[发明专利]一种波导电控二极管移相器

说明书

本发明公开了一种波导电控二极管移相器，通过结构级联，所设计的波导电控移相器可实现0‑360°相位周期内数字式步进式移相，可满足实际相控阵天线的移相需求，而且波导电控移相器采用了加载式结构，在实现移相的同时只有部分能量通过加载结构，使得移相器具有较低的插损以及较高的功率容量；同时，相比于传统波导电控移相器，该款移相器具有更高的移相平稳度；同时，所设计的加载结构可采用成熟的PCB工艺实现，同时传输波导结构始终具有均匀的截面，使得整个结构便于加工且具有较低的成本；此外，波导电控移相器结构嵌入波导内部，整个结构被限制在波导截面内，具有尺寸小、重量轻的优点，特别适用于密集排布的阵列应用。

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种波导电控二极管移相器。

背景技术

移相器是一种可改变传输电磁信号的相位器件，被广泛应用于微波、毫米波馈电网络中，特别是相控阵天线的馈电系统中。移相器通常由一定的电磁信号传输结构与移相控制器件构成。数十年来，移相器已发展出各种型号以及多种类别。移相器可按照不同标准进行分类：按照移相器控制方式可分为机械式移相器和电控式移相器；按照移相相位步进状态可分为模拟式移相器和数字式移相器；按照移相器所使用的传输结构可分为平面传输线移相器、波导移相器、集总式移相器等。其中，基于平面传输线结构以及集总器件的移相器由于尺寸小、成本低、便于加工和集成等优点，在目前的应用中最为常见。但是，这类移相器通常也具有插损高、功率容量低等缺点。

在很多对插损、功率容量要求较高的应用中，波导结构，包括金属波导、介质波导、平面集成波导等，常常被用作传输结构，由此衍生出对波导移相器的需求。由于波导结构、场分布较一般传输线更为复杂，使得波导移相器的设计相对困难。目前，波导移相器多为铁氧体式或机械式。这类移相器通常具有功率容量大、带宽较宽、插损较小的优点，但也存在着体积大、控制功耗高、响应速度慢等缺点。特别地，铁氧体移相器响应时间主要取决于铁氧体的磁化速度，通常为毫秒量级；机械式移相器响应时间主要取决于机械装置的动作速度，通常为秒量级，采用特殊的微机电开关等装置可达毫秒量级。这样的响应时间难以满足一些实际应用的要求，如需要波束快速偏转的相控阵雷达或高速数传系统。

为了克服上述问题，研究人员提出和设计了多种基于变容二极管、PIN二极管等的电控波导移相器，其相应时间可达纳秒量级。例如，Wu Ke等人设计了一款利用波导表面缝隙加载变容二极管实现电控移相的平面集成波导移相器(Y.Ding and K.Wu,“Vara-ctor-Tuned Substrate Integrated Waveguide Phase Shifter,”2011 IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium,Jun.2011.)；Badar等人利用波导耦合腔结构结合PIN二极管加载的表面缝隙实现了一款平面集成波导电控移相器(B.Muneer,Q.Zhu andS.Xu,“A Broadband Tunable Multilayer Substrate Integrated Waveguide PhaseShifter,”IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.25,no.4,pp.220-222,Apr.2015.)；A.E.Martynyuk等人将苯并环丁烯材料构成的特殊偏置结构膜片放置于金属圆波导中实现了反射式的电控圆波导移相器(A.E.Martynyuk,A.G.Martinez-Lopezand J.I.M.Lopez,“2-bit X-Band Reflective Waveguide Phase Shifter with BCB-Based Bias Circuits,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.54,no.12,pp.4056-4061,Dec.2006.)。但是，目前的波导电控移相器存在着插损高、带宽窄、移相精度差等问题。同时，已有的波导电控移相器通常不能实现0-360°相位周期内连续的或步进式的相位调整，使得其难以在实际系统中发挥作用。

发明内容