（电磁场与微波技术专业论文）x波段模拟移相器组件的设计与研究.pdf

硕 士论 文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 ab s t r a ct p h as e shifteri s a ke y c o m p onent ofphas ed一 团 比 a y r a 山 ar . i ts perfo ceh asd ir ee te a 月 乞 c t s top ll ased 一 arrayr a 比 盯sy stemhi面s p 即 耽 ， we d e s l gn edan d 兹 ia d e anx-b an d anai o g p b ” e 一 s hi ftmo d ul e for o ne ra d arre c e i v in g s y stem . a cco rd ing tothe targ ets in片 回 arsy引 e 叭 由 e r e 眼 one i n p u t and 幻 刃 0 o u t p utcon t r o isino ur m o dule one o u tp u t 1 s toac hi e v e c 0 n 1 in u o usel e c t r o 苗 c con tr o l 3 6 0 o anal o g p h as e 一 shi氏 朋d the o th erisnot o 川y h 韶the fi l n cti叻。 f pr evio uso ne， b 以c an a c hi eve o/1 6 db o ne bi t di gi 回a “ e n u a t o r b y s w i t c h con tr o l l in g . f r o mth e as p e cto f e n g in e e ring ， th e des i 邵ed 朗司 o g p h as e shifter i s i n c 1u d edo n e power sp l i tt e r ， 妇 刀 。 3 6 0 o a n a 】 o g p 坛 ” e s hi n er s an d 0 / 1 6 d bo n e b i t d i gi 司 a tt e n . at o r . t h e e m p ha s 1 s o f the p ap e r i s the d e s i gno f 3 6 0 o anal o g phas e s hi n e r . w e anal y zeth e n ece s sa z y con d it i ons for l i n e ar-shiftand th e me t h o d o f b al anc i n g inse rt i o n l o s s th eo reti call y ， w hi c h l e adt o a ds tail edso l ut i o n fo r th e a b 0 vep e rforman 优 s o f p h a s e s h l n e r an d th e o re ti c al e v i d e n c e fo r c h o 0 s i n g v ar actor s o f k eyco m pon e nts inth e c 加ul t . the b andw i d t h 助a 】 o g phase 一 shi ft mo d u l e w h i c h made o f 而cro 、 v a v e i n te gr ated c ir c u it t e c h 吐 q ues can g a i n a con tinuous3 6 0 o v a 国 i abl e p l l as e 一 s hi ft ; ma x u n u m p h ” e . m o dulationv 0 1 ta g e o f l 8 v ; l i n 已 叮 d e v i atio n o f c e n t ia 1 加q u e ncy l e s s t h an士 3 ， 3 % ; o nethe max l m 切 mi n s e rt i o n l o s s ( i n c l u d e the power s p l i tt e r ) 1 1 . 3 db. b an d i ns erti o n l o s s fi u ct ua t i on l e s s thanz . z d bbe勺 刀 e e n th e wo rkin g b and 诫d th ; o n e th e r o a x 而um i nse rt i o n l o s s with o uta tt e n u a t i o n ( i ncl u d e the power sp l i tt e r ) 1 2 . z db and i ns erti o n l o s s fl u c to at i o n l e s s t h 明2 4 db be 七 刀 e enth e w o rkin g b an d w i d th叻 d th e m axlinum i ns 已 rt l onl o s s ( in c l u d e th e pow ers p l i tter ) 2 8 ， d b i f th ere i s d i g i talatt e n uati o n . t 七 e sep e rforman c e i n d e x e s are a 】 mo st acc o r d witht h e d e s i gn and the targ ets o f the r adar分stem k e ywo rds : a n o l o g p h as e s hi ft 鱿d i gi ta l a tt e nuato几 、 怡 r a c t or ， p in d i o d e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知， 在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的 部分外，不包含其他人己 经发 表或公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同 工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明 确的说明。 研 究 生 签 名 : 掀雄 一词年7 月! 旧 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本 学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学 位论文的部分或全部内 容。对 于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 抚 脚 、耘 问 年夕 月 1)日 硕 士 论 文x波段模拟移相器组件的设计与研究 绪论 1 . 1课题研究背景 本课题属于微波器件研究领域，课题源于某地面雷达接收系统的需要。 移相 器一 般用于雷达系统、 通讯系统、 微波 仪器和测量系统等方面， 其中 最主要 的是用于 相控阵雷达和智能 天线系统中。 自 从上世纪六 十年代以来， 由 于对人造卫星、 洲际导弹、 航天飞机等各种飞行器和其它目 标进行监视、跟踪等需要的日益增强，以 及为了 在复杂环境中提取更多的信息， 就迫切要求雷达具有多功能、多目标、高数据 率、 高精 度、 抗干扰的 战略相控阵 功能。 随着获 取与 处理空间目 标信息 技术研究的 深 入， 相控阵 雷达越来越受到研究者和用户的重视. 在相控阵雷达系统中， 每个或数个 辐射单元后均接有一个固态 t / r(发射/ 接收) 组件，这些组件相当于雷达的前端小整 机，而且一部相控阵雷达少则需数百只，多则需几千只t /r 组件。据报道， t /r 组件 的造价占相控阵雷达系统总造价的 7 既80% ，它的性能、可靠性、成本以及研制设 计制造能力将直接关系着系统的成败。 而移相器又是相控阵雷达 t /r 组件的重要组成 部分。 因此， 设计制造一种高性能、 低成本、小体积的移相器将大大提高雷达系统的 整体性能。 将射频信号 相位按步 进方式改 变的 称为数字移相 器， 而模拟移相器是 指用电 信号 控制 射频信号相位连 续改变的 微波 器件。 本文研制的 模拟移相器组 件应用 在地面雷达 接收系统中。 一般地说， 电控连 续移相的实 现方法 有两种， 一 种是 微波铁氧体移相器， 另一种 是微 波半导体移相器， 典型的如微波二极管 移相器. 前者由 于重量、 体积大， 材料损 耗大等 原因， 主要应用在较高的峰值功率场合【 1 。由 于变容二极管的电 容随外加反 向偏压 变化的 时间短， 可以 极快的 速度对微波信号 进行处理， 所以 变容管二极管移相 器响应 速度快， 无惯性， 易于电控， 而且体积小、 重量轻， 易于集成。 因此受到普遍 的青睐。 然而由于设 计理论和微波半导体器件( 二极管 等) 工艺的限 制， 变容管移相器 的各项 性能均达不到较为理想的指标。目 前国内 还没有自 行研制的3 6 00 电 控微波移 相器产品出 售。 国外的 一些公司 虽有产品出 售， 但售价十分昂 贵， 其性能也并不理想。 1 . 2模 拟移相 器的发 展状况 20世纪 50 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 57 年用于相控阵扫描的r egg i a 一 s p encer 铁氧体移相器开始出 硕 士论 文x波段模拟移相器组件的设计与研究 现， 从此打开了 铁氧体移相器技 术的 新时代。 20世纪60年代中期， 用p in 二 极管 作 为开关元件的移相器开始出现，接下来的20 年当中，在铁氧体和 p in 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20 世纪 80 年代，出现了几 种其它类型的移相器， 其中最重要的是g aas 一 f et 有源移相器和静磁波( m s w)时延移相 器 2， 。 随 着微波单片集成电路( 枷i c)技术的发展， 撇ic移相器已成为 现代移相器研究 的主流 阁 . 另外， 池m s ( 微电 子机械系统) 移 相器也发展较快. . 国 外开展服ic研究较 早， 设备先进， 工艺成熟， 阴ic工艺线可以实现 代加工圆片( f ound ry) 生产， 开展了 许多单 片移相器相关研究工 作， 并 有报道己 经实现了t /r组件的全单片化， 使用枷ic 工艺实 现的 移相器和t / r 组 件的 相控阵雷达已 经应 用于许多军事装备闹 . 在 模拟移相器方面，国内 如 “ x 波段 3 60“ 模拟移相器的设计【幻 ” 介绍了 用环形 器和两个变容管放在相距 1/4 波长下的移相网络来实现 3 6 00 模拟移相。 在变容管的 选择上 使用了 超突变结变容管管芯。 实 测其电 容变化指数随偏压的 变化也 较大， 故采 用计算 机优化设计。 用微波集成电 路工艺， 在x 波段 上制作了 几个不同 频率的 模拟移 相器，其结果与设计值相符较好。在 9 . 3 9 . 7ghz 范围内，3 6 少 连续可调，相位与 偏压的线性偏离为士5 %，在中心频率上为士 3 %，插损随相位的变化为 3 db。在 11 g hz士 10 0阳2 范围频率上的3 6 00 模拟移相器也 有相近的 上述性能指标. 国 外如 “ l o ， 一 l o s s3 6 0 x 一 b a n d a n a l o gp h a s es h i f t e r 【， ， ”中介 绍的 m i c 移相 器使用了 90。混合祸合器直通端和祸合端与低损耗的电抗网络相接。混合祸合器的 另两端 便形成电 路的 输入和 输出 端。采用 l ange 祸合器来实现9 00 混合祸合器，超 突变结变容二极管电路作为终端阻抗。两个相同的 1 80。移相电路级联在一起实现 3 6 00 范围的移相。 随着新材料和新工艺的不断出现， 移相器将继续朝着高性能、 小型化和低成本的 方向发展。 1 . 3总体考虑及本文的主要研究工作 总体考虑: 某地面雷达接收系统中的 模拟移相器 组件要 求: 在x 波段， 输入信号一路， 输出 信号 两路， 一路信号要经过连续3 6 00 电 调模拟移 相输出， 另一 路信号除 要经过 连续 3 6 00 电 调模拟移相外， 还要经过0 / 16 db 的 一位数字衰减 器输出 。 具体要求的性能指 标如下: 1 、频率范围 1 1 士0 . s g h z 2 、两路相移 3 60.连续电控可调 3 、 插入损耗 1 4 d b ( 另一路加 1 6 d b数字衰减后 3 0 d b ) 硕 士 论 文x波段模拟移相器组件的设计与研究 4 、移相时插入损耗波动 3 d b 5 、各端口回波损耗 1 5 db 根据所提出 的指标和功能要求， 总体考 虑采用图1 . 3 . 1 所示的电 路框图 来实 现设 计要求 。 输 出 输出 图1 . 3 . 1模拟移相器组 件的电 路组合结构 本学位论文主要包括以下几个方面的研究内容: 1 、 一分二功率分配器的理论分析与设计; 2 、 360 。模拟移相器的理论分析与设计， 从理论上描述模拟移相器的基本原理和 实现方 法， 并分析获得线性相移的必要条件 及减小插入损耗波动的方法; 3 、 0/16 db开关型数字衰减器的 理论分析与 设计; 4 、 衰减器开 关驱动电 路的 设计 本学位论文的重点在于 3 60。模拟移相器的研究与设计。 硕 十 论 文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 2 微波移相器及数字衰减器的原理 2 . 1引言 利用控制开关和微波传输线段可以构成移相器电路， 其相移量受控于控制信号。 移相器电 路中 可以 用p in二极管、 变容二极管和跪sfet作为控制器件。当 相移量只 能在预 先规定的 离散值上步进改变时 ， 例如 18 0 。、 9 00 、 4 5 。、 22. 50 、 11. 25。等， 这种移相器称为数字式移相器; 当相移量可以随控制信号连续变化时， 则被称为模拟 式移相器。 本章首先详细介绍了 模拟移 相器的关 键器件变容二极管的 特性，如变容管的结 构、 主要参数、分类和等效电路等。 随后介绍了移相器的一般技术指标和三种常见移 相器的基本原理，如路径选择型移相器、加载线型移相器和藕合器型移相器等。本章 重点 介绍了模拟移相器的基本原理 和实现方式， 并从理论上分 析了获 得线性相移的 必 要条 件和减小插入损耗波动的方法。 开关型数字衰减器也在 本章中 作了 理论分析 和介 绍。 2 . 2变容二极管的特性 变容二极管与普通二极管相似，都是由半导体材料的 pn 结构成，它的外形及伏 安 特 性曲 线与 普 通 二 极 管也 相 似。 不 同 的 是 变 容二 极 管的pn结 势 垒电 容几的 电 容 量 能随其反向偏置电压的变动而发生灵敏地变化. 因此它被广泛地应用于调频压控振荡 器、 倍频 器、 移相器等电 路中 aj 。 2 . 2 . 1变容二极管的结构 变容二极管有台面型和平面型两种结构，图 2 . 1 . 1( a)是 g aas外延扩散型变容 管管芯结 构截面图， 在n+彻底上用外延 方法生长一 层 n型层， 用锌或二 锌化砷杂质 源扩散 形成p 十 区。图2 . 1 . 1( b)采用掺砷n+硅衬底， 外延层为n型， 其上由 硼扩散 形 成 ， 因 ， 。 制 造 pn 结 的 方 法 很 多 ， 用 得 比 较 多 的 是 合 金 、 扩 散 、 外 延 或 离 子 注 入 等方 法，由 于制造方法和工艺条件不同， 制成的 pn结种的杂质 分布也有不同: 合金 法制 成的pn 结是突变结，结两边的 杂质浓 度相差很大， 通常 称为 单边突变结。 扩散 法制 成的刚 结是缓变结，一般认为 附近的杂质浓度分布 近似线 性变化，因而 称为 线 性缓 变结。除了以上两种典型的杂 质分布以外，还有阶跃恢复 等不同 分布特性。 硕 士论 文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 0月 一au 欧姆接触 au一g口 ( a)( b ) 图 2 . 2 . 1 变容二极管的结 构示意图 (a) 台面型 ( b)平面型 2 . 2 . 2变容二极管的主要参数 变 容 二 极 管 的 主 要参 数 有 结 电 容q卜 品 质因 数q ， 截 至 频 率关 ， 反向 击 穿电 压凡， 自 谐 振 频 率几 : 和 fo : . 下 面 分 别 描 述. 1 、 结电 容 q 由 p n结理论可以知道，其势垒区和扩散区电荷都随外加电压而变化，位于 pn 结交界面的势垒区，势垒宽度 w随外加电压而变化。另一方面，pn 结两边的空穴荷 电子还要向各自对方扩散， 并在少子扩散区形成一定的电荷积累， 它所形成的电容为 扩散电容， 因积累电荷的多少也随外加电压而变化， 故扩散电容也是外加电压的函数。 不过，扩散电容随着频率的升高而明显减少，变容管主要是利用 pn 结势垒电容随外 加电 压 变化这一非线性而工作的 101 。 简化情况下， 变容二极管的电容一电压关系呈指 数关系，它与 pn 结的结构和材料、杂质分布等情况有着密切关系.对于任意一种 pn 结，其结电容的表达式可以修正为 : (。)=; :!是 ! ” ( 2 . 1 ) 式 中co 表 示 外 加 反向 直 流 偏 置电 压v 为ov时 的 变 容 二 极管 电 容， 气 为p 一 ” 结 势 垒， 它 是由 变 容 管 半 导 体 材 料决 定 的 常 数 ;y 为 变 容 二 极 管 的 指 数 ， 取 决 于洲杂 质 分布的参数;犷 表示反向 直流偏置电 压的绝对 值。 对 于 式(2.1) ， 当 给出 对 应 于 反向 最 大 电 压猛的 电 容cj 一 这 时co的 数 值 为 co= c. 1 + 丛 ( 2 . 2 ) 玲 因此， 变容二极管的电 容一电 压特性也可以 用下式表达: q( 犷 ) = q . k 一 r ( 2 . 3 ) 硕士论文x波段模拟移相器组件的设计与研究 其中气=v + 嵘 犷十 于 涵 ，当f 由。 变到下 几 . 时，气由 接近 于零的 一个小数变化到 1 。 2 、品 质因 数q 变容管的品质因数定义为 q = 丁 毛 二 才 几 产: ( 2 . 4 式中尺为变容管的串 联电阻。q的 大小表示变容管储存交流能量与消耗能量之 比。q 值越高， 说明管子损耗越小 由 于 结电 容q与 偏 压 有 关 ， 因 此 q 值随 偏 压 而 变 ， 反 向 偏 压 越大 ， q越 小， 则 q 值越高。 此外变容 管的q 值还与 测试频率f 有关， 因此说 变容管的q 值时必 须指明 测 试频率与反向电压数值。 3 、 截 止 频 率关 变容管的q 值随 工作频率的升高 而下降， 通常定义q 值等于 1 时的 频率叫 做变容 管的截止 频率天，由 式(2 . 4)得 关 = 二 - 共 汀 1 乓 ( 25 ) 截 止 频 率 关 取决 于 变 容 管 得 损 耗 电 阻r， 及 结 电 容c，一 般 规 定 在 变 容 管反 向 击 穿 电 压 时 的 截至 频 率叫 做 额定 截 止 频 率 ， 此 时q= cmto 。 此 时 截止 频 率 确定 了 变 容 管 工作频率的上限，一 般工作频率远小于关。 4 、 反 向 击 穿 电 压凡 对 变 容 管凡 有 特定 要 求， 一 般 定 义咋 为反 向 电 流 达 到1产 a 时 的 反 偏电 压值 。 它 限制了二极管的激励电平。 5 、自 谐 振 频 率fo t 和几 2 变容二极管的封装形式和肖 特基势垒二极管类 似， 有同 轴型、 微带型和梁式引 线 二极管。其等效电 路如图 2 . 2 . 2( a)，在实际电 路中， 变容二 极管通常等效为如图 2 2 2 ( b ) 所 示 t，力 。 吼 . 人一 尺几 吞尺乌 j 、 书一书m午一甲样一 图2 . 22变 容二极管的等效电 路 (a) 实际等效电路 ( b)简化等效电路 硕士论文x波段模拟移相器组件的设计与研究 图2. 2. 2 ( a)中 几为 引 线 电 感 ， 吼为 管 壳 电 容， 虚 线 框内 为 管 芯 等 效电 路， 凡 为 串 联电 阻 ， q为 结电 容。 由 l，、 cj、尺 组 成 的串 联电 路 为 变 容 二 极 管的 串 联 谐 振电 路， 其自 谐 振 频 率 为 护 击 ( 2 . 6 ) 图2 . 2 . 2 (b)中 由l.、 c，、凡 和吼组 成的 并 联电 路 为 变 容 管 的 并 联 谐 振电 路 ， 则并联自谐振频率为 忘 = 二 借 烹= 、 爬 “ v 气 瓦 下 可 ( 2 . 7 ) 2 . 2 . 3 变容二极管的 分类 对 于一个普通的p n 结， n 区的杂质浓度可以 描述为 ， ” : 凡 = ax.(2 . 8) 式中，a 为常数，m为杂质分布指数， 并可以 得到厂 1/ ( m+2). 当 m 二 0 ， 这 时凡 二 a 二 恒 值， 可以 得 到 r= v z ， 通常 把 指数 r 为v z 的pn结 称 为突变结。 当 m 二 1 ， 则厂v 3 ， 通 常 把 指 数r 为1/ 3 的pn结 称 为 缓 变 结。 当m 二 2 ， 则r= v 4 ，通常把指数y 小 于1/ 4 的pn结称为超缓变结. 当 m 。 ， 如 m = 一 1 ， 则r = 1 ， 通 常 把 指 数r 大 于1/ 2 的p n 结 称 为 超 突变 结 。 与 突 变结 、 缓 变 结、 超 缓 变 结 不 同， 在 超突 变 结 中， 杂 质 浓 度复 杂 ， 指 数r 与 反 向 偏置 电压 有关阴。 2 . 3移 相器的 技术指标 移 相器的 常用的技术指标叫有:工作频带、电 压驻波比、 插入损耗、 损耗波动、 相移量、 移相线性度、承受功率、 移相器开关时间 等。 1 、 工作频带 移相器工 作频带是指移相器的 技术指标下降 到允 许界限 值时的 频率范围。 模拟移 相器大多是 利用分支线型藕合器和环形器等构成反 射型电 路， 受这类器件的本身工作 带宽限制其相 对带宽都比 较窄， 因此这类移 相器工作频带大多是窄频带的。 在工作频 带内，要求移相量的变化尽可能得小。 硕 士 论 文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 2 、相移量 移 相器是两端口 网络， 相移量是 指不同 控制状态时的输出信号相对于参考状态时 输出 信号的 相对相位差。 对于模拟移相器， 通常 要给出 移相的范围。 3 、线性移相 模拟移相器的一些应用 要求其相位随 偏压的 变化呈 线性关系。 线性 度好是模拟移 相器是重要的目标之一。 4 、插入损耗和插损波动 插入损耗的定义为传输网络未插入前负载吸收功率与传输网 络插入后负载吸收 功率之比 的分贝数，用儿表示 il= 一 0 19 又 。(2 . 9 ) 移相器是由微波开关器件和传输线网络组合而成的， 在两种相移状态下由于传输 状态不同， 以 及非理想开关在“ 导 通” 和“ 截止” 两种状 态时的 插入损 耗不同 等因素， 都会造成两种状态时移相器的 插入损耗不同， 这就 使输出 信号产生寄生幅度调制， 对 整个电路的性能造成不利影响，因此实际应用中要求移相器的插入损耗波动尽量小。 5 、电压驻波比 传输线上相邻的波腹点 和波谷点的电 压振幅之比 为电 压驻 波比，用vswr 表示。 . 通常要求器件的输入、输出 vswr 尽量小，保证电路匹配良好。如果移相器的 v s wr 值过大的， 则每个相移之间 将因来回反射而降低 其移相精度。通常输入、 输出 v s wr 不得超过 1 ; 5 。 6 、开关时间和功率容量 开关元件的通断 转换， 有一个变化的 过程， 需要一定的时间， 这就是开关时间。 移相器的开关时间主要取决 于驱动器和所采用的 开关元 件的开 关时间。 一般来说 移相 器的开关时间由二极管的开关时间决定. 移相器的功率容量主要是指开关元件所能承受的最大微波功率. 开关的功率容量 取决于开关导 通状态时允许通过的最大导通电流和截止状态时两端能够承受的 最大 电压。 2 . 4微波移相器的原理与常见的实现方法 如图2 . 4 . 1 所示回 ， 移相 器在大 类上分 为数字式和模拟式。 根据移相器制作的材 料又可以 分为铁氧体型 和半导 体型。 按电路 形式可分为反 射型和 传输型， 按采用的开 关器件分有p in二极管、 场效应晶体管、 m 阴5 和rf以 05等。 下面分别介绍路径选择 型移相器、 加载线型 移相器 和祸合器型移相器的原理和实 现方法。 硕 士 论 文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 图2 . 4 . 1 微波集成移相器分 类 2 . 4 . 1 路径选 择型移相器 从概念上 讲， 为了获 得不同的 数字相移， 最简单的 方法是: 设置两条可供选择的 传输通路， 并使二者的电长度差恰好满足所需的相移。 这个就是路径选择型移相器的 基本原理。 路 径 选 择 型移 相 器的 基 本 结 构 如 图2 . 4 . 2 所 示。 几 和乓 是 两 条 不 同 长 度的 微 带 线或 任 意 微 波 传 输线 ， 风 和凡 是 两 个 用p in二 极 管 组 成的 单 刀 双 掷 开 关( sp dt ) 。 如 果 用s p dt使 微波 信号 由 路 径乌 转 换 到 路 径乌， 由 于几 和几长 度 不 同 ， 传 输 相 移 不同 ， 因而引起相移作用。 输 出 图2 . 4 . 2路径选择型 移相 器基本结构 当 微 波 信 号由 较 短 路 径 石 转 换 为 较 长 路 径几 时， 电 路附 加 相 位 延 迟 是 。 = 刀 ( 乌 一 乌 ) = 2 ( 人 一 乌 ) / 人( 2 . 1 0 ) 式中 夕 传输线相 位常数 人 传 输 线 中 的 波长 中相移量 硕士论文x波段模拟移相器组件的设计与研究 路径选择型开 关线移相器原理简单， 结构上容易 实现。 但是有几个技术问题需要 注意: 卜 开 关 传 输 线( 几 或乌 ) 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。为了使谐振峰值远离工作频率，开关线长度应该尽量短。也可以对断 开的支路用匹配负载加载，但是带来的缺点是附加开关元件数量增多。 2 、在整个相移过程中，移相器的输入端和输出端之间都一直处于导通状态，因 此要求在两种状态下输入端都要良好匹配。此外还要求两种相移状态下插入损耗很 少，并且 尽可能 相等，否则两种移相 状态下 输出 信号大小不同， 这将引起寄生调幅。 3 、 开 关 的 两 条 移 相 线( 八 和几 ) 相 互 距 离 要 足 够 远， 避免 相 互祸 合 造 成衰 减 和 相 位误差。 路 径选择型移相器多用于窄带数字 移相 器， 但若多 级级联， 级与级之间的连 接以 及管子本身造成的插损难以接受。 2 . 4 . 2加载线型移相器 图2 . 4 . 3 是 一 个 微 带 线 型 加 载 线 性移 相 器. 主 传 输 线电 长 度为 。 ， 特 性 导 纳 为万 。 在它 两 端 用 并 联 分 支 微 带 线 和p in开 关 进 行 加 载， 分 支 微 带 线 电 长 度 为风 ， 特 性导 纳 为儿 。 当p in管 处 于 正 偏 置 状 态 时， 主 线 两 端 并 联 导 纳 是jb+ : 反 偏 置 时 并 联 导 纳 是 j b-。 在这两种情况 下移相器分别等效为不同电长 度。 ， 和。 _ 的传输线， 特性导纳为 y 。 参见图2 . 4 . 3 ( b)和( c)。移 相器的 相移量就是砷 = 。 ， 一 电 卜一一0 一 一 一叫 输入 卜 沪 一一叫 偏压 卜 一 一 夕 户 一 ， 一叫 杏笔一 ( a ) 图2 . 4 . 3 加 载线 移相器 (a ) 微带电路图 ( b)加 载电 纳 ( c)等效传输 线 加载线型移相器由 三段微带线组成，夕 和jb都随频率而变化， 从而使相移量和 驻波比也随频率变化， 因而也只是适合工作频带较窄数字移相器。 这样的电路对于大 硕士论文x波段模拟移相器组件的设计与研究 部 分 应 用 场 合， 其匹 配性 能 随 着 频 率 偏 离儿 而 恶 化 得 非 常 快 ， 即 可 用 带 宽 很 窄。 例 如， 要求 相移误差小于2 。， 输入驻 波比 小于 1 . 2 。 此时计算得的22. 5 。移相器， 相对带 宽为4 3 % ;而 45。 的移相器的相对 带宽大约为 20%。可以 预计，1 80。 移相器带宽 更窄。 2 . 4 . 3藕合器型移相器 在微 波传输线终端接有可变反射系 数的 元件就能够构成移相器， 如图 2 . 4 . 4 ( a) 所 示 。 当 终 端元 件 反 射系 数 从r ， = lr l e， 八 转 换到 r z 二 lr z 卜 洁时 反 射 信号 相 位 移 是 砷二 。 ， 一 。 2 r l :r ; 是 反 射 功 率 和 入 射 功 率 之比 ， 如 果 能 保 持 ir : 卜lr z 卜1 ， 则 相 移 损 耗将为 零。 为了 把输入信号和输出 信号分隔 开有多 种方式， 常 用的 有加一只环形 器 或定向祸合器。 改变 终端元 件电抗的方式 有两 类。 第一类是采用电抗网络， 在电 抗网 络的 输出口 接微波开关，当开关通、断时，网络的输入电抗变化，如图2 . 4 . 4( b)，这是最常用 的 方式。 电 抗网络常用微带网络， 较低频率时也可以用电感和电 容器。 第二类是由 微 波开 关加一 段短路传输 线，如图2 . 4 . 4( c)所示。 它类似于开 关线移相器，当开关断 开时 信号 通过传输线到短路点再反 射回来， 相 移是 传输线电 长度的 两倍， 因 此它比 开 关线移相器所需传输线要短一半。 jx 电抗网络 一丁冲 :了 : (p i n 开关 必 j 七 c少尸 尸 - - 二 - 一一 气 z 图24 4 反射式移相器原理 ( 的电抗转换 ( b)电抗网络 ( c)移相线段 在微 带线移相器中， 分隔输入信号 和输出 信号的网 络多 采用分支电桥或定向 祸合 器， 如图24 . 5 所示。 分支电桥相 对于环形器的不同 特点是:( 1) 在m lc中分支微带 电 桥容易 集成， 可以 和电 抗网 络一次 加工出来;( 2)需要用两个微波开 关，虽然多用 了 器件， 但是每只p in管只承担一半功率，因而 移相器的 功率容量增加了 一倍。 硕 士 论 文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 输入 vj. 户 声 “ 坦 b ( a )( b) 图2 . 4 . 5 用分支电桥的反射型移相器 ( a)原理图 ( b) 微带电路 图2 . 4 . 5( a)是分支电 桥反 射型移 相器的 原理图。 在分支电桥 、 端口 各 接一 只pi n 管代 ， 和称 2 。 当 两 只pi n 管的 反 射 系 数 相 同 时 ( r = rl e ， ) ， 反 射功 率 在 端口 相消， 在端口 叠加输出，p in管反射系数 相位变化就是输出 信号相位的变化。 现 在要 想构成微波移相器， 应该 使p in管在正、 反偏置两种状态的反射系数模值 国相 同 ， 而 相 角中不 同 。 假 设p in管 理 想 短 路 ， 以 r ， 表示 此 时 、 端口 的 反 射系 数， 则 有r 十 = 一 1 ， 。 、 = 18 0 ; 当p 工 n 管 理 想 开 路 ， 以 r _ 表 示 此 时 、 端口 的 反 射 系数，则 有r _ = +l，中 _ = 0 。这样就构 成了01厂 移相器。 实 际上p in管并非理想开关， 在正、 反 偏置时 的电 抗值也不全等， 就不能提供理 想的0/才 移相器。 此外， 还希望这种分支线 移相器能提供其他相移量。 因此实际的电 路在p in管和 、 端口 之间要加电 抗网 络.图2 . 4 . 5 就是一种参考形式。 假 设 通 过 电 抗网 络 后， 在 分支 电 桥 、 端口 呈 现 的 归 一 化电 纳 是jbt ( 风 表 示 正、反两种状态的电纳值) ，则相应两种状态的反射系数是 r * = lr * 产= 上 2 生_ 1 一 对 一 z jb* 1 + jbtl + ( 2 . 1 1 ) 由上式得 2 b. 乳 =口 r 。名二护七 气 一1 ( 2 . 1 2 ) l3)12) 相移量就是 护 = 此一 人( 2 在 设 计 移 相 器时 ， 护 是 给 定的 指 标， 它 决 定 了 对b+、及的 要求 。 把 式( 2. 和式(2 . 琦) 进 行化简， 得到 硕士论文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 尹 二 z a r c tg b+一 b- 1 + b+b- ( 2 . 1 4 ) 例如，当 护 为90。、1 8 0 。时， b+一 b- 1 + b+b- 要求b+和及必须分别满足下述关系式 ( 护 = 9 0 0 ( 2 . 1 5 ) 三 二 主= _ 1 1 + 及b- ( 护 = 1 8 0 。( 2 . 1 6 ) 以 上对从和b-的要求的实现， 需要根据 p in管实际参数， 选择合 适的电抗网络 拓扑， 再用计算机对电 抗网络进 行优化设计。 2 . 53 6 0 模拟移相器的原理与实现形式 2 . 5 . 1模拟移相器的基本原理 3db 祸合器反射式移相器工作原理如图 2 . 5 . 1 所示: 图2 ， 5 . 1辊合器反射式移相器 信号从1 端口 输入，被平分至2 、 3 端口 ， 经变容二极管反 射网 络反射， 然后在 4 端口 输出 ， 利用改变变容管偏压状 态来达到改变网络反射系数， 当 连续改 变偏压时， 变 容管反射系数的相角变 化， 从而获得 连续相 位移动。 图2. 5. 1 的 变 容 二 极 管 可 以 由 可 变 结 电 容c， 串 联电 阻凡 和 引 线 电 感几 等 效. 当 串 联电 阻凡 对 相 移量 没 有 太多 的 影 响， 而 且 忽 略引 线电 感几时 ， 可 以 认 为 再 传 输 线 末 端 只 有 一 只 可 变 电 容 ， 故 能 获 得 极 限 移 相 量1 80 . 若 把串 联 电 阻凡 和 引 线电 感 人 都 考 虑 进 去， 设 终 端 负 载 阻 抗 为几= rs 十 jx ， 则 此时 反 射 系 数 为 r = 兰 玉= 翌 匕 左五 2 : + zo jx + 凡+ 20= l rle， ( 2 . 1 7 ) 硕 士 论 文 、 x波段棋拟移相器组件的设计与研究 式 中 ，x = 戈 一 xc ， 戈 = 呱 ， xc = v ， 20为 末 端 接 变容 管 的 移相 网 络 传 输线的特征阻抗。 令气 = 凡 / 20为 归 一 化电 阻， x = x/zo为 归 一 化电 抗， 则 r = 立 土 二 卫 jx+ 几 + 1 ( 2 . 1 8 ) 如 果 忽 略 变 容 二 极 管串 联 结电 阻 r， ， 则 rl 二 1，反 射 相 位为 : 尹 = tg 一 ， ( 一 x) 一 tg 一 lx = 一tg 一 x(2 . 19 ) 由式(2 . 1 9)， 只要改变x就可以改变终端反射波的相位，从而可以获得一定的 相移量。移相器的最大相移量依赖于可变电抗的最大变化量 丫， 、 一 f 。 ; 一上 一 。 : 一 2 一 ) = 止 一 1一 月 戈说兹 )又山 c 而 n 少 汉猛 山 戈 m少 ( 2 . 2 0 ) 式 中 ， 材= 几. / 吼。 ， 是 变 容 二 极 管的 变 容比 . 由式(2. 2 0)可知， 模拟移相器的最大移相范围与工作频率和变容二极管的最小结 电容成反比，并随变容二极管的变容比的增大而增大。 若考虑变容 二极管的串 联结电 阻尺的影响， 则反射系数 卜 漂 哥 ( 2 . 2 1 ) 一 般 情 况 下 ， 。 ， ， 由 泰 勒 展 开 式 (， + )一 ， + a x + 六 a (a 一 ) + ( 、 。 ) 可 得 ir=睬=庸 ( 2 . 2 2 ) ， zr. ，. 久 石 丁 ， 脚 以 lrl、 + 1 2 典 1 + x一 熟 1 + x 一 1 + x z 一 r 1 + xz + 几 ( 2 . 2 3 ) 汉 1一，召 + 叮.二 同样，由式( 2 . 1 9 ) ， = tg 一 肠)一tg 一 周。 一 ，x(。 1) ( 2 . 2 4 ) 硕士论文 x波段模拟移相器组件的设计与研究 2 . 5 . 2模拟移相器 3 6 00 的实现 方法一: ， 文献【 1 4中利用单只环形器就实现了3 6 00 调相范围.其电路实现方法 是 在 环 行器 的 某 端口 与 两 个 相 距 人 / 4 的 变 容 二 极 管 所 构 成 的 反 射 终端 相 连。 但 是 要 实 现36 。 的 线 性相 移 的 必 要 条 件 是 两 变 容 管 之间 的 心 / 4 传 输 线 的 特性 阻 抗 必 须 是 阻 抗 匹 配网 络人 / 4 的 特性 阻 抗的2 倍。 如 图2 . 5 . 2 所示 ， 不 ，兀 和兀 分 别 为向 右 看 进去的参考平面。 图2 . 5 . 23 6 0移相双变 容管终端 _乙 乙，一 书 r= 一 乙. 二 1 ，乙 乙 于十一 2 ( 2 . 2 5 ) 式 中， 吞是 从兀 面向 右 看 进 去 的 输 入 阻 抗 ， 且 有 ，2 o . 2 乙， = = 介 + zl ( 2 . 2 6 ) 式 中 ，2 。 是不 面向 右 看 进 去 的 输 入阻 抗， 并 且由 微 波 长 线 理 论 可以 得 到 几 一 李 乙l ( 2 . 2 7 ) 式 中 ，几是兀 面向 右 看 进 去 的 输 入 阻 抗 。 把式( 2 . 2 7 ) 代入式( 2 . 2 6 ) 可 得 一2 。 . 2 ， 乙 ，=一= 介 十 几 刁 _ 一. 乙， 及 ( 2 . 2 8 ) + 几 胃. 几 写十 或 写一凡 把式( 2 . 2 8 ) 代入式( 2 . 2 5 ) 可得 硕士论文x波段模拟移相器组件的设计与研究 _ 乙刁 风20 乙 : 一 寸厌几歹 萝 一 万2 乙 2 ， 一 欢+ 2 子 、 勺 ， _ u一 l_.、梦妇 ， 1一 - - -气 二尸一 7 ， 与鸯亿1 乙2 乙z r +f澎 十 2 月 析， -二 一一 二于 一 一 二 穿 十 一，.、. ， 2 写十 石2 _ 、 2( 互 一 1 丫 = _ 兰 二 兰 正 1 = _ 兰 1- 1 t z +乙 12 ;. ，1 、匀. ，1 一牛 1 . 气 几少 ( 2 . 2 9 ) 忽 略变容二极管得串 联电 阻尺， 则 凡 = 风( a 一 b 叮 ) 如 果 变 容 二 极 管 的 实际 电 抗曲 线 与 一 条 tg曲 线 拟 合 ， 即 a 一 b 玲。 tg ( 一 k 气 十 氏 ) 代入(2. 30) ，则 凡二 jzotg ( 一 k k十 风 ) 代入(2. 29) ，即 ( 2 . 3 0 ) ( 2 . 3 1 ) ( 2 . 3 2 ) jtg( 一 k k + 又 ) 一 1 jtg( 一 k 气 + 风 ) + 1 ( 2 ， 3 3 ) reseseseses，l - f 因而可以得到全相移公式为 中 = 4 ( 一 k 气 + 风 )(2 3 4 ) 按 照图2. 5. 2 电 路， 当 外 加 归 一 化 电 压 为气 ， 和气 : 时， 反 射 终 端 的 相 位 分 别 为 中 一4 ( 硫气 ， + 风 )( 2 . 3 5 ) 。 2 = 4 ( 一 k k z + 风 )( 2 . 3 6 ) 因此移相范围为 。 = !。 : 一 。 2 = 4 k ( k z 一 气 1 )( 2 . 3 7 ) 当心= 。 和气 : = 1 时， 中= 4 k( 2 . 3 8 ) 在这种情况 下， 变容二极管的 可变电容 将从最大值到最小值的全范围内 变化. 当 。= 2 汀，由 式( 2 . 3 8)，可得 k = 竺= 二 42 ( 2 . 3 9 ) 从而实现t 3 6 0 0移相。 硕士论文x波段模拟移相器组件的设计与研究 方法二:利用移相器级联的方法实现 3 6 。 。移相。 虽然级联会使插入损耗变大， 但是级联对于增大带宽， 改善插损、 相移随频率的 变化都有极为重要的作用。 ， 对于3 60。 相移的 实现，可以 采用两级或三级级联的形 式实现。 从工程的角度出发，本文的设计使用级联的方法来实现 3 6 00 移相. 2 . 6模拟移相器的性能 指标 常见的 模拟移相器的主要电 性能指标中 有相移电 压