[发明专利]基于慢波半模基片集成波导的小型化宽带移相器

权利要求书

1.基于慢波半模基片集成波导的小型化宽带移相器，其特征在于：包括移相节和参考节；

参考节与移相节的长度相等，参考节与移相节的宽度相等；

所述移相节包括介质基板一，介质基板的一个表面设有金属微带，另一个表面设有金属地；

介质基板一的金属微带包括两段移相节端口微带线、两段移相节锥形过渡传输线、移相节金属化通孔、通孔所在的微带粗水平线、微带弯折线、微带细竖直线、微带细水平线和微带粗竖直线；

移相节金属化通孔内壁均覆有金属，用于介质基板一正面和背面金属地间的连接；

所述参考节包括介质基板二，介质基板的一个表面设有金属微带，另一个表面设有金属地；

介质基板二的金属微带包括两段参考节端口传输线、两段参考节锥形过渡传输线、参考节金属化通孔和上层金属表面；

参考节金属化通孔内壁均覆有金属，用于介质基板二正面和背面金属地间的连接；

移相节中，端口微带线通过移相节锥形过渡传输线与移相节中半模基片集成波导相连；

其中，移相节中半模基片集成波导由移相节金属化通孔、通孔所在的微带粗水平线、微带弯折线与微带细竖直线、微带细水平线和微带粗竖直线构成；

参考节中，参考节端口传输线通过参考节锥形过渡传输线与参考节中半模基片集成波导相连；

其中，参考节中半模基片集成波导由参考节金属化通孔和上层金属表面构成；

所述移相节端口微带线的特性阻抗为50Ω；参考节端口传输线的特性阻抗为50Ω；

所述参考节基片集成波导的上层金属表面为完整连续表面；

所述移相节设有信号输入端口一与信号输入端口二；所述参考节设有信号输入端口三与信号输入端口四；

信号输入端口一与信号输入端口三分别用于移相节和参考节的射频信号输入，信号输出端口二和信号输出口四分别用于移相节和参考节的射频信号输出；

所述移相器产生的相移为移相节相移与参考节相移之差，即移相节端口之间的相移与参考节端口之间的相移之差，表示为Ang(S₂₁)-Ang(S₄₃)；

移相节所加载的微带折线单元由y方向对称放置的微带弯折线和x方向微带竖直线构成；

根据传输线等效媒质理论，当所加载的微带折线单元长度远远小于工作频率下的波长时，单元等效为传播媒质，等效介电常数和等效磁导率表述如下：

其中，ε_ex和ε_ey分别表示单元沿x方向和y方向的等效介电常数，ε_ez表示单元对-z方向的等效介电常数，μ_ex和μ_ey分别为单元沿x方向和y方向的等效磁导率，μ_ez表示单元对-z方向的等效磁导率；

微带折线单元对地方向，即-z方向，无等效电感效应，单元沿x方向和y方向无等效电容效应，得到：

μ_ez＝μ₀

ε_ex＝ε_ey＝ε₀ε_eff

其中，ε₀和μ₀表示真空中介电常数和磁导率，h表示微带折线单元所在的介质基板的厚度；a和b分别表示微带折线单元的宽度和长度，并且满足：

其中，w₁代表微带折线单元的线宽，ε_r为介质基板的相对介电常数；当移相节传输主模TE₁₀模时，其相速度和截止频率分别表示为：

其中ω表示工作角频率，w_eff表示基片集成波导等效为矩形波导的等效宽度，其值由下式得到：

其中，d表示金属通孔直径，p表示相邻金属通孔之间的中心距离，W表示基片集成波导上层金属宽度；

当尺寸确定的情况下，w_eff为固定值，ε_ez与折线单元对地的电容值C_z有关；μ_ex只对相速度v_p有影响，μ_ey对截止频率f_c和相速度v_p都有影响；而在y方向的电感值L_y影响μ_ey，而在x方向的电感值L_x影响μ_ex；在y方向的电感值L_y将同时影响波导的相速度v_p和截止频率f_c，x方向的电感值L_x只会影响相速度v_p，而对截止频率f_c没有影响；

周期性加载的微带折线单元实际上为慢波结构，通过增加横向和纵向的等效电感值，增加介质基板的等效磁导率和等效介电常数，从而降低基片集成波导截止频率和相速度，实现慢波效应；当所选的介质基板确定时，基片集成波导的截止频率与波导的等效宽度成反比，即设计实现与传统基片集成波导具有相同截止频率时，加载慢波结构的基片集成波导所需横向尺寸降低；当相速度降低时，加载慢波结构的基片集成波导达到与传统基片集成波导相同相移量时所需的纵向尺寸更小；

通过调节微带弯折线与微带细竖直线的尺寸，来调节相速度和截止频率，实现移相器的宽频带和小型化。