基于平面型左手微带传输线的微波移相器制造技术

本实用新型专利技术涉及基于平面型左手微带传输线结构的微波移相器。解决了现有微波移相器存在体积大、损耗大，功率容量小等问题。本实用新型专利技术的微波移相器通过在左手微带传输线单元上加载ＰＩＮ开关构成的。具体方案是：选择在一对边带上或一对位于对称位置上的交指上安装一对ＰＩＮ开关；信号输入和输出端口分别位于一对边带的对称位置上。这样使得通过单根交指或边带上ＰＩＮ开关的电流仅是通过整个移相器电流的很小一部分，由此移相器的功率容量得到了很大提高；除高功率容量的特性之外，该移相器还具有其它多种优势，例如损耗小、体积小、切换速度快、方便制造，易与ＭＭＩＣ电路集成等；在雷达、相控天线阵列中应用具有很大优势。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种微波移相器，确切地说是基于平面型左手微带传输线的微波移 相器。
技术介绍
微波移相器在多种领域有应用，如雷达系统，卫星通信系统和相控阵天线阵列等。 移相器的种类有很多，按照使用材料来分总的来讲有五大类铁氧体移相器、铁电介质 移相器、半导体二极管移相器、砷化镓MMIC移相器和MEMS移相器。1991年Artech house出版了《Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters》， 书中第一巻Dielectric and Ferrite Phase Shifters详细介绍了铁氧体移相器的主要 种类、设计、制作以及应用。铁氧体移相器主要利用外加磁场改变波导内铁氧体的磁导. 率，从而改变电磁波的相速得到不同的相移量。其优点是宽带、功率容量大；缺点是 体积大，损耗大，切换速度慢。2000年Kozyre等人在IEEE微波理论与技术国际会议上发表了"应用铁电介质材料设 计移相器，，的论文("Application of Ferroelectrics in Phase Shifters Design " ，A. Kozyrev，V. Osadchy, A. Pavlov, L. Sengupta， 2000 IEEE MTT-S Digest. P1355-1358)。 铁电介质移相器主要利用改变加在铁电介质上的直流偏压的大小，改变介质的介电常 数，从而使微波信号的相速发生改变，实现移相。其优点是结构简单、体积小、重量 轻、损耗小、响应速度快；缺点是功率容量小。1976年清华大学微带电路编写组撰写了《微带电路》 一书，书中第八章--微带固体 控制电路详细地介绍了开关线式移相器、加载线式移相器、反射式移相器等几种基于半 导体PIN二极管的移相器的基本原理和设计方法。不管采用那种结构，基于PIN二极管的 移相器的原理都是利用PIN二极管在正偏和反偏时的两种不同开关状态，使一段传输线 接通或断开来实现移相。其优点是体积小，易于采用数字信号控制，响应速度快；缺 点是功耗大、功率容量比较小。2001年5月Ellinger等人在IEEE Transaction on MTT上发表了 "采用集总元件耦合 器的C波段紧凑型反射式MMIC移相器"的论文("Compact Reflective-Type Phase-Shifter MMIC for C-Band Using a Ui即ed-Element Coupler" Frank Ellinger， Rolf Vogt， Werner Bechtold， IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, VOL. 49， NO. 5, MAY 2001)。基于砷化镓MMIC技术的移相器主要采用反射式结构，其 原理是通过选择不同的反射终端获得不同相位的反射系数，从而实现相移。其优点是. 体积小、响应速度快；缺点是插入损耗大、功率容量小。2002年6月Rebeiz等人在IEEEMicrowave上发表了 "射频MEMS移相器设计和应用" 的论文("RF MEMS phase shifters: design and applications" Rebeiz G. M， Guan-Leng Tan, Hayden J. S, Microwave Magazine, IEEE Volume 3, Issue 2, June 2002 Page (s) :72 -81)。 MEMS移相器利用MEMS射频开关来改变并联在传输线中心导带和地之间的负载电 容的大小，从而改变整个结构的等效线电容，进而改变微波信号通过的相速，实现移相。 其优点是损耗小，功率容量大；缺点是切换速度较慢、可靠性低、使用寿命短。上述文献表明，铁氧体移相器、MEMS移相器虽然功率容量较大，但是切换速度慢； 铁电材料移相器、半导体二极管移相器、砷化镓固IC移相器虽然体积小、切换速度较 快，但是普遍功率容量较小。关于左手传输线理论2006年，约翰.维理父子出版社(John wiley&son Press)出版了由美国加州大学 洛杉机分校(University of California at Los Angeles)的大竹伊藤(TATSU0 Itoh) 和加拿大蒙特利尔工学院(Ecole Polytechnique de Montreal)的克里斯多夫 卡罗 兹(CHRIST0PHE Caloz)撰写的关于《电磁超材料异向介质》(Electromagnetic Metamaterials)的书。作为右手传输线的对偶，左手传输线理论及应用被第一次有了 系统的理论介绍。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有微波移相器存在的诸如体积大、损耗大，功率容 量小等的缺点，提供一种结构紧凑的基于平面型左手微带传输线结构构造的小型化、高 功率容量的微波移相器。具体的结构设计方案如下本技术的左手微带传输线移相器是通过在左手微带传输线单元上加载PIN开关 构成的。左手微带传输线单元是在PCB板上设计的，PCB板的第一层、第三层为导体铜，厚 度为(0.004鹏)；中间层为介电常数(1.07-13.6)的介质板，厚度为0.254mm;在第一 层上制作平面金属微带交指结构构成交指电容；交指电容的交指间隙为0.1 0.3mm,交 指宽度为0.1 0.8mm;在交指电容的两端有一对与交指垂直的边带，边带宽度为 0.1-Q.5mm;由第三层的金属构成左手微带传输线的地；选择第一层上的至少一个边带. 或任意一根交指，采用过孔技术通过短路钉将该交指或边带和PCB板的第三层金属地相 连构成电感，过孔的直径为(0.1-0.8);选择一对位于对称位置上的交指，在交指的中心对称位置处将其截断，并在截断处安装一对正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关；信号输入和输出端口分别位于一对边带的对称位置上。通过控制上述正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关，实现对流 经左手单元电磁波相位的控制，利用上述结构，本技术实现了基于左手微带传输线 的微波移相器。也可以选择一对位于对称位置上的最外侧交指，在这一对交指的中心对称位置处将.其截断，并在截断处安装一对正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关；还也可以选择一对边带的中心对称位置处将其截断，并在在截断处安装一对正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关。本技术中，移相器的正掺杂/本征/负掺杂二极管(PIN)开关被安装在左手传 输线的交指或边带上，这样使得通过单根交指或边带上正掺杂/本征/负摻杂二极管 (PIN)开关的电流仅是通过整个移相器电流的很小一部分，由此移相器的功率容量得 到了很大提高；除高功率容量的特性之外，该移相器还具有其它一些优异的电磁特性， 如体积小、损耗低等。特别是，采用在左手微带传输线交指上安装开关的方法来设计移 相器，可以设计出切换速度快、功率容量大的移相器；同时，利用左手传输线设计移相 器不需要任何有源器件、不需要能量转换、可直接制作在普通的PCB板上、可以和微波 电路直接制作在一起；易与MMIC电路集成等；在雷达、相控天线阵列中应用具有很大优势。附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于平面型左手微带传输线结构的微波移相器，包括平面型左手微带传输线单元，该单元为印刷电路板（ＰＣＢ），其第一层、第三层为导体铜，中间层为介电常数为１．０７－１３．６的介质板，在第一层上有平面金属微带交指结构构成交指电容，在交指电容的两端有一对与交指垂直的边带，第三层导体铜构成左手微带传输线的地，选择第一层上的至少一个边带或任意一根交指，采用过孔技术通过短路钉将该交指或边带和ＰＣＢ板的第三层金属地相连构成电感，其特征在于：在一对位于对称位置的交指的中心对称位置处或一对边带的中心对称位置处设一对正掺杂／本征／负掺杂二极管（ＰＩＮ）开关；信号输入和输出端口分别位于一对边带的对称位置上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱旗，张君，吴磊，芦伟，毛文辉，盛升，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：实用新型
国别省市：34[中国|安徽]