周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器

摘要

本发明公开了一种周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，包括FSIW和周期性排列的CSRR。具有以下优点：在FSIW的中间金属层加载CSRR，保持了FSIW的屏蔽性，避免了CSRR的辐射损耗；FSIW中的CSRR具有很强的加载效应，仅需要少量的CSRR单元即可实现所需相移，缩减了移相器的尺寸；FSIW与慢波结构之间无需转接结构，易于和其他基于FSIW的电路集成，可直接嵌入到现有的FSIW系统中。

权利要求

1.周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于包括FSIW和多个周期性排列的CSRR；

所述FSIW由从上至下依次设置的顶层金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层、底层金属层，以及贯穿第一介质层、第二介质层的两排金属化通孔阵列组成；

中间金属层的一侧与一排金属化通孔阵列相连，另一侧的边沿与另一排金属化通孔阵列不接触；

所述周期性排列的CSRR刻蚀在FSIW的中间金属层上，包括两个开口相反的外环缝隙和内环缝隙；

CSRR的外环缝隙开口朝向不与金属化通孔阵列接触的中间金属层边沿；内环缝隙与外环缝隙间在x轴方向的距离为0。

2.根据权利要求1所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于中间金属层的不接触金属化通孔阵列一侧与金属化通孔阵列的距离g = 0.125W，W表示两排金属化通孔阵列之间的距离。

3.根据权利要求1所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于两排金属化通孔阵列之间的距离W为FSIW的宽度，决定FSIW的截止频率。

4.根据权利要求1所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于CSRR的等效电路为并联LC回路，其等效电感值Lr和等效电容值Cr与外环缝隙的长度LR1和内环缝隙的长度LR2正相关，与外环缝隙的宽度WR1和内环缝隙的宽度WR2负相关；调节外环缝隙、内环缝隙的长度和宽度控制CSRR的谐振频率 ，使其工作在移相器所需的工作频带内。

5.根据权利要求1或4所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于FSIW与CSRR之间的耦合强度通过改变LS1和S2进行调节，相邻CSRR之间的耦合强度通过改变S1进行调节；其中LS1表示CSRR的外环缝隙开口长度，S1表示相邻CSRR之间的距离，S2表示CSRR的外环缝隙开口与中间金属层边沿之间的距离。

6.根据权利要求1所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于CSRR的尺寸和个数决定相移值大小。

7.根据权利要求6所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于减小CSRR内环缝隙开口与外环缝隙间在y轴方向的距离D12、内环缝隙的长度LR2，相移值增加；

增加外环缝隙的开口长度LS1，移相值增加；增加CSRR的个数，移相值增加。

8.根据权利要求1所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于FSIW移相器的工作频段设置为12.5GHz，相移大小为90度，CSRR的个数为3个。

9.根据权利要求1所述的周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器，其特征在于CSRR实质上表现为电偶极子，在FSIW的中间金属层刻蚀周期性排列的CSRR会对FSIW的主模TE10模产生很强的加载效应，从而改变FSIW中的电磁场分布，使其集中在CSRR附近。

说明书

周期性加载CSRR的折叠基片集成波导移相器

技术领域

[0001] 本发明属于微波技术领域，涉及一种周期性加载互补分离谐振环(CSRR)的折叠基片集成波导(FSIW)移相器。

背景技术

[0002] 移相器是波束成型网络中必不可少的关键器件，要求具有宽带、相移平坦性好、损耗低、幅度均衡性好、易与其他电路集成等特点。目前大多数宽带移相器都是基于微带或E
面波导实现的，前者由于其开放结构，在微波高频段损耗较大，后者虽然损耗小，但存在加
工复杂、体积大、成本高和不易与平面电路集成等问题。作为一种平面波导结构，基片集成
波导(SIW)在高性能的金属波导和低成本的平面传输线之间实现了完美折中，具有低成本、
低剖面、低损耗、易于和其他平面电路集成等优点。但在一些应用场合中，SIW的尺寸仍然偏
大，为了进一步缩减尺寸，半模SIW(HMSIW)和折叠SIW(FSIW)应运而生。随着SIW技术(包括
SIW，HMSIW和FSIW等)的发展，SIW移相器也得到了极大的关注。

[0003] 最直接的SIW移相器是SIW等宽不等长移相器，即利用SIW延迟线实现移相功能，但它对频率非常敏感，工作带宽很窄，应用受到很大限制。另一种常用的SIW移相器是SIW等长
不等宽移相器，其利用不同宽度的SIW的相位常数近似平行的特点，实现了相对带宽约10％
的平坦相移，但这对于宽带应用而言仍然不够。为了进一步拓展SIW移相器的工作带宽，可
以将SIW等长不等宽移相器和SIW等宽不等长移相器进行有机组合从而构建SIW自补偿移相
器，但这种移相器与参考线的物理长度不一致，导致结构不对称，影响了其在波束成型网络
中的集成和应用。另一种方法是在SIW的内部嵌入与板材具有不同介电常数的介质块，以改
变SIW传输线的等效介电常数，从而改变信号传播的相速度。但这种结构不仅加工制作十分
复杂，而且还需要占据很大的面积。此外，通过在SIW或HMSIW的金属表面周期性加载互补分
离谐振环(CSRR)，也可以实现宽带的相移功能。但这种表面刻蚀结构破坏了SIW的屏蔽性，
增加了移相器的辐射损耗，恶化了移相器与参考线之间的幅度平衡。

[0004] 在FSIW移相器方面，目前仅有FSIW等宽不等长移相器和FSIW等长不等宽移相器的报道，未曾有在FSIW上加载CSRR结构的移相器相关技术报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种在FSIW中间金属层周期性加载CSRR的FSIW移相器，不仅尺寸小、能够在宽频带内实现平坦相移，而且还具有完全屏蔽的
特性，避免了CSRR的辐射损耗。

[0006] 本发明采用如下技术方案：

[0007] 本发明提供的一种周期性加载CSRR的FSIW移相器，包括FSIW和多个周期性排列的CSRR；

[0008] 所述FSIW由从上至下依次设置的顶层金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层、底层金属层，以及贯穿第一介质层、第二介质层的两排金属化通孔阵列组成；

[0009] 两排金属化通孔阵列之间的距离W为FSIW的宽度，决定了FSIW的截止频率；中间金属层的一侧与一排金属化通孔阵列相连，另一侧的边沿与另一排金属化通孔阵列不接触，
且两者的距离g＝0.125W；

[0010] 所述周期性排列的CSRR刻蚀在FSIW的中间金属层上，包括两个开口相反的外环缝隙和内环缝隙；

[0011] 作为优选，CSRR的外环缝隙开口朝向不与金属化通孔阵列接触的中间金属层边沿；

[0012] 作为优选，CSRR的内环缝隙与外环缝隙间在x轴方向的距离为0；

[0013] 作为优选，CSRR的等效电路为并联LC回路，其等效电感值Lr和等效电容值Cr与外环缝隙的长度LR1和内环缝隙的长度LR2正相关，与外环缝隙的宽度WR1和内环缝隙的宽度WR2负
相关；因此，调节外环缝隙、内环缝隙的长度和宽度可以有效控制CSRR的谐振频率
使其工作在移相器所需的工作频带内；

[0014] 作为优选，FSIW与CSRR之间的耦合强度可以通过改变LS1和S2进行调节，相邻CSRR之间的耦合强度可以通过改变S1进行调节；其中LS1表示CSRR的外环缝隙开口长度，S1表示
相邻CSRR之间的距离，S2表示CSRR的外环缝隙开口与中间金属层边沿之间的距离；

[0015] 作为优选，CSRR的个数由所需相移值来确定，增加CSRR的个数，可提高相移值；

[0016] 作为优选，第一介质层和第二介质层均采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.5mm的TanconicTLY‑5介质基板；

[0017] 更为优选，FSIW移相器的工作频段设置为12.5GHz，相移大小为90度，CSRR的个数为3个。具体几何参数如下：W＝6.4,g＝0.8,S1＝0.2,S2＝0.9,WR1＝0.3,WR2＝0.2,LR1＝
11.8,LR2＝7.7,LS1＝2,LS2＝1.3(单位：mm)

[0018] 工作原理：

[0019] CSRR实质上表现为电偶极子，在FSIW的中间金属层刻蚀周期性排列的CSRR会对FSIW的主模(TE10模)产生很强的加载效应，从而改变FSIW中的电磁场分布，使其集中在CSRR
附近。与未加载CSRR的FSIW相比，周期性加载CSRR的FSIW区域的相速度更小，因此可以被看
成是一种慢波结构。而且，由于周期性加载CSRR的FSIW和未加载CSRR的FSIW的相速度近似
平行，因此在同样的物理长度下，两者在很宽的频带内具有平坦的相位差。相移大小可以通
过改变CSRR的尺寸(减小CSRR内环缝隙开口与外环缝隙间在y轴方向的距离D12、内环缝隙的
长度LR2，相移值增加；增加外环缝隙的开口长度LS1，移相值增加)和个数(增加CSRR的个数，
可提高相移值)决定。

[0020] 本发明具有以下优点：

[0021] (1)在FSIW的中间金属层加载CSRR，保持了FSIW的屏蔽性，避免了CSRR的辐射损耗，与参考FSIW之间具有很好的幅度平衡；

[0022] (2)FSIW中的CSRR具有很强的加载效应，仅需要少量的CSRR单元即可实现所需相移，降低了设计的复杂性，缩减了移相器的尺寸；

[0023] (3)FSIW与慢波结构之间无需转接结构，易于和其他基于FSIW的电路集成，可直接嵌入到现有的FSIW系统中。

附图说明

[0024] 图1(a)和(b)分别是本发明的俯视图和侧视图；

[0025] 图2是本发明的相移仿真结果；

[0026] 图3是本发明的S参数仿真结果。

[0027] 图4是加载CSRR的FSIW和未加载CSRR的FSIW之间的插入损耗仿真结果对比。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0029] 如图1(a)和(b)所示，本发明提供的周期性加载CSRR的FSIW移相器，包括：FSIW1和周期性排列的CSRR 2；其中FSIW 1由顶层金属层3、第一介质层4、中间金属层5、第二介质层
6、底层金属层7和贯穿第一介质层4、第二介质层6的两排金属化通孔阵8列组成；两排金属
化通孔阵列8之间的距离W为FSIW的宽度，决定了FSIW的截止频率；中间金属层5的一侧与一
排金属化通孔阵列相连，另一侧的边沿与另一排金属化通孔阵列之间的距离g＝0.125W；

[0030] 周期性排列的CSRR 2刻蚀在FSIW 1的中间金属层5上，相邻CSRR之间的距离为S1，CSRR与中间金属层5的边沿之间的距离为S2；CSRR单元包括外环缝隙2a和内环缝隙2b；外环
缝隙2a的长度为LR1，宽度为WR1，环开口长度为LS1；内环缝隙2b的长度为LR2，宽度为WR2,环开
口长度为LS2；内环缝隙2a与外环缝隙2b在x轴方向的距离为0，在y轴方向的距离为D12。具体
几何参数如下：W＝6.4,g＝0.8,S1＝0.2,S2＝0.9,WR1＝0.3,WR2＝0.2,LR1＝11.8,LR2＝7.7,
LS1＝2,LS2＝1.3(单位：mm)。

[0031] 图2是本发明的相移仿真结果。在本实例中，周期性加载CSRR的FSIW移相器的中心频率为12.5GHz。在10.3‑15GHz的频率范围内实现了90°±4°的平坦相移，移相带宽高达
37.6％，展示出优异的移相性能。

[0032] 图3是本发明的S参数仿真结果。由图可见，在整个工作频段内(10‑15GHz)，移相器的插入损耗|S21|小于0.29dB，回波损耗(|S11|)均优于23dB。验证了周期性加载CSRR的FSIW
无需任何转接结构便可与普通FSIW直接相连。

[0033] 图4给出了加载CSRR的FSIW与未加载CSRR的FSIW之间的插入损耗(|S21|)的仿真结果对比。由图可见，在10.5‑15GHz频率范围内，两者之间的最大差值仅为0.02dB.具有非常
优异的幅度平衡特性。验证了在FSIW中间金属层加载的CSRR几乎没有辐射损耗。与现有的
周期性加载CSRR的SIW和HMSIW移相器相比，本发明获得了更低的插入损耗。

[0034] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。