中频及微波数字移相器.ppt

中频、微波数字移相器,主要内容,引言 移相器基本原理 中频宽带五位数字移相器研究 Ku波段六位数字移相器研究 结论,引言,移相器发展动态 国外 国外开展MMIC研究较早，设备先进，工艺成熟，MMIC工艺线可以实现代加工（Foundry）生产 ，大部分移相器已实现单片化 K波段五位小型MMIC移相器 ，在19GHz时测得的移相器的插入损耗为50.6dB，均方根相位误差为3度。,引言,移相器发展动态 国内 与国外相比，国内对MMIC的研究起步较晚，工艺还不成熟，但也进行了各类MMIC的研制，包括MMIC移相器，并取得了一定的成果 国内对移相器的研究仍集中在混合集成方面 十三所研制出了一种60MHz的八位数字移相器，插入损耗最大4.5dB,外形尺寸是135mm118mm36mm .并且与美国Merrimac公司生产的同类产品相当. 随着新材料和新工艺的不断出现和发展，移相器将继续朝着高性能、小型化和低成本方向发展,引言,主要内容： 中频宽带五位数字移相器的设计、制作与测试。 Ku波段5.625度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段45度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段90度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段180度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段六位数字移相器的设计、制作与测试。 数字移相器驱动电路的设计与制作。,中频宽带五位数字移相器的电路设计指标如下：,工作频率：6010MHz 输入信号：-1010dBm 插入损耗：5dB 相位误差：3.5度 输入、输出端电压驻波比小于2 移相范围：360度 幅度不平衡：1dB,工作电压：5V 电流：0.1A 控制电压：TTL电平 外形尺寸：40mmX30mmX20mm 可拆卸式SMA(I/O) 端口阻抗（I/O）:50 并且要通过高低温、振动、冲击等试验,引言,引言,Ku波段六位数字移相器的电路设计指标如下： 工作频率：15GHz 插入损耗：6dB 移相范围：360度，步进5.625度 相位误差：4度 幅度不平衡：1dB 输入、输出电压驻波比：2 接头：RF端口用SMA-K 控制端口用调制插座（9线）,移相器基本原理,移相器的分类（根据电路拓扑）： 加载线型移相器 耦合器型移相器 开关线型移相器 高通低通滤波器型移相器,移相器的类型和主要技术指标,技术指标 工作频率 相移量 相移精度 移相器开关时间 寄生调幅,加载线型移相器,加载线型移相器通常用于小相移位.,移相器基本原理,（a）电路结构示意图,（b）加载电纳,（c）等效传输线,图4（c）是均匀传输线，为了满足输入匹配的要求，应该有,图4（c）的归一化矩阵a为,图4（b）的三个元件级联矩阵是,根据矩阵元素相等的原则，可得,于是可以得到相移量和加载电抗的关系式,耦合器型移相器,耦合器型移相器通常用于实现较大相移.,移相器基本原理,输出,输入,相移网络,耦合器,变换网络,变换网络,通过电抗网络后，相应两种状态的反射系数是,开关线型移相器,基于延迟线电路理论 谐振现象,移相器基本原理,开关线移相器,要注意的几个技术问题： 当开关传输线长度达到某个频率的半波长时，将产生谐振现象，从而增大插入损耗。 要求在两种状态下输入端都要良好匹配 。 开关的两条移相线相互距离要足够远 。,平衡式移相器,高通低通滤波器型移相器,适用于频率低端 适于宽频带应用,移相器基本原理,各种移相器的特点比较 开关线移相器 小移相位(22.5o和45o)的尺寸可以做的很小 ,其每位都需要四个二极管 ,其损耗比加载线型也大的多 加载线移相器 用于小移相位时，其性能指标较好 反射型移相器 二极管用量少,尺寸比较大, 其插入损耗随着移相位的增大而增加。 平衡式移相器 能做到无寄生调幅，而且驻波比也一样,输入/输出信号相互隔离很好 ,缺点是微带-槽线转换多，移相器总损耗较大。,中频宽带五位数字移相器研究,中频宽带五位数字移相器设计方案 型结构的高通/低通滤波器型移相器理论相位误差分析 中频宽带五位数字移相器的电路设计 中频宽带五位数字移相器的实现 中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器设计方案,设计要求（难点） 、相对带宽超过33 、超小的实物外形40mm30mm20mm 高通/低通滤波器型移相器,11.25度、22.5度、45度和90相移位具体电路结构图,中频宽带五位数字移相器设计方案,180度相移位具体电路结构图,三级单位60度相移单元级联获得180度相移位,中频宽带五位数字移相器设计方案, 型结构的高通/低通滤波器型移相器理论相位误差分析,论证了所选用方案的可行性, 在6010MHz频率范围内的理论相位误差,中频宽带五位数字移相器的电路设计,各相移位高通和低通支路中电感和电容的初值计算 中心频率的归一化电纳 中心频率的归一化电抗,180度相移位元件初值,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化 根据理论计算结果选定距离理论值最近的电感量，再对电容进行优化，直到技术指标达到最佳结果，最后，根据实际的电容值组合出距离优化值最近的电容组合.,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,单位电路的仿真模型,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,（a）插入损耗 （b）相移,（c）回波损耗 （d）最终元件值,11.25度相移位的优化结果,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,（a）插入损耗 （b）相移,（c）回波损耗 （d）最终元件值,22.5度相移位的优化结果,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,（a）插入损耗 （b）相移,（c）回波损耗 （d）最终元件值,45度相移位的优化结果,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,（a）插入损耗 （b）相移,（c）回波损耗 （d）最终元件值,90度相移位的优化结果,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,180度相移位的电路模型,中频宽带五位数字移相器的电路设计,实际电路的仿真和优化,（a）插入损耗 （b）相移,（c）回波损耗 （d）最终元件值,180度相移位的优化结果,中频宽带五位数字移相器的电路设计,仿真结果显示,在6010MHz频率范围内，所有状态的指标都优于设计要求，所以认为设计方案可行.,实际电路的仿真和优化,中频宽带五位数字移相器的电路设计,控制电路设计,偏置电路拓扑图,驱动电路原理图,线绕电感,偏压（即驱动器输出）,中频宽带五位数字移相器的实现,1、采用了立体结构 2、外形尺寸是40mmX30mmX20mm，比国内外同类产品的体积减小了30%以上,中频宽带五位数字移相器实物图,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试系统,中频宽带五位数字移相器的测试框图,直流稳压电源、TTL电平,中频宽带五位数字移相器,矢量网络分析仪E8363B,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试结果,0度相移位测试结果,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试结果,11.25度相移位测试结果,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试结果,22.5度相移位测试结果,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试结果,45度相移位测试结果,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试结果,90度相移位测试结果,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,中频宽带五位数字移相器的测试结果,180度相移位测试结果,中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析,在6010MHz频率范围内，32个相位状态的插入损耗都低于2.3dB，幅度不平衡小于0.3dB,相位误差小于3.3度，电压驻波比小于1.7；腔体的外形尺寸是40mm30mm20mm 。所以，设计的中频宽带五位数字移相器的所有性能都优于设计要求.,中频宽带五位数字移相器结果分析,制作的四个样品通过了电子五所的新品检验包括高低温、振动、冲击等试验,Ku波段六位数字移相器研究,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验 Ku波段六位数字移相器的方案设计 Ku波段六位数字移相器的实现 Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析,射频电路采用微带线形式 开关元件采用PIN二极管 采用71的主线特性阻抗,Ku波段六位数字移相器研究,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,主线加载的加载线型移相器原理图和仿真模型,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,5.625度相移位在15GHz处各参数随加载支节长度变化的仿真结果（HFSS）,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,5.625度相移位仿真结果,状态一为二极管反向偏置，状态二为二极管正向偏置(以下相同),Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,1、阻抗变换渐变线阻抗变换器 2、偏置网络,5.625度和45度相移位单元电路实验,进行单元电路实验，首先要解决两个问题：,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,本文采用的偏置网络,本文采用的直流通路,主线加载的加载线型移相器的完整仿真模型,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,5.625度相移位加上阻抗变换器、偏置网络和直流通路后的仿真结果,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,1、引入渐变线阻抗变换器、偏置网络和直流通路后各项指标都变化不大. 2、简化仿真模型可以表征引入渐变线阻抗变换器、偏置网络和直流通路后的完整电路模型.,5.625度和45度相移位单元电路实验,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,5.625度相移位单元电路实物图和测试结果,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,5.625度和45度相移位单元电路实验,45度相移位单元电路实物图和测试结果,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,1、测试结果与仿真结果相比，幅度不平衡度、相位误差和中心频点的相移都相差很小. 2、通过实验证明了，调节加载线的长短可以非常方便的调整相移量的大小. 3、简化仿真模型基本可以反映实际电路的性能,5.625度和45度相移位单元电路实验,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,1、反射型移相器 2、开关线型移相器,90度相移位单元电路实验,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,反射型90度相移位单元电路实验,90度相移位的仿真模型（反射型）,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,反射型90度相移位单元电路实验,90度相移位单元电路实物图和测试结果（反射型）,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,1、相位误差和中心频点的相移相差较小. 2、幅度不平衡度较大. 3、通过实验也证明了，调节二极管末端的微带线长度可以非常方便的调整相移量的大小.,反射型90度相移位单元电路实验,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,加载式的开关线型90度相移位单元电路实验,90度相移位的仿真模型（加载式的开关线型）,L1,L2,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,加载式的开关线型90度相移位单元电路实验,90度相移位在15GHz处各参数随调谐块长度L1变化的仿真结果（HFSS）,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,加载式的开关线型90度相移位单元电路实验,90度相移位单元电路实物图和测试结果（加载式的开关线型）,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,1、仿真模型基本可以反映实际电路的射频性能 . 2、相比反射型移相器，加载式的开关线型移相器不但移相电路尺寸小，而且几乎所有射频性能都有所提高，特别是幅度不平衡和相位误差 . 3、通过实验也证明了，调节调谐块L1和加载支节L2的长度可以非常方便的调整相移量的大小 .,加载式的开关线型90度相移位单元电路实验,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,加载式的开关线型180度相移位单元电路实验,180度相移位单元电路实物图和测试结果（加载式的开关线型）,1、180度相移位与90度相移位的射频性能相当. 2、通过实验也证明了，调节调谐块L1的长度可以非常方便的调整相移量的大小 . 3、相比反射型移相器，加载式的开关线型移相器有更为优越的射频性能.,Ku波段几个基本相移位的单元电路实验,加载式的开关线型180度相移位单元电路实验,Ku波段六位数字移相器的方案设计,射频部分 1、5.625度、11.25度、22.5度和45度相移位均采用主线加载的加载线形式 2、90度和180度相移位均采用加载式的开关线形式,Ku波段六位数字移相器的方案设计,驱动部分,晶体管双态驱动电路原理图,Ku波段六位数字移相器的实现,射频部分,驱动电路部分,Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析,Ku波段六位数字移相器的测试结果,0度相移位测试结果,Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析,Ku波段六位数字移相器的测试结果,5.625度相移位测试结果,Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析,Ku波段六位数字移相器的测试结果,11.