片的各个金属带工作模式实现多个负载模块同时工作，实
现更宽的相位覆盖范围。
附图说明
[0028]图1为电磁带隙金属波导结构图。
[0029]图2为电磁带隙金属波导加载短路负载结构示意图。
[0030]图3为芯片与波导短路负载组合图。
[0031]图4为芯片控制短路负载原理示意图。
[0032]图5芯片与PCB控制电路直流引线连接平面示意图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0034]本专利技术提出一种可编码太赫兹移相器，具体组件包括：
[0035]电磁带隙金属波导腔体、芯片和控制电路。
[0036]本专利技术实施例提供的电磁带隙金属波导腔体组成如图1所示，由用于传播电磁波的空气腔、位于空气腔上下两侧的上、下金属板以及左右两侧实现阻止电磁波泄露和为直流线路提供布线空间的周期性金属柱体组成。电磁带隙金属波导结构的材料均为金属铝，空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可编码太赫兹移相器，其特征在于，包括：电磁带隙金属波导腔体、芯片和控制电路；所述电磁带隙金属波导腔体包括空气腔、下方金属板、周期性金属柱体和上方金属板；所述芯片包括硅衬底、百叶窗；所述百叶窗为由金属带组成的百叶窗式结构；所述控制电路用于控制所述百叶窗；所述上方金属板位于所述空气腔上方，所述下方金属板位于所述空气腔下方，所述周期性金属柱体位于所述空气腔两侧；在所述空气腔上方金属板处开设凹槽作为波导短路负载；芯片中的硅衬底镶嵌在所述空气腔的上方的所述波导短路负载两侧，所述百叶窗覆盖所述硅衬底，并延伸覆盖所述波导短路负载。2.如权利要求1所述的一种可编码太赫兹移相器，其特征在于，所述百叶窗中的每一个金属带都由Al层、电阻丝层和Al2O3层三层材料组成，其中Al层在外表面，Al2O3层在内表面，电阻丝层在中间。3.如权利要求1所述的一种可编码太赫兹移相器，其特征在于，所述控制电路打印在所述PCB板上，所述PCB板固定在所述芯片两侧，所述百叶窗的电阻丝通过印制在所述硅衬底上的直流引线连接至所述控制电路。4.如权利要求3所述的一种可编码太赫兹移相器，其特征在于，所述电磁带隙金属波导腔体的材料为铝，所述直流引线的材料为铜。5.如权利要求3所述的一种可编码太赫兹移相器，其特征在于，所述PCB板的材料为FR
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4。6.如权利要求1所述的一种可编码太赫兹移相器，其特征在于，所述周期性金属柱体为多个金属柱体成固定间隔排布的结构。7.一种可编码太...

【专利技术属性】
技术研发人员：金城，吕奇皓，张彬超，陈建宏，黎亮，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：