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电子科技大学 硕士学位论文 ka波段五位数字移相器的研究 姓名：宋烨曦 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：唐小宏 20100501 摘要 摘要 微波移相器在雷达、通信、仪器仪表、重离子加速器及导弹姿态控制系统中 有着广泛的应用前景。其中，数字式移相器在相控阵雷达阵中有广发的应用。相 控阵雷达，就是以采用电控移相的天线阵为主要元件的一种雷达。其天线波束的 扫描完全用电子的方式控制，不但波束的扫描速度极高，而且波束的数目、运动 方式都可以随意的控制。随着相控阵雷达系统的工作频段提高到了k a 波段甚至是 w 波段，其相对应的毫米波波段的发射和接收组件引起了人们的广泛关注，毫米 波数字移相器的研究就包括其中。 本文首先介绍了微波控制电路及其特点和分类，分析了各类移相器的特点和 用途，阐述了相控阵雷达的特点和应用，总结了移相器进来的发展趋势。然后对 p i n 二极管做了一个简单的介绍，分别介绍了二极管在正向偏置和反向偏置时的工 作原理，以及p i n 二极管的参数指标，然后给出了p i n 二极管的等效模型。接着 对数字式移相器的相移原理进行了一个简要说明，介绍了数字式移相器的重要技 术指标、分类。最后根据已有的理论知识仿真设计了一个k a 波段的5 位数字移相 器，并进行了测试。 关键词：1 c a 波段，数字移相器，相控阵雷达，p i n 二极管，a d s ，h f s s a b s t r a c t a bs t r a c t m i 凹o w a v ep h a s es h i f t e ri np h a s e d a r r a yr a d a r , c o m m u n i c a t i o n s ，i n s t r u m e n t a t i o n ， h e a v yi o na c c e l e r a t o ra n dt h em i s s i l ea t t i t u d ec o n t r o ls y s t a nh a sab r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s a m o n gt h e m ，d i g i t a lp h a s es h i f t e r si np h a s e da r r a yr a d a r sh a v ew i d e - r a n g i n g a r r a yo fh a i ra p p l i c a t i o n s p h a s e da r r a yr a d a r , i st o u s ep h a s e s h i r i n ge l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e da n t e n n aa r r a ya st h em a i nc o m p o n e n t so far a d a r i t sa n t e n n ab e a ms c a n n i n g e n t i r e l ye l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e db e a ms c a n n i n gs p e e di sn o to n l yh i g h ，b u tt h en u m b e r o fb e a m s ，m o v e m e n tp a t t e r nc a nb ea r b i t r a r i l yc o n t r o l l e d w i t ht h ep h a s e da r m yr a d a r s y s t e mo p e r a t i n gf r e q u e n c yt ot h ek a - b a n da n de v e nw - b a n d , w h i c hc o r r e s p o n d st ot h e t r a n s m i t t i n g a n dr e c e i v i n gm i l l i m e t e r - w a v eb a n dc o m p o n e n t sa r o u s e de x t e n s i v e a t t e n t i o n ，m i l l i m e t e rw a v ed i g i t a lp h a s es h i f t e ro ft h es t u d yo ni n c l u d i n gt h er e s e a r c ho f p h a s e d a r r a yr a d a r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i t sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa n d c l a s s i f i c a t i o n ，a n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u st y p e so fp h a s es h i f t e r , a n dt h e u s eo fp h a s e da r r a yr a d a r , d e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n s ，a n d s u m m a r i z e st h ep h a s es h i f t e rc o m i n gt r e n d s p i nd i o d ea n dt h e nm a d eab r i e f i n t r o d u c t i o n ，t h i sp a p e re x p l a i n st h ed i o d ef o r w a r db i a sa n dr e v e r s eb i a sa tt h et i m eo f w o r k i n gp r i n c i p l e ，a sw e l la st h ep a r a m e t e r so fp i nd i o d ei n d i c a t o r , a n dt h e ng i v e st h e e q u i v a l e n tm o d e lo fp i nd i o d e t h e no nt h ed i g i t a lp h a s es h i r e rp h a s e - s h i f t i n g p r i n c i p l et h i sp a p e rc a r r i e do u tab r i e fd e s c r i p t i o no ft h ed i g i t a lp h a s es h i f t e ra n d i n t r o d u c e st h ei m p o r t a n tt e c h n i c a li n d i c a t o r sa n dc l a s s i f i c a t i o n f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e e x i s t i n gt h e o r e t i c a lk n o w l e d g e ，s i m u l a t i o na n dd e s i g nak a - b a n d5 - b i td i g i t a lp h a s e s h i f t e r , a n dc o n d u c tt h et e s t k e y w o r d s ：k a - b a n dd i g i t a lp h a s es h i f t e r , p h a s e d - a r r a yr a d a r ，p i nd i o d e ，a d s ，h f s s n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：聱一一 日期：2 口矿年月尹日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：帮交 导师签名： 日期：z f 口年月于e l 第一牵引言 第一童引言 1 1 微波移相器的基本概念及应用 在微波技术领域，需要对信号参量进行控制的场合很多，例如控制电路的通 断、衰减量的大小、相移量的多少等等。控制时要求迅速而准确，这是机械方法 所难以做到的。最初的典型微波控制电路是天线收发开关。随着多波束雷达、相 控阵雷达、微波测量技术以及微波中继、卫星技术等方面的发展，出现了一大批 电控的微波控制电路【l j 。 微波控制电路是指那些用来控制微波信号的传输路径、大小和相位的电路， 近4 0 余年来，微波控制电路的应用日益广泛，越来越多的受到了人们的重视，至 今已出现的各种类型的微波控制电路，如微波开关。限幅器、电控移相器、电调 衰减器、电调滤波器以及微波调制器等，它们在微波技术的许多领域中起到了非 常重要的作用。 根据所控制的信号参量的不同，微波控制电路可分为三个种类【2 1 ： ( 1 ) 微波开关、脉冲调制器等，用于控制微波信号传输路径的通断或转换； ( 2 ) 电控衰减器、限幅器、幅度调制器等，用于控制微波信号的大小的 ( 3 ) 移相器、调相器等，用于控制微波信号的相位。 微波控制器件，是微波控制电路的核心，如p i n 二极管、砷化镓场效应三极 管、变容管及肖特基势垒管等微波固体器件，它们由于结构上的特点，宜于和微 带电路相结合，故常用于混合微波集成电路( h m i c ) q b 。除此之外，微波铁氧体也 是一种微波控制器件，它有着对应的适用范围。 微波移相器在雷达、通信、仪器仪表、重离子加速器及导弹姿态控制系统中 有着广泛的应用前景。其中，数字式移相器在相控阵雷达阵中有广发的应用。在 相控阵雷达中相位的改变可以在中频用抽头延时线( 中频) 移相来实现，也可以 在高频用移相器或者扫描的方法( 高频相移) 来实现，前者的各个通道中需加一 只混频器和相应的本振信号。高频移相器由模拟式、数字控制式和模拟一数字控 制式之分，一般情况下，多数数字控制式移相器，因为它与数字电路接口最为方 便。模拟一数字控制式移相器近年来也获得了较为广泛的运用，因为它的相移精 度高，且可用数字信号进行控制。多用于系统相位自动控制的场合和相移精度要 1 电子科技大学硕士学位论文 求比较高的场合。数字控制式移相器的品种很多，以材料分有铁氧体移相器、铁 电陶瓷移相器、半导体二极管移相器和分子极化控制移相器等等：以功率电平分， 有高功率移相器、低功率移相器等；以传输线的形式分，有波导移相器、同轴线 移相器、带状线移相器、微带线移相器、集中参数移相器和分布参数移相器等等。 铁氧体移相器技术的研究和发展已有4 0 余年的历史了【3 1 ，而且目前这个技术 已经比较成熟了，用这种技术生产出的产品很多，应用也很广。相控阵中最常用 的铁氧体移相器有：环形移相器、双模移相器和旋转场移相器。铁电陶瓷移相器 由于其性能无显著优点，在2 0 多年前，虽然有过有段时间的报道，但是就目前来 看，这种类型的移相器应用不是很广。不过今年来，又有用作透镜式相控阵天线 的报道。半导体二极管移相器，从电路上来讲，有开关线式移相器，加载线式移 相器，变阻抗移相器，高低通式移相器等。从移相器的相移一频率特性上来讲，移 相器基本上有两种：一种是在工作频带内相移量不变的所谓宽频带移相器；另一种 是在工作频带带宽内，相移一频率特性呈线性的所谓信号宽带移相器。 分子极化控制移相器早就有报道，但是因为悬液不稳定，未能获得较为广泛 的应用，但目前研究有了进一步的进展，已经做出了3 5 g h z 和9 5 g h z 的移相器， 这种移相器具有宽带、低损耗、高功率、响应时间短和控制能量小的特性，在毫 米波的高频波段很有吸引力【4 1 。 而所谓的相控阵雷达，就是以采用电控移相的天线阵为主要元件的一种雷达。 其天线波束的扫描完全用电子的方式控制，不但波束的扫描速度极高，而且波束 的数目、运动方式都可以随意的控制。远程相控阵雷达可以用集中的大功率发射 机来激励每一个天线单元，也可以用数以千百计的中等功率发射机分别激励每个 单元或每个小面阵( 又称为子阵) ，使得发射的功率在空间相加，从而获得特大 的功率。接收机的前置放大器可以接到每个小面阵甚至每个小的接收单元，使得 雷达的灵敏度可以得到显著的提高。相控阵雷达对复杂多变的目标环境具有充分 的适应能力，其数据处理及整个雷达的工作均由电子计算机来控制，属于一种新 体制雷达。一维机扫、一维相扫相结合的机一相扫雷达，也是属于相控阵雷达中 的一种。 相控阵雷达的技术特点是相控阵雷达可以获得广泛应用的重要原因。充分发 挥相控阵雷达的这些特点及其应用潜力是提高相控阵雷达性能的关键所在。相控 阵雷达系统设计的关键之一就是如何充分利用这些技术特点解决雷达面临的新要 求。所前述来看，不难看出以下一些相控阵雷达特点【5 】 2 第一章引言 ( 1 ) 天线波束快速扫描能力。这也是相控阵天线的主要特点。克服机械扫描( 简 称机扫) 天线波速指向转换的惯性及由此带来的对雷达性能的限制，是最初研制 相控阵雷达的主要原因之一。 ( 2 ) 天线波束形状的捷变能力。这个能力是指相控阵天线波束形状的快速变化 能力。天线波束的捷变能力使相控阵雷达可快速实现波束赋形，具有快速自适应 空间滤波的能力。 ( 3 ) 空间功率合成能力。相控阵天线的另一个重要的技术特点就是相控阵雷达 的空间功率合成能力，它提供了获得远程雷达及探测低可探测目标要求的大功率 雷达发射信号的可能性。采用阵列天线之后，可在每一个单元通道或者每一个子 天线阵上设置一个发射信号功率放大器，依靠移相器的相位变化，是发射天线波 束定向发射，即将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一方向发射。 这一特点，为相控阵雷达的系统设计特别是发射系统设计带来了极大的方便，也 增加了雷达工作的灵活性。 ( 4 ) 天线与雷达平台共形能力。阵列天线将整个天线分为许多个天线单元，使 其与雷达平台表面共形，用以减少或者消除雷达天线对雷达平台空气动力学性能 的影响，或为了获得其他的好处，这也是相控阵天线的一个重要技术特点。实现 这一特点的前提是要在阵列天线的各个单元通道中引入幅度、相位调节器( v a p ) ， 必要时还要引入实时延时线，并适当增加天线波束控制系统的复杂性，而这对采 用包含t r 组件的有源相控阵天线来说，是完全可以实现的。 ( 5 ) 多波束形成能力。采用相控阵天线之后，依靠相应转换波速控制信号可以 很方便地在一个复杂周期内形成多个指向不同的发射波束和接受波束。相控阵天 线的这一特点，为相控阵雷达性能带来了不少新的潜力。例如：可以提高雷达波 束覆盖范围及雷达搜索与跟踪数据率；便于实现雷达发射与接收站分置；易于实 现双多基地雷达和雷达组网等等。 ( 6 ) 相控阵雷达的分布布置能力。将相控阵雷达的概念加以引申，一部相控阵 雷达由多部分分散布置的子相控阵雷达构成，在各子相控阵雷达天线之间采用相 应的时间、相位和幅度补偿，依靠先进信号处理方法，从而改善或者获得一些新 的雷达性能。分布式相控阵雷达系统式今后相控阵雷达发展中的一个重要方向。 相控阵雷达的主要缺点是造价昂贵，典型的相控阵雷达比一般雷达的造价高 出若干倍，其中t r 组件占主要部分，而移相器又是t r 组件中最关键的部件之 一，其成本、性能直接影响着相控阵雷达系统的造价和性能。在相控阵系统中， 微波t r 组件占系统总造价的7 0 8 0 ，移相器又是t r 组件中的关键电路，其 3 电子科技大学硕士学位论文 造价在微波t r 组件中占有很大的比例，因此吸引了许多人的关注。随着相控阵 系统的工作频段提高到毫米波波段，相对应的毫米波波段的t r 组件被广泛关注， 这其中包括毫米波数字移相器的研究。 1 - 2 移相器的发展动态 2 0 世纪5 0 年代电可调移相器开始出现，在此之前，所有的移相器( 固定和可 变的) 都是机械式的。1 9 5 7 年用于相控阵扫描的铁氧体移相器开始出现，从此打开 了铁氧体移相器技术的新时代。2 0 世纪6 0 年代中期，用p i n 二极管作为开关元件 的移相器开始出现，接下来的2 0 年当中，在铁氧体和p i n 二极管移相器方面出现 了大量的研究成果和实践活动。同时，特别是从2 0 世纪8 0 年代，出现了几种其 它类型的移相器，其中最重要的是f e t 有源移相器和静磁波( m s m 时延移相器l l j 。 随着微波单片集成电路( m m i c ) 技术的发展，m m i c 移相器已成为现代移相器研究 的主流。另外，m e m s ( 微电子机械系统) 移相器也发展较快【6 j 。 1 9 8 7 年，r i c h a r dj l a n g 和b r i a nj e d w a r d 发表了k a 波段的硅p i n 二极管 4 位移相器。2 2 5 度和4 5 度位采用加载线型电路结构，1 8 0 度9 0 度位采用反射型 电路结构，其中，1 8 0 度位是两个9 0 度位级联而成。1 6 位移相状态的平均插入损 耗是4 5 2 d b ，输入输出端的回波损耗小于2 0 d b 。2 2 5 度和4 5 度级联的移相误差 o 0 8 d b ( 3 5 g h z ) ，9 0 度位的移相误差是0 2 5 d b ( 3 5 g h z ) ，为了优化9 0 度位的 插入损耗而引入的调谐支节，移项器能承受的功率是2 9 5 瓦【7 j 。 19 9 4 年，d t e e t e r 和r w o h l e r t 等人利用h b t ( h e t e r oj u n c t i o nb i p o l a r t r a n s i s t o r ，异质结二极管) 工艺设计k a 波段的3 位p i n 二极管移相器，其中单 刀单掷开关在3 5 h g h z 时的插入损耗为0 7 d b ，隔离度为2 1 d b 。1 8 0 度，9 0 度， 4 5 度移相位都采用了高低通型移相器。直到3 6 g h z ，移项误差都小于1 0 度，插 入损耗误差l d b 引。 2 0 0 2 年，m a r yt e s h i b a 和r o b e r tv a nl e e u w e n 等人使用了i b m 的s i g e 双 极技术( i b m ss i g eb i p o l a rt e c h n o l o g y ) 设计了6 位p i n 二极管移相器，工作频 段从7 g h z 到11 g h z 。1 8 0 度，9 0 度，4 5 度，2 2 5 度移相位采用了兀型或者t 型 高低通滤波电路结构，1 1 2 5 度和5 6 2 5 度移相位则采用了由电感和电容组成的简 化电路拓扑结构。频带内的回波损耗小于1 0 d b 插入损耗在1 0 1 3 d b 之间，移相 误差1 7 度，单片所占面积大小为3 8 0 0 9 m 3 8 0 0 1 a m 。 4 第一章引言 为满足相控阵天线对移相器的时延要求，2 0 0 5 年，b o j i d a r r a d o s v e t a m a u d o v 和a l e k s a n d a rk o s t o v 采用p i n 管研制成三位x 波段的实时延移相器。 即相移量随频率变化。在11 5 g h z 一1 3 g h z 频率范围内，插损为5 5 d b 1 7 5 d b j 。 国外开展m m i c 研究较早，设备先进，工艺成熟，m m i c 工艺线可以实现代 加工生产：开展了许多单片移相器相关研究工作，并有报道已经实现了t r 组件的 全单片化，使用m m i c 工艺实现的移相器和t r 组件的相控阵雷达已经应用于军 事装备【l u j 。 a y a s l i 1 1 】等人报道了x 波段四位单片移相器，9 0 度和1 8 0 度移相位采用开关 线型移相器，4 5 度和2 2 5 度采用加载线型移相电路。每一个开关线移相位只用三 个f e t 开关，并应用微带电感谐振f e t 截至时源漏间的电容以提高s p s t 开关的 性能；开关路径选择不同的特性阻抗，以减小两种移相状态间的插入损耗波动；加载 线移相位的加载支节由一个合理设计的三段阻抗变换网络和一个1 2 0 0 pm 栅宽、 l i m a 栅长的f e t 开关组成；通过低通滤波网络提供栅极控制偏置；四个移相位电路 级联组合。芯片大小为6 4 m i n x 7 9 m m x 0 1 m m ，在9 5 g h z 的中心频率上的插入损 耗为5 1 0 6 d b ，在2 5 g h z 的带宽上的回波损耗好于1 0 d b 。 随着g a a s 器件技术的发展，h e m t 等性能优良新器件的工艺技术不断成熟， 采用这些器件的电路性能得到了极大的提高。c a m p b e l l 等人报道采用 0 2 5 1 a m p h e m t 工艺技术实现了用于卫星通信系统的k 波段五位小型m m i c 移相 器。在电路设计中采用电磁仿真( e m ) 技术，降低芯片使用面积，芯片尺寸仅为 1 6 9 3 m m * 0 7 5 m m 。在1 9 g h z 时测得的移相器的插入损耗为5 0 6 d b ，均方根相 位误差为3 度【l 引。 至今所知道，用f e t 管做控制器件的工作频段最高的移相器是k z u e f l e ， f s t e i n h a g e n ，w h h a y d l 和a h i i l s m a n n l ，在1 9 9 9 年发表的用p m h e m t 管 ( o 1 5 1 a m 栅长) 作控制器件的w 波段的4 位移相器，工作频率从9 2 g h z 到 9 6 g h z ，中心频率是9 4 g h z ，单片所占的面积大小是1 2 5 m m 。1 8 0 度9 0 度移 相位采用反射型电路结构( 3 d b 分支线耦合器) ，4 5 度2 2 5 度移相位采用加载线 型电路结构。性能测试表明，在整个频段内，回波损耗小于1 1 6 d b ，平均插入损 耗是1 2 4 d b ，插入损耗误差是o 8 d b ，测试的相移分别为：2 2 6 度，4 5 5 度，9 2 7 度，1 8 3 9 度【l 引。 h o n g t e u kk i m 等人报道了一种毫米波宽带反射型c p wm m i c 模拟移相 器，采用空气隙叠层共面波导耦合器获得宽带3 d b 耦合。当变容二极管栅电压从 o 5 到一2 5 变化时，在整个2 7 到4 7 g h z 频段上，相对相移从2 0 度到1 3 5 度变 5 电子科技大学硕士学位论文 化，插入损耗是6 9 4 4 41 6 d b ，回波损耗大于1 0 d b ，最大均方根相位误差是5 5 度 【1 4 】 o p i l l a n s 等人【1 0 】报道了采用m e m s 容性开关设计的k a 波段开关线型四位和三 位数字移相器。在3 4 g h z 处，四位数字移相器的平均插入损耗小于2 2 5 d b ，回波 损耗优于1 5 d b ；三位数字移相器的平均插入损耗小于1 7 d b ，回波损耗优于1 3 d b 。 并且两种移相器的相位误差都小于1 3 剧1 5 j 。 国外关于混合集成电路方面的报道比较少，k o m i s a r c z u k 报道了【l l 】一种工作在 l - b a n d 的四位数字移相器，2 2 5 度、4 5 度和9 0 度相移位均采用加载线型移相电路， 1 8 0 度位采用反射型移相电路。该移相器在l - b a n d 内1 0 的带宽内获得了不大于 3 度的相位误差，平均损耗大约1 5 d b ，最大幅度不平衡度是0 3 d b 。 与国外相比，国内对m m i c 的研究起步较晚，工艺还不成熟，但也进行了各 类m m i c 的研制，包括m m i c 移相器，并取得了一定的成果。2 0 0 3 年电子工业部 第十三研究所研制出了x 波段五位数字单片移相器【1 2 】，1 1 2 5 度、2 2 5 度和4 5 度 移相电路为加载线型，其中1 1 2 5 度位采用了单加载线形式；9 0 度和1 8 0 度移相电 路为反射型移相电路，使用兰格耦合器实现输入和输出信号的隔离。该移相器在 9 1 0 g h z 范围内，五个主要相移状态的插入损耗是7 3 1 d b ，输入输出回波损耗优 于1 3 d b ，最大r m s 相位误差小于5 度。 混合集成电路方面，电子工业部第十三研究所的陈海荣【l3 】研制出了一个 6 0 m h z 的八位数字移相器，插入损耗最大4 5 d b ，外形尺寸是1 3 5x l1 8 x 3 6 m m 3 。 文中并且列举出了美国m e r r i m a e 公司生产的同类产品的指标，插入损耗最大4 d b 外形尺寸是1 3 6x 1 2 1x3 4 m m 3 。 电子科技大学的王琳【9 】研制出了一种s 波段4 位数字移相器，工作频率是3 到 3 3 g h z ，最大相位误差小于5 度，插入损耗小于2 2 d b ，不平衡度是士o 2 5 d b ，输 入输出驻波小于1 4 。 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。 1 3 课题简介 本课题为实验室的探索性课题，要求完成一个勋波段的5 位数字式移相器， 具体指标如下： 6 第一章引言 频率范围：3 5 g h z 3 0 0 删z 插入损耗： ，r ( 1 - e - 1 ) ，则有t & ，表明增 大起始脉冲电流的幅度可以缩短开关的时间。 从正偏转到反偏的开关时间：正偏时i 层存储的载流子电荷为q = 旷t ，当从 正偏突然转到反偏时，i 层中存储的电荷一方面反向放电，一方面还要复合，此时 电流方程为d q d t + d q d x “ = i r ，式中i r 为反向电流，它由偏置电路控制。设i r 为一矩 形脉冲，宽度为t 。考虑到初始条件t = 0 ，q = i ，t 后，电流方程的解为 q ( f ) = i i t e 叫7 + f ( p 驯7 - 1 ) ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中只有在t = 0 到汀。的一段时间内成立，在t = t 。以后，i r = 0 调节放 电脉冲的宽度，使t = t 。时，q ( t 。) - - - o ，则由式( 2 9 ) 至l ji , ：e - r 。“ + l r ( e c 厅- 1 ) = 0 ， 求得i 层电荷完全清除的开关时间为 z = r l n ( 1 + i s l ) ( 2 1 0 ) 可见，当l i d ( e 1 ) 时，t 。q 。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 4 快速p i n 二极管开关的驱动脉冲波形 为了获得快速微波开关，p i n 二极管的驱动脉冲应具有图2 - 4 所示的波形。实 际应用中，由于p i n 二极管不能承受过大的电流脉冲冲击的限制或产生很大的电 流脉冲的困难，上诉方法仅能使l g s 的开关时间缩短到大约0 1 p s 。为了将开关速 度提高到5 n s 到1 0 n s ，必须采用i 层很薄得p i n 二极管，因为p i n 二极管i 层中存 储的载流子数量大大减少，在同等反向电流i r 之下，开关时间将大大缩短。在这 种情况下，开关时间基本上取决于载流子渡越i 层的时间，而与载流子的寿命无关， 此时开关时间正比于i 层厚度的平方，但开关的耐功率大大降低。 2 4 数字式移相器的基本原理 在相控阵雷达中信号相位的改变可以在中频实现，也可以再高频实现。早期 的相控阵雷达较多的使用高频相移。随着技术的发展，有源相控阵雷达中已开始 采用中频移相和数字配相得方案。下面主要介绍高频移相技术。对移相器的主要 要求是：有足够的相移精度、移相数值精确、插入损耗小，端口驻波小、承受功 率高( 用于发射阵) ，移相速度快，所需控制功率小。此外，体积小、重量轻、寿 命长、成本低也很重要。 2 4 1 相移的基本原理 所谓相移，就是一个网络的传输相位发生的变化。举例来说，若一个二端口 网络有两个不同的相位状态，其传输相位分别是由i 和由2 ，则该网络的相移为 由= 由2 一巾1 判断由的符号是正还是负，由规定以哪一种状态作为参考以及正 的相位是如何规定的这两个因素而定。 1 4 第二章p i n 二极管和移相器的基本原理 移相器就是这样一种器件，它的基本功能是借助控制偏压来改变信号的传输 相位，以实现相移。移相器有多种类型，适用于不同的应用环境，为了从原理上 理解各种类型移相器之间的差别，有必要就移相器的基本移相原理进行简单阐述。 从移相原理来讲一般有相位移移相器和时延迟移相器两种。 相位移移相器的定义为在工作频率带宽上具有平坦群时延的频率响应，波前 平面不随插入相位的变化而改变的控制器件。它具有如下两个特性： 1 、对不同的相对相位移，具有平坦的频率响应； 2 、具有固定的群时延。( 输入射频信号脉冲包络的时序不变) 图( 2 - 5 ) 所示为相位移移相器的频率特性。相位移移相器可以应用于多路间 隔不同脉冲的接收一合并机中，将射频信号对位在脉冲的包络内而不改变脉冲边沿 的时序。然而，由于“相位偏斜“ 和“脉冲展宽效应的限制，相位移移相器无 法应用于大孔径相控阵天线的宽带波束形成网络中。 时延迟移相器定义为在工作频率带宽上具有平坦的群时延频率响应，但波前 平面随插入相位的变化而改变的控制器件。它具有如下两个特性： 1 、具有线性的相对相位移频率响应，其梯度随相对相位移的变化而变化； 2 、具有波前平面不同、平坦的群时延频率响应。( 导致输出射频信号脉冲包 络时序的改变) 时延迟移相器的一个特殊例子是延迟线移相器，由下式( 2 1 1 ) 定义： a t = 垒兰墨! 燮 ( ) ( 2 1 1 ) 这里f 为群时延中的相对延时，么是。( ( i ) ) 为角频率是时的相对相位移。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 i r c 氏暂黜 群 延 迟 i a n l ( 左) 插入相位e 中) 相对相位移【右) 群延迓 图2 - 5 相位移移相器的频率特性 图( 2 6 ) 所示为时延迟移相器的频率特性。时延迟移相器在宽带微波信号处 理系统中有着广泛的应用，如相阵天线的波束形成网络中。需要指出的是，由于 电路元件的非理想化，相位移移相器有可能呈现出延迟线移相器的频率特性，反 之亦然。 群 延 迟 l 左) 插入相位【中) 榴对相位移t 右) 群延迟 图2 - 6 时延迟移相器的频率特性 2 4 2 移相器的主要指标 从使用的角度讲，对移相器提出以下要求： 1 6 第二章p i n 二极管和移相器的基本原理 移相精度：通常每位容许相位误差2 度到3 度，这主要取决于p i n 二管的参 量的离散程度，电路制造公差以及各位相移之间的反射等因素。 承受功率：要求既能承受平均功率，不至于发热被烧毁，又能承受脉冲功率 的高电压，不至于被击穿。 损耗：此损耗是因为p i n 二极管及传输电路引起的，应该尽可能的减小这种 损耗。 插入驻波比：由移相器接入电路所引起，如果驻波比过大，则每项移相单元 之间将因来回反射而降低相移精度。通常驻波比应该在1 5 以下。 工作频带：最主要的工作频带内相移量的变化应该尽可能的小，驻波比也应 该在一定范围内。 工作时间：p i n 管数字移相器的运作时间是在微妙量级的。 2 4 3 各种类型的移相器结构及电路分析 移相器是相控阵雷达的核心，移相器性能的好坏直接关系到相控阵雷达的性 能。一般来说，相移相器的性能与它的插入损耗、相位误差有关。主要有六种类 型移相器：开关线型，加载线型，反射型，高低通滤波器型，全通网络型高频宽 带移相器，采用m e m s 技术的移相器。 2 4 3 1 开关型移相器 图2 7 所示为用两只单刀双掷开关( s p d t ) 的开关线式移相器的原理图，使 射频信号可从两条长度不同的传输线通过，从而得到相移差 = 2 7 五a 1 以 式中，l 为两通路的长度差：入g 为波导波长。 1 7 ( 2 - 1 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 o o l 2 图2 - 7 开关线型移相器的原理图 开关线型移相器的主要优点：1 易于实现大小不同的相移位；2 结构简单。其 主要缺点有：1 。相移一频率带宽较窄，需进行频率修正；2 所需p i n 开关二极管 教多，对管子一致性有较高的要求，尤其是频率较高时，一致性要求更高；3 由于 p i n 二极管隔离带的限制，断开通道将对导通通道产生附加影响。当断开通道的电 长度为2 或其整数被时，断开的那条通道将产生谐振，这种谐振将吸收大量的 信号能量，此时，不仅移相器的插入损耗将急剧上升，而且在谐振频率附近将产 生很大的相位误差。为了避免上诉的谐振现象，必须对两个通道的电长度进行合 理的选择。为了实现开关线型移相器的宽带特性，在一条传输路线中，用一段耦 合传输线( 通常厶等于四分之一波导波长) 代替普通传输线，其特性阻抗和相移分 别为 z o = 瓜 ( 2 1 3 ) 舛=耥s(。z。o,。-zoo，tan2。op)=arccos(，r+-tantan。2矿0z(2-14)o t a n 7 一o et。 v，+ t 锄 式中，z 。和z 睢分别为耦合传输线的奇偶模阻抗；r = z 。z 。：e = 2 兀l 。旭。 另外的一条仍然为普通传输线，特性阻抗为z 。，长度为l 。，其相移巾产2 兀l 。垤。 两路的相移差为a 巾= 由：一巾。单根普通传输线的相移随频率线性变化：而耦合传 输线的相频特性是在一条直线上叠加一个按正弦变化的关系。通过正确的选择单 根传输线的长度l 。和耦合传输线的偶奇模阻抗比r ，使得巾z 一的直线与巾t 一的直 线部分平行，并使后者的正弦成分最小，则可以再倍频程带宽内获得相当恒定的 相移差。 1 8 第二章p i n 二极管和移相器的基本原理 图2 7 所示的开关线式移相器，其性能都会受到p i n 开关的影响。隔离度越 高，相位误差越小，幅度起伏越小。当两通道间的隔离度为3 0 d b 时，漏信号所引 起的最大相位误差为1 8 1 度，引起的最大幅度起伏为0 2 7 d b 。当两通道间的隔 离度到达4 0 d b 时，相应的最大相位误差为0 5 7 度，最大幅度起伏为0 0 8 6 d b 。 显然，开关应满足足够的隔离度才能保证开关线式移相器有较好的性能。 2 4 3 2 加载型移相器 最简单的加载式移相器的等效电路如图2 8 所示。其中，主线的特性导纳为 y o ，中间段的特性导纳为y 0 l ，电角度为e ，其两侧通过适当的电路并接p i n 管。 p i n 二极管正向时，其并联电纳为j b ；p i n 二极管反向时，其并联电纳y g - j b 。对应 p i n 二极管的每个状态，两个相同的并联电纳和电角度为0 的传输线断构成一个网 络，此网络具有一个相移量。由于两个状态( 正向和反向) 的并联电纳不同，( 分 别为i b 和- j b ) ，故它们所构成的网络相移量也不同。两个状态的相移量之差，就 是加载线型移相器的相移a 由。为了简化分析，这里假设p i n 二极管正反向都是 一个纯电纳器件。 为了求得相移a 巾和移相器诸参量之间的关系，我们将加载线型移相器的电 路等效为特性导纳为y ，电角度为由的一段传输线。显然，巾即为上诉网络的相 移量，因此只要求出这段传输线的参量就可以了。 为了得到等效关系，可应用矩阵运算，求出两种状态下的a 矩阵。令两个矩 阵相等，就可以求出相应的关系。 其a 矩阵为- 图2 - 8 加载线型移相器的基本结构 1 9 电子科技大学硕士学位论文 c 4 ，= 1 。i k c o ，s s 证o 口，衰二；秒 ( 三；) 而另一状态下的a 矩阵为： 一，七c o s 近矽 因为等效关系，两个a 矩阵相等得到： 由式( 2 1 7 ) 得： c o s 矽= e o s s - i b s 虹口 y = r o 。嚣 矽= a r c c o s ( c o s 弘专咖口) 将此式带入( 2 18 ) ，得到： y = r o l ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 是移相器和其等效传输参量之间的关系式。p i n 二极 管在正偏和反偏两种工作状态下工作时，并联的电纳分别为j b 和j b ，两种情况下 的p 值之差就是加载线型移相器的相移，即： = 一s ( c o s 9 一专s i i l 旷一s ( c o s 舢专刚) 协2 ) 2 0 秒 爱 n 一 s j e争峰 产 妇 酽一珞 曰一 爱 宝 + 。 烤 前p n 名y 缸 略三y 第二章p i n 二极管和移相器的基本原理 为了得到阻抗匹配，希望y y o ，但是由于管子在正偏和反偏两种工作状态下 有不同的并联导纳，因而有不同的y 值，即正向和反向情况下的特性导纳y 值不 等，不能同时令其等于y o 而得到匹配。但有一种特殊情况，即正反向并联导纳分 别为j b 和j b ，且令0 = r d 2 ，由式( 2 2 0 ) 可知，两种状态下y 值相等，即： 如果令y = y o 则有： r o 。r o l y = r o l r o l = r o 瑶一b 2 = y 2 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 对于窄带工作的移相器，j b 可以用一段八分之一波导波长并联传输线接一个 p i n 管谐振式开关构成。谐振式开关构成一个近视理想的开关电路。设入e , 8 传输 线的特性导纳为y 0 2 ，p i n 管反偏时开关导通，正偏时开关断开，则在开关导通时， 其输入电纳为： - b = - y 0 2 c t 9 4 5 0 = 一写2 在开关断开时，输入电纳为： b = r 0 2 t 9 4 5 0 = 由此可见，只要选入e ；8 传输线特性导纳等于b 即可。 如图2 - 9 所示，给出了两个移相器相对带宽与0 的关系。 2 1 ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 相对静墨 ， 图2 - 9 移相器相对带宽与0 的关系 由图可见，对于2 2 5 度移相器，当0 = 9 0 度时，相对带宽为4 5 ，当0 = 7 5 度 时，相对带宽下降到1 2 ；对于4 5 度移相器，当0 = 9 0 度时，相对带宽为2 1 ， 而当0 = 7 5 度时，相对带宽只有8 。显然，0 = 9 0 度时，移相器具有最宽的带宽， 所以实际中，大多数加载线长等于中心频率的四分之一波长。 加载线型移相器通常作为数字移相器的小相位移相器，如2 2 5 度和4 5 度移相 器。这是因为小相移并联电纳j b 随相移量减小而减小，因而其衰减小，峰值功率 容量大，驻波也小，移相器性能指标好。若要用于较大的相位，如9 0 度相移，则 需将两个4 5 度的移相器级联起来。为了缩小体积，常把中间两个并联的传输线合 并为一，称为三分支加载线型移相器。如图2 1 0 所示，对于1 8 0 度移相器，一般 不采用加载线移相器，而是采用3 d b 定向耦合器型移相器皿。 图2 一1 0 三分支加载线型移相器 第二章p i n 二极管和移相器的基本原理 图2 1 1 是一种典型的微带加载线型移相器电路图，其中两条特性阻抗导纳为 y 0 2 的并联传输线分别端接两只特性相同的p i n 二极管，并联传输线的输入电纳为 b 。改变p i n 二极管的偏置电压( 正向偏置或反向偏置) ，可得到两个不同的输 入电纳值。p i n 二极管另一端与长度为a g 4 的低阻抗开路线连接以实现微波接地。 直流偏置经低通滤波器输入。为形成直流通路，在主传输线上并接一个终端打孔 接地的w 4 高阻抗线。 图2 - ii 微带加载线型移相器 2 4 3 3 反射型移相器 1 ) 环流器耦合型反射式移相器 图2 1 2 是环流器耦合型反射式移相器的原理图。它由一只三端环流器和一种 反射电纳元件构成，其相移量由两种状态下反射电纳的性质决定。反射电纳元件 的种类较多，这里仅介绍几种有代表性的电路形式，当把开关二极管换成变容二 极管时，两态移相器就变成模拟移相器 2 6 1 。 输出 图2 - 1 2 环流器型反射式移相器的原理图 电子科技大学硕士学位论文 短路延迟线型反射电纳元件。图2 1 3 ( a ) 是它的电原理图，由一段短路传输 线和开关二级管v d 构成，在两种相移状态下的差相移( 1 ) - - 2 0 ，因此，在电路设 计时，只需将0 取为所需相移量aq 的一半即可。 w 8 阻抗变换型反射电纳元件。图2 1 3 ( b ) 是九8 阻抗变换型反射电纳元件， 它是由z g 8 开路、短路线构成，两种相移状态下的反射电