專利名稱：非周期性電容加載的移相器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種非周期性電容加載的移相器，具體而言，涉及一種適用于相控陣天線陣列的非周期性電容加載的傳輸型移相器。
背景技術：
移相器是相控陣雷達、衛星通信、移動通信等設備中大量應用的核心組件，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設備的抗干擾能力和靈敏度，以及設備的體積、重量和成本，因此研究寬頻帶、低插入損耗的移相器在軍事和民用的通信、雷達等領域具有重要的意義。MEMS移相器和BST移相器具有體積小，重量輕，控制時間短，插入損耗較低、可載功率較大等優點，具有很大的發展和應用前景。MEMS是微機電系統的英文縮寫。BST即鈦酸鍶鋇，是一種具有高介電常數的鐵磁材料，其介電常數可隨加在材料上的偏壓大小變化。
背景技術：
中有一種傳輸式移相器，由一段電磁波在其上傳輸的相速度或傳輸時延可變的傳輸線段構成。在傳輸線實現電磁波相速度或傳輸時延變化的最常用的方法是在傳輸線上整體或周期性加載電容量可隨控制偏壓改變的電容，即加載壓控電容。在MEMS移相器中，這種電容改變是通過施加不同的控制偏壓改變MEMS電容電極間的間隙來實現的，而在BST移相器中，這種電容改變是通過施加不同的控制偏壓改變BST薄膜的介電常數而實現的。
背景技術：
(US6,559,737)提出一種周期性加載電容的移相器，如圖1所示，加載電容是BST電容，通過改變加在BST電容上的偏壓來改變BST電容的電容值，使移相器實現移相功能。
從射頻或微波電路理論可知，周期性加載在傳輸線上的每一個BST電容引入的不均勻性，都會引入附加反射，使移相器的總體反射增加，導致移相器因與接在其輸入端和輸出端上的微波電路不匹配而造成的損耗增加。從移相器與接在其上的微波電路的之間的匹配性能有待改進這點來看，對移相器的傳輸線段作周期性加載電容的做法并不是最佳的技術方案。
為了提高移相器的插入損耗、反射和匹配性能的指標，需要對周期性加載電容的移相器進行改進。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提出一種非周期性電容加載的移相器。該移相器有以下優點為接在其輸入端和輸出端上的微波電路提供較好的阻抗匹配，反射小，插入損耗低，可控相移量大。
本發明通過采用以下技術方案使上述技術問題得到解決。在傳統的周期性電容加載的移相器的基礎上，將加載電容以非周期性方式加載在傳輸線上電容量不相同的加載電容均勻地排列在傳輸線的中心信號線與接地線之間；電容量相同的加載電容不均勻地排列在傳輸線的中心信號線與接地線之間或電容量不相同的加載電容不均勻地排列在傳輸線的中心信號線與接地線之間，得到一種非周期性電容加載的移相器，所述的加載電容為BST壓控電容或MEMS壓控電容。
現詳細說明本發明的技術方案。
一種非周期性電容加載的移相器，由基片20和微波傳輸線40組成，基片20的構成材料是諸如藍寶石、高阻硅、多孔硅、紅寶石或高頻陶瓷之類的低損耗介質，微波傳輸線40構筑在基片20上，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線、共面帶狀線或微帶線，微波傳輸線40包括中心信號線7、加載電容2、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，加載電容2為壓控電容，加載電容2排列在中心信號線7與第一接地線3、第二接地線5之間，其特征在于，n個電容量不相同的加載電容2均勻地排列在中心信號線7與第一接地線3、第二接地線5之間，加載電容2與中心信號線7之間由導線6連接，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值所述的移相器工作時，由任何一個電容量為優化值和位于中心信號線7上各自相應的加載位置的加載電容2引起的反射最小，n為8～100。
本發明的技術方案的進一步特征在于，n個電容量相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7與第一接地線3、第二接地線5之間，n為8～100。
本發明的技術方案的進一步特征在于，n個電容量不相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7與第一接地線3、第二接地線5之間，n為8～100。
本發明的技術方案的進一步特征在于，加載電容2是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容2與第一接地線3、第二接地線5之間的基片20上沉積有BST薄膜。
本發明的技術方案的進一步特征在于，加載電容2是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容。
與背景技術相比，本發明的移相器有以下優點1、本發明的移相器為接在其輸入端和輸出端上的微波電路提供較好的阻抗匹配。
2、微波信號經本發明的移相器傳輸時反射小，插入損耗低，可控相移量大。
圖1是周期性電容加載的移相器的結構示意圖，其中加載電容2是BST壓控電容，電容量相同的加載電容2均勻地排列在中心信號線7上。
圖2是非周期性電容加載的移相器之一的結構示意圖，其中加載電容2是BST壓控電容，電容量不相同的加載電容2均勻地排列在中心信號線7上。
圖3是非周期性電容加載的移相器之二的結構示意圖，其中加載電容2是BST壓控電容，電容量相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7上。
圖4是非周期性電容加載的移相器之三的結構示意圖，其中加載電容2是MEMS壓控電容，電容量相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7上，左邊為移相器的側視圖，右邊為移相器的正視圖。
圖5是本發明的移相器與傳統的移相器的回波損耗比較。回波損耗＝20lg(|Г|)(dB)，Г為反射系數。
圖6是本發明的移相器與傳統的移相器的插入損耗比較。
圖7是本發明的移相器與傳統的移相器的最大移相量比較。
具體實施例方式
為更好的理解本發明，現結合附圖對本發明進行進一步的說明，現提供三個非周期性加載移相器的實施例。所有實施例具有與上文“發明內容”所述的移相器完全相同的結構。
實施例1非周期性電容加載的移相器之一，其結構示意圖見圖2。
本實施例以藍寶石作為基片20，微波傳輸線40構筑在基片20上，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線，微波傳輸線40包括中心信號線7、加載電容2、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，n個電容量不相同的加載電容2均勻地排列在微波傳輸線40的中心信號線7與接地線3、5之間，加載電容2與中心信號線7之間由導線6連接，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值，加載電容2是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容2與第一接地線3、第二接地線5之間的基片20上沉積有BST薄膜，n為8～100。
本實施例也可以其它諸如高阻硅、多孔硅、紅寶石、高頻陶瓷之類的低損耗介質作為基片20。
本實施例的微波傳輸線40可以是共面帶狀線或微帶線。
實施例2實施例1的移相器的變型，其結構示意圖見圖4。
本實施例以石英作為基片20，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線，微波傳輸線40包括中心信號線7、MEMS橋8、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，MEMS橋8構成MEMS壓控加載電容2。中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，n個電容量不相同的加載電容2均勻地排列在中心信號線7與第一接地線3、第二接地線5之間，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值，加載電容2是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容，n為8～100。
本實施例也可以其它諸如高阻硅、多孔硅、藍寶石、紅寶石、高頻陶瓷之類的低損耗介質作為基片20。
本實施例的微波傳輸線40可以是共面帶狀線或微帶線。
實施例3非周期性電容加載的移相器之二，其結構示意圖見圖3。
本實施例以藍寶石作為基片20，微波傳輸線40構筑在基片20上，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線，微波傳輸線40包括中心信號線7、加載電容2、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，n個電容量相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7與第一接地線3、第二接地線5之間，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值，加載電容2是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容2與第一接地線3、第二接地線5之間的基片20上沉積有BST薄膜，n為8～100。
本實施例也可以其它其它諸如高阻硅、多孔硅、紅寶石、高頻陶瓷之類的低損耗介質作為基片20。
本實施例的微波傳輸線40可以是共面帶狀線或微帶線。
實施例4實施例3的移相器的變型，其結構示意圖見圖4。
本實施例以石英作為基片20，微波傳輸線40構筑在基片20上，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線，微波傳輸線40包括中心信號線7、MEMS橋8、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，MEMS橋8構成MEMS壓控加載電容2。中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，n個電容量相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7與接地線3、5之間，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值，加載電容2是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容，n為8～100。
本實施例也可以其它其它諸如高阻硅、多孔硅、藍寶石、紅寶石、高頻陶瓷之類的低損耗介質作為基片20。
本實施例的微波傳輸線40可以是共面帶狀線或微帶線。
實施例5非周期性電容加載的移相器之三。
本實施例以藍寶石作為基片20，微波傳輸線40構筑在基片20上，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線，微波傳輸線40包括中心信號線7、加載電容2、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，n個電容量不相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7與接地線3、5之間，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值，加載電容2是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容2與第一接地線3、第二接地線5之間的基片20上沉積有BST薄膜，n為8～100。
本實施例也可以其它其它諸如高阻硅、多孔硅、紅寶石、高頻陶瓷之類的低損耗介質作為基片20。
本實施例的微波傳輸線40可以是共面帶狀線或微帶線。
實施例6實施例5的移相器的變型。
本實施例以石英作為基片20，微波傳輸線40構筑在基片20上，微波傳輸線40是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線，微波傳輸線40包括中心信號線7、加載電容2、第一接地線3、第二接地線5、輸入端1和輸出端4，中心信號線7位于第一接地線3、第二接地線5之間，中心信號線7的兩端分別是輸入端1和輸出端4，n個電容量不相同的加載電容2不均勻地排列在中心信號線7與接地線3、5之間，n個加載電容2中的任何一個相對于其在中心信號線7上的加載位置而言，其電容量為優化值，加載電容2是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容，n為8～100。
本實施例也可以其它其它諸如高阻硅、多孔硅、藍寶石、紅寶石、高頻陶瓷之類的低損耗介質作為基片20。
本實施例的微波傳輸線40可以是共面帶狀線或微帶線。
工作原理。先以圖1所示的移相器，即背景技術為例，說明之。該移相器包括在低損耗介質基片20上構筑的一段微波傳輸線40，微波傳輸線40可以是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線、共面帶狀線或者微帶線。在微波傳輸線40上周期性加載若干加載電容2。加載電容2為壓控電容，即加載電容2的電容量隨加在加載電容2兩端的控制電壓而改變。壓控電容是BST壓控電容。這些加載電容2改變了微波傳輸線40的傳輸特性，如特性阻抗、傳播常數和衰減常數。該移相器工作時，微波傳輸線40的輸入端1和輸出端4分別接微波電路。在相控陣天線中，微波電路分別為饋電網絡和天線。該移相器的加載電容2通過低通濾波器或高頻扼流元件，從偏壓控制電路得到控制電壓。圖1未示出低通濾波器、高頻扼流元件和偏壓控制電路，因為它們都是同技術領域的技術人員所熟悉的電路技術。當加載電容2在控制電壓的作用下電容量發生變化時，在該移相器中傳輸的微波或射頻信號的相移會發生變化，從而達到移相的目的。加載電容2的引入同時也改變了微波傳輸線40與接在其上的微波電路的匹配狀態，引起了附加反射。根據微波傳輸線理論，原(未加載電容)微波傳輸線的特性阻抗假定為Z0，加載電容2處的傳輸線段的等效特性阻抗為Zc，則傳輸的電磁波在兩段傳輸線段交界處會發生反射，反射系數Г，即反射波電場與入射波電場之比為Γ=ZC-Z0ZC+Z0.]]>如果在微波傳輸線40中某點的阻抗為ZL，其在離該點距離為d處的等效阻抗Zin為Zin=Z0ZL+jZ0tan(βd)Z0+jZLtan(βd),]]>(其中β為傳輸線的傳播常數)。由于該阻抗接到特性阻抗為Z0的傳輸線引起的反射為Γin=Zin-Z0Zin+Z0.]]>如果移相器輸入端1的反射系數為Г，則真正傳入移相器的功率為Pin×(1-|Г|2)。可見，移相器的反射越大，因反射造成的微波功率損失越大，經移相器傳輸的微波功率就越小。這種移相器的反射與加載電容2對微波傳輸線40引入的不均勻性有關，與相鄰加載電容2在微波傳輸線40上的間距有關。綜上，對移相器的微波傳輸線40作周期性電容加載電容量相同的加載電容均勻地排列在微波傳輸線40上，并不能保證移相器的反射最小。
本發明的關鍵之處是打破加載電容2在微波傳輸線40上按周期性加載的規律。實施例1是本發明的移相器之一，具有如圖2所示的結構。在結構上，該移相器與背景技術的區別在于，該移相器采取若干(n＝8～100)加載電容2非周期性加載在微波傳輸線40上的結構。加載電容2是BST壓控電容。這種結構能產生以下有益效果能做到對每個加載電容2電容量的大小和每個加載電容2在微波傳輸線40上的加載位置進行優化選擇，使移相器在其工作頻帶內能實現反射盡可能小和移相量盡可能大的目標。由于所有的加載電容2與第一接地線3、第二接地線5之間的基片20上沉積有BST薄膜，改變加在加載電容2上的控制偏壓，可以改變BST薄膜的介電常數，使各加載電容2的電容量隨之發生變化，從而使電容加載的共面波導傳輸線的相移常數在反射小的情況下發生變化，從而實現反射盡可能小、插入損耗可能小和移相量盡可能大的目標。
圖5～7給出了根據本發明的非周期性電容加載的移相器之二與傳統的周期性電容加載的移相器的回波損耗、插入損耗和最大移相量隨頻率變化的仿真結果。可以看到，本發明的非周期性電容加載的移相器之二的回波損耗、插入損耗都優于傳統的周期性電容加載的移相器的回波損耗、插入損耗，前者的最大可控移相量也大于后者的最大可控移相量。
綜上，加載電容式移相器的最佳結構是本發明提出的非周期性電容加載的移相器的結構可以是電容量不相同的加載電容2均勻地排列在微波傳輸線40上，如圖2所示，參見實施例1、2；也可以是電容量相同的加載電容2不均勻地排列在微波傳輸線40上，如圖3所示，參見實施例3、4；也可以是電容量不相同的加載電容2不均勻地排列在微波傳輸線40上，參見實施例5、6。
本發明中提出的非周期性電容加載的移相器的適用頻率范圍可以從數百MHz的UHF頻段，到幾十GHz的毫米波頻段。如果尺寸與制造工藝允許，該范圍還可以擴大。X波段的移相器的尺寸大概為數毫米，因介質基片的介電常數、所需的最大移相量、加載電容的結構形式而異。一般來說，低頻段的移相器的尺寸較大，而高頻段的移相器的尺寸較小。
權利要求
1.一種非周期性電容加載的移相器，由基片(20)和微波傳輸線(40)組成，基片(20)的構成材料是諸如藍寶石、高阻硅、多孔硅、紅寶石或高頻陶瓷之類的低損耗介質，微波傳輸線(40)構筑在基片(20)上，微波傳輸線(40)是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線、共面帶狀線或微帶線，微波傳輸線(40)包括中心信號線(7)、加載電容(2)、第一接地線(3)、第二接地線(5)、輸入端(1)和輸出端(4)，中心信號線(7)位于第一接地線(3)和第二接地線(5)之間，中心信號線(7)的兩端分別是輸入端(1)和輸出端(4)，加載電容(2)為壓控電容，加載電容(2)排列在中心信號線(7)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間，其特征在于，n個電容量不相同的加載電容(2)均勻地排列在中心信號線(7)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間，加載電容(2)與中心信號線(7)之間由導線(6)連接，n個加載電容(2)中的任何一個相對于其在中心信號線(7)上的加載位置而言，其電容量為優化值所述的移相器工作時，由任何一個電容量為優化值和位于中心信號線(7)上各自相應的加載位置的加載電容(2)引起的反射最小，n為8～100。
2.根據權利要求1所述的非周期性電容加載的移相器，其特征在于，加載電容(2)是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容(2)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間的基片(20)上沉積有BST薄膜。
3.根據權利要求1所述的非周期性電容加載的移相器，其特征在于，加載電容(2)是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容。
4.一種非周期性電容加載的移相器，由基片(20)和微波傳輸線(40)組成，基片(20)的構成材料是諸如藍寶石、高阻硅、多孔硅、紅寶石或高頻陶瓷之類的低損耗介質，微波傳輸線(40)構筑在基片(20)上，微波傳輸線(40)是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線、共面帶狀線或微帶線，微波傳輸線(40)包括中心信號線(7)、加載電容(2)、第一接地線(3)、第二接地線(5)、輸入端(1)和輸出端(4)，中心信號線(7)位于第一接地線(3)和第二接地線(5)之間，中心信號線(7)的兩端分別是輸入端(1)和輸出端(4)，加載電容(2)為壓控電容，加載電容(2)排列在中心信號線(7)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間，其特征在于，n個電容量相同的加載電容(2)不均勻地排列在中心信號線(7)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間，n個加載電容(2)中的任何一個相對于其在中心信號線(7)上的加載位置而言，其電容量為優化值所述的移相器工作時，由任何一個電容量為優化值和位于中心信號線(7)上各自相應的加載位置的加載電容(2)引起的反射最小，n為8～100。
5.根據權利要求4所述的非周期性電容加載的移相器，其特征在于，加載電容(2)是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容(2)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間的基片(20)上沉積有BST薄膜。
6.根據權利要求4所述的非周期性電容加載的移相器，其特征在于，加載電容(2)是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容。
7.一種非周期性電容加載的移相器，由基片(20)和微波傳輸線(40)組成，基片(20)的構成材料是諸如藍寶石、高阻硅、多孔硅、紅寶石或高頻陶瓷之類的低損耗介質，微波傳輸線(40)構筑在基片(20)上，微波傳輸線(40)是共面波導傳輸線，即CPW傳輸線、共面帶狀線或微帶線，微波傳輸線(40)包括中心信號線(7)、加載電容(2)、第一接地線(3)、第二接地線(5)、輸入端(1)和輸出端(4)，中心信號線(7)位于第一接地線(3)和第二接地線(5)之間，中心信號線(7)的兩端分別是輸入端(1)和輸出端(4)，加載電容(2)為壓控電容，加載電容(2)排列在中心信號線(7)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間，其特征在于，n個電容量不相同的加載電容(2)不均勻地排列在中心信號線(7)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間，n個加載電容(2)中的任何一個相對于其在中心信號線(7)上的加載位置而言，其電容量為優化值所述的移相器工作時，由任何一個電容量為優化值和位于中心信號線(7)上各自相應的加載位置的加載電容(2)引起的反射最小，n為8～100。
8.根據權利要求7所述的非周期性電容加載的移相器，其特征在于，加載電容(2)是BST壓控電容，即鈦酸鍶鋇壓控電容，在n個加載電容(2)與第一接地線(3)、第二接地線(5)之間的基片(20)上沉積有BST薄膜。
9.根據權利要求7所述的非周期性電容加載的移相器，其特征在于，加載電容(2)是MEMS壓控電容，即微機電系統壓控電容。
全文摘要
一種非周期性電容加載的移相器，在傳統的周期性電容加載的移相器的基礎上，將加載電容以非周期性方式加載在微波傳輸線上電容量不相同的加載電容均勻地排列在微波傳輸線的中心信號線上；電容量相同的加載電容不均勻地排列在微波傳輸線的中心信號線上或電容量不相同的加載電容不均勻地排列在微波傳輸線的中心信號線上。所述的加載電容為BST壓控電容或MEMS壓控電容。該移相器有以下優點該移相器中的任何一個加載電容的電容量均為優化值，使該移相器能與接在其輸入端和輸出端上的微波電路較好地阻抗匹配；使微波信號經該移相器傳輸時反射小，插入損耗低，可控相移量大。
文檔編號H01Q3/30GK1728448SQ20051002831
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月29日 優先權日2005年7月29日
發明者朱守正, 賀聯星, 周穎娟, 張偉偉, 廖斌 申請人:華東師范大學, 上海聯能科技有限公司