基于铁电陶瓷的波导E面T型结

赵世巍，管 俊，徐跃杭

(1.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065；2.电子科技大学，成都 610054)

0 引 言

波导T型结是微波和毫米波频率中至关重要的组合/分隔元件。矩形波导T型结具有优于其竞争对手的许多优点，例如，良好的散热性、高频率等。因此，波导T型结已被广泛用于雷达和毫米波系统中。为了提高波导T型结的性能，已做了许多尝试来减少插入损耗，例如将金属带状探头和2个双三角棱镜插入T型结[1-2]，此外，宽频段金属开口谐振环(split ring resonators,SRR)结构的双负复合超材料还用在波导T型结[3-5]中实现所需的相移。然而，这些方法也存在一些不足。一方面，波导T型结的相位不能根据期望值进行灵活修正；另一方面，插入损耗和工作频率等性能不能被同时保证。

本文提出了一种基于铁电陶瓷复合超材料的新型波导，在波导里面加入铁电材料，就像在波导里面加入双负超材料一样，通过改变铁电材料的控制电压，就可以使波导里面电磁场相位发生变化。这也是铁电材料的基本性能。由于基于铁电陶瓷的复合左右手材料(composite right/left hands,CRLH)[6-7]可以实现可调移相器，因此，该结构的相移可能随材料的不同而变化。相应地，通过改变铁电陶瓷在复合超材料中的电压，可以控制T型结的相位。

为了验证设计思想，实现并测试加入了铁电陶瓷复合超材料的T型结。波导中的铁电材料通过胶粘在波导内壁上面，通过加温烤，进行强化固定，工艺上具有可行性，操作上也容易实现，工程上具有很强的实用性。较好的测试与电磁仿真结果表明，该结构是雷达和毫米波系统的理想选择。

1 波导E面T型结的设计

在钛酸锶钡(Barium-Strontium-Titanate,BST)厚膜上制备了由串联电容和并联电感组成的新型复合超材料电池结构。可调谐平面叉指电容器(interdigital capacitor,IDC)可以改变传输线的相位，从而保证波导T型结的移相性能。所提出的波导人工相位单元可以实现8 GHz的90°相移。复合超材料元的等效电路模型如图1[7]。

图1 复合超材料元等效电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of metameterial cell

基于BST的复合超材料电池等效电路模型的拓扑结构可以在高通(LH)截止频率和低通(RH)截止频率之间工作，即

(1)

(2)

如果串联和并联谐振频率相同，LRCL(V)=LLCR(V)，则

(3)

本文中的BST材料为Ba0.6Sr0.4TiO3，可调谐性定义为相对介电常数的变化。另外，薄膜技术一般是射频溅镀和脉冲激光沉积，丝网印刷是一种非真空工艺。

在本文中，BST厚膜的高度为2.2 μm，丝网印刷烧结在高度为650 μm且εr=10的Al2O3衬底上。移相器是基于BST厚膜作为可调基板，将T型结波导中基于BST加载的复合超材料单元定义为可调负载元件。

设计一个波导T型结用于在8 GHz的2个波导端口之间实现90°的相移。该结构如图2。基于BST的可调IDC结构替代了波导中的SRR。通过改变BST材料的电压，可以灵活地调整T型结中端口1和端口2之间的相位。

图2 波导E面T型结的结构Fig.2 Structure of proposed waveguide E-plane T-junction

将BST复合超材料加入H面T型结的端口2中。可调复合超材料包含3个单元，每个单元包含一个串联IDC和接地短线作为并联电感。为了在7.8～8.3 GHz的工作频率下满足该波导T型结的相移，使用了全波电磁仿真。

在波导结构中，该等效电路的相位为

(4)

(5)

根据公式(4)—(5)进行计算初值，然后代入仿真软件，进行精确的建模和仿真计算。然后加工测试。因为波导中输出波的模式是TE10模，与PCB板上的准TEM模电磁波传输不同。通过外加直流偏压改变铁电材料的介电常数进而改变电磁波的相速度实现波导端口移相功能。这里对于波导来说，场的传播主要在空气介质之中，通过改变铁电材料的电压，改变铁电材料的介电常数，从而调整电容和电感数值，导致波导壁附近的边界条件发生了改变而引起的相位改变，从而进一步影响波导端口中的相位功能。

IDC单元的结构如图3。超材料单元的上部连接Vcc，复合超材料单元的下部通过通孔接地。根据图3，电源线焊接到IDC单元的上边缘，而电源Vcc放置在波导的外部。当电源Vcc接通，同时为3个IDC单元供电。由于BST的相对介电常数可以通过Vcc进行更改，因此，通过调整Vcc的电压来将IDC的移相器修改到所需的程度。所提出的结构具有LH移相器性能，可以替代SRR来控制相移。

图3 IDC的结构Fig.3 Structure of IDC

在串联分支中使用的IDC尺寸：长度l为0.7 mm；指宽w为0.5 mm；间隙宽度s为0.4 mm。此外，每个单元的长度y和相邻单元之间的距离x分别为3 mm和1 mm。

2 结果分析

在HFSS中设计并仿真了提出的E面T型结。 由于BST膜电压的变化，该设计无法在HFSS中进行电磁仿真。而是通过更改BST的相对介电常数来模拟模块，因为BST的相对介电常数可以随着BST的电压而改变。

加工出的E面T型结实物如图4。BST层的相对介电常数已从εr,BST=485下降为εr,BST=300，这在设计的T型结中表示有40%的可调谐性。BST偏置的最大值已经以5 V的步长增加到60 V。

图4 E面T型结的实物图Fig.4 Manufactured prototype of proposed E plane T-junction

通过Agilient Network Analyzed N5242A测量T型结的S参数。 为了与测试设备的I/O端口兼容，在测量设置时使用了3个AV71134波导同轴适配器。 图5—图6显示了所加工实物的仿真和测试结果。

图5 T型结S31和S32仿真和测试结果Fig.5 Simulated and measured S32 & S31 of the proposed T-junction

图6 T型结S11，S22和S33的仿真和测试结果Fig.6 Simulated and measured S33 & S22 & S11 of the proposed T-junction

通过校准移除波导至同轴适配器后，图5中插入损耗S31和S32的测试结果小于-2.4 dB。图6中，反射系数S11、S22和S33的测试结果优于-15 dB，由于BST材料电压的改变，仿真和测试结果会产生0.5 dB左右的偏差，但都在可接受的范围内。此外，在7.8～8.3 GHz的频率，端口1和端口2 之间S21的隔离度仍优于20 dB。

在图7中，T型结相位和频率随BST电压变化而变化。相位和电压之间的关系几乎是线性的。因此，相位控制非常简单，尤其是在一个阵列中同时控制几个移相器时。当BST的电压为40 V左右时，相位可以达到90°。同时，图7还给出了随BST电压变化的频率特性，其中，可以通过改变BST的电压来获得所需的工作频率。

图7 T型结相位和频率随BST电压变化曲线图Fig.7 Measured phase and frequency of the proposed T-junction varied with voltage of BST

表1中给出了不同方法设计出的T型结的性能比较，可以看出本文所设计T型结的优势，其中，文献[3]将SRR双负材料结构加入在矩形波导内而具有良好的插入损耗和回波损耗特性，通过调整SRR大小并将SRR加入波导中进行调谐来确定频率。但是，这些方法都无法控制T型结的相移。尽管在文献[6]中已经使用BST改变相位，插入损耗比这项指标依然很差，而且不是在波导中使用。

表1 T型结对照表Tab.1 Comparison of between the proposed T-junction and references

表1中，S参数的测量结果比文献[3]中的要好，但相移无法改变。另一方面，可以在文献[7]中用BST改变相移，但是，插入损耗和回波损耗比较差，同时没有使用在波导结构中。文献[8]以CRLH传输线设计了一种新型具有紧凑结构的波导，在16.5～26.2 GHz时，其回波损耗优于-34.7 dB。文献[9]设计了一款具有反相位输出的T型结，其输入端口绕2个输出端口的轴旋转90度，该T型结在26.3～39.4 GHz时的回波损耗优于-20 dB，插入损耗为3 dB，两输出端口相位差在180以内。文献[10] 基于对称双脊波导和微带探针的高隔离度的方法设计了一款工作在6～18 GHz的T型结，其插入损耗为0.4 dB，回波损耗优于-15 dB。

本文中的设计最主要的优势是不仅可以改善插入损耗和回波损耗，还可以通过改变BST的电压来灵活调整波导端口的相移量，具有可调相移的特性。

3 结束语

在本文中，设计并测试了一种新的基于BST的超材料E面T型结。其中，基于BST的超材料替代了波导中的SRR结构。通过改变BST的电压，可以将T型结的相位值调整为所需值。此外，与波导中的SRR相比，该T型结的插入损耗和回波损耗也得到了改善。仿真和测量结果验证了该波导T型结具有相位控制特性，这使其在雷达和毫米波系统中具有很好的优势。