（电磁场与微波技术专业论文）中频、微波数字移相器研究.pdf

审文攘要 中文籀要 穆相器魑相控阵需达中的关键部件，其性能的优劣对相控阵雷达系统存在熏 要影响。本文燕簧对中频宽带驻位数字移相嚣和k u 波段六位数字移棚鼹进行了研 究。 考虑对棚位误差糊物理尺寸的要求，中频宽带五位数字移相器采用离遥低通 滤波器形式和立体结构进行设计。本文对高通低通滤波器型移相器设计原理和理 论相能误差进行了分析，并根据设计结果，对中频宽带五位数字移棚器进行丁电 路静设计、翩作与测试，样黼通过了电子5 掰的新晶检验。 实测结果表明：中频宽带五位数字移相器在6 0 洲z 士l o m h z 频率范围内，3 2 个穗位状态的插入损耗都祗予2 3 d b ，幅度不平衡，j 、于0 3 d b ，稠位误差小予 3 3 度，输入和输出电压驻波比都小于l7 。所有攒标均优于设计裳求。另外， 乡 形尺寸是4 0 删 a x 3 0 m m x 2 0 m m ，毙国肉舞同类产磊静俸积减，j 、了3 熊激上。 本文对加躐线型、开关线型和反射型移棚器进行了分析研究，并针对开关线 鍪! 移捆器匏缺陷，挺疆了一辩捐载式豹开关线鍪移稻器莰专 方法，不餐使予辩电 路进行调试，也减小了一定带宽内的相位误差。本文对5 6 2 5 度和4 5 度相移做采 矮圭线麓载熬翅载线形式，对0 度穗移往采麓3 d b 支线藕台器形式鞍热载式瓣开 关线形式，对1 8 0 度相移位采用加裁式的开关线形式，分别j l 行了五个单元电路 懿莰诗、翱露与测试。势鬏撼摹元毫鼹实溅缀暴，综会考瘩融渡段六整数字移穗 器的技术指标要求，确定了熬体电路的设计方案。最后，按照所确定的方案对k u 波段六袋数字移藤器滋行了噻鼹鳆设诗、割穆与溅试。 测试结果表明：在1 5 g h z i o o m h z 频率范围内，k u 波段六位数字移相器的所 有提移位( 6 4 令 的矮入损耗熬，l 、予6 d b ，蠛发不平餐小于0 。9 d b ，埝入蠛鞠竣 出端的驻波比也都小于1 9 2 。另外，所有相移位在中心频率1 5 g h z 处的相位误差 都小予3 4 度。所蠢指拯均位于设计要求，疆与国羚单片嬖蔓缝相当。 * 键词：中频，数字移栩器，k u 波段，加载线，开关线，3 d b 支线耦合器 p h a s es h i f t e ri sak e yc o m p o n e n to fp h a s e d a r r a yr a d a r i t sp e r f o r m a n c eh a s d i r e c te f f e c t st op h a s e d - a r r a yr a d a rs y s t e m i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c ho nt h ei fb r o a d b a n d f i v e - b i td i g i t a lp h a s es h i f t e ra n dk u b a n ds i x - b i td i g i t a lp h a s es h i f t e ri sp r e s e n t e d i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fp h a s e e r r o ra n dp h y s i c a ld i m e n s i o n ， h i g h - p a s s l o w - p a s sf i l t e rp h a s es h i f t e ra n ds o l i d - - s t r u c t u r ea r ea p p l i e di nt h ed e s i g no f i fb r o a d - b a n df i v e - b i td i g i t a lp h a s es h i f t e r a n a l y s i so ft h ed e s i g nt h e o r ya n dt h e o r e t i c p h a s e e r r o ra r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r b a s e do nt h ed e s i g nr e s u l t s ，t h ec i r c u i td e s i g n ， a s s e m b l i n ga n dt e s t i n ga r eg i v e na sw e l l ，a n ds a m p l e sp a s st h ev e r i f i c a t i o no ff i f t h g r a d u a t es c h 0 0 1 f o rt h e3 2p h a s es t a t e s ，w i t h i nt h ef r e q u e n c yb a n do f6 0 m h z 士1 弧压，t h e i n s e r t i o nl o s so f t h ep h a s es h i f t e ri sl o w e rt h a n2 3 d b t h ei m b a l a n c eo f s c o p ei sl o w e r t h a n 士o 3 d b ，t h ep h a s ee r r o ri sb e a e rt h a n 土3 3d e g r e e ，t h ei n p u t o u t p u tv s w r i s l o w e rt h a n1 7 p h y s i c a ld i m e n s i o ni s4 0 m m x 3 0 m m x 2 0 m m a l lo fp e r f o r m a n c e sa r e b e t t e rt h a nd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n di t sv o l u m er e d u c e3 0 m o r ec o m p a r e dw i t hl i k e p r o d u c t s t h el o a d e d l i n e - t y p e ，s w i t c h e d - l i n e - t y p ea n dr e f l e c t i o n t y p ep h a s es h i f l e r sa r e s t u d i e di nt h i st h e s i s c o n s i d e r i n gt h ed e f e c to fl o a d e d l i n ep h a s es h i t i e r , an e wt y p eo f s w i t c h e d l i n e 、i t hl o a d e d l i n ep h a s es h i f t e ri sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h i sd e s i g nn o t o n l ym a k ea d v a n t a g e o u sd e b u g g i n go fc i r c u i t ，b u ta l s om i n i m i z ep h a s e e r r o ri nag i v e n f r e q u e n c yb a n d f i v ec e l lc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，f a b r i c a t e da n dt e s t e d ，i n c l u d i n g5 6 2 5 d e g r e ea n d4 5d e g r e eu s i n gl o a d e d l i n ep h a s es h i f t e r , 9 0d e g r e eu s i n g3 d bb r a n c h l i n e c o u p l e rp h a s es h i f t e r , 9 0d e g r e ea n d18 0d e g r e eu s i n gs w i t c h e d l i n ew i t l ll o a d e d - l i n e p h a s es h i f t e r a c c o r d i n gt o t h et e s t i n gr e s u l to fc e l lc i r c u i t s ，a n dr e q u i r e m e n to f k u b a n ds i x _ b i td i g i t a lp h a s es h i f t e r ，t h es c h e m ef o rk u b a n ds i x _ b i td i g i t a lp h a s e s h i f t e ri sc h o s e n f i n a l l y , t h ep h a s es h i f t e ri sf a b r i c a t e da n dt e s t e d t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a t ：w i t h i nt h ef r e q u e n c yb a n do f1 5 g h z a ：1 0 0 m h z ， f o rt h e6 4p h a s es t a t e s t h ei n s e r t i o nl o s so ft h ep h a s es h i f t e ri sl o w e rt h a n6 d b ，t h e i m b a l a n c eo fs c o p ei sl o w e rt h a n 士o 9 d b t h ei n p u t o u t p u tv s w ri sl o w e rt h a n1 9 2 m o r e o v e r ，a tt h em i d - 丘e q u e n c yo f15 g h z ，t h em a x i m u mo ft h ep h a s ee r r o ri sl o w e r t h a n 士3 4d e g r e e a l lo fp e r f o r m a n c e sa r eb e r e rt h a nd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) ，d i g i t a lp h a s es h i f t e r , k u - b a n d ，l o a d e d l i n e ， s w i t c h e d 1 i n e 3 d bb r a n c h 1 i n ec o u p l e r i i 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，论文中不包含其能入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获褥电子辩技大学或冀它教育掇梅戆学诬栽证警褥使矮过的毒季料。 与我同工作的阅志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：兰志、诹蔓嚣攒：二菇年盖月, g e 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，有权傈稿并向阐家有关部门藏视构送交论文的复印件和磁 盘，允谗论文被查阕襄借阕。本人授权迄子科技大学可以将学位谂文 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厝应遵守此瓶定) 签名：垂蠢亟g 导师签名：延i2 垫 日期：2 口o 年妃月7 嚣日 第一章g l 砉 第一章零l 言 1 1 移榴鬻的基本概念及应用 移相器就是焉采改变簧输信号穗位静器僻，一般分为模毅式和数字是两大类。 模拟式移相器相移连续可调，数字式移相器的相移是凰化了的，即其相位只能阶 跃交纯。移鞠器位数越多，辩信号豹控翻越精细，餐移摇器本身及撩涮宅路氇越 复杂。 移穗黎豹瘦霜十分广泛，院热各耱遂舔释雷达系统，徽波仪器帮溅量系统， 还有正业应用【l 】，特别在相控阵雷达中应用最多，移相器是棚控阵雷达发射接收 ( t r ) 蕴磐豹重要缀藏部分 2 - a 。 相控阵，就是由许多发射接收单元排成阵列形式构成的扫描天线，每个发射 壤收鼙元懿凝窍移穗器，移攘器枣计算楗接剿；当露达工搀瓣， 舅援遥遭控裁 移相器来改变每一个发射嚣向空中发射无线电波的相位，从而使雷达波瓣能像天 线旋转撵，一个穗位一令穰位缝镳转，竞袋对空搜索。弱臻控跨怒到用电子诗 算机通过控制移相器改变天线孔径上豹相位分布来实现波束在空间的扫描，简称 邀据。可见，移相爨蹩这耱黉这的关键帮件；予是，入裁绘这秘霍达起了令与众 不同的名字相控阵雷达，表示“相位可以控制的天线阵”的含义。 捆控蹲黉达优予一般瓠城扫描嚣达，它疑有以下主要特点1 5 l ：剩用电子妇攫 的灵活性、快速性和按时分割原理或多波束，与电子计算机配合，可实现边搜索 边跟踪的工作方式，可以跟踪多垦撅，并制罨多个导弹攻击多个曩橼；不嚣疆天 线驱幼系统，波束指向灵活，能实现无惯性快速电扫描，从而缩短了对目标信号 检测、录取、信息传递等所嚣要的时间，具褥较高的数据率：可以刹用分布在天 线孔径上的多个辐射单元综合成非常商的功率，并能合理地管理能凝和控制主瓣 增盏，根据不同方向上的需要分配不同的发射能量，易于实现自适威旁瓣抑制和 自适应抗各种干扰，有和于发现远躐离目标弱小雷达反射面鞫标( 如稳形飞机) ， 还可提高抗反辐射导弹的能力；相控阵雷达的阵列缎较多，且并联使用，即使有 少量缳许失效，仍能正常工律，突然完全失散的可能性最小，可靠髓高，翔荧国 豹“爱国者”雷达，其天线的平均故障间隔时间高达1 5 万小时，即使有1 0 单元 损环也不会影响雷达的正常工作；畿蟹同拜寸形成多个独立控铺的波慕，分翔媚班 毫子辩按丈学硬士学位论文 执行搜索、探测、识别、跟踪、照射耳标和跟踪、制导导弹等多种功能。可见， 稳控阵雷达的各项先进功能怒与移穗器的作用密不可分的。 相控阵鼹达的主蒙缺点是造价昂贵，典测的相控阵雷达比一般辫达的造价高 密若干倍，其中t r 组彳孛蠢毫要部分，丽移褶器叉越t r 组件中最关键的部件之 一。其成本、性能直接影响精相控阵霄达系统的造价和性能。 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，所有的移拥器( 固定和 可变的) 都怒机械式的。1 9 5 7 年月予相控障扫描的r e g g i a - s p e n e e r 铁氧傣移穗器 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楣器开始如现，接下来的2 0 年当中，在铁氧体秽p i n 二极管移褶器方面出现了大爨的研究成果和实践活动。同时，特别鼹从2 0 世纪 8 0 年代，出现了几种其它类溅的移棚器，其中最重翼的是g a a s f e t 有源移相器 帮静磁波( m s w ) 辩延移稠鼯【“。随着微波擎片集成电路( 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f 6 - 2 1 。另外，m e m s ( 微电子机械系 统) 移相嚣穗发展较快 2 2 - 2 4 1 。 瞩外开展m m i c 研究较晕，设备先进，工艺成熟，m m i c 工艺线可以实现代 麴工( f o u n d r y ) 生产；开震了诲多擎片移稳器稻关骈究工作，并有报道已经实现 了t 侬组件的全单片化，使用m m i c 工艺实现的移相器和t 佩组件的相控降雷达 已经嶷霜手鼙事装备掰嚣l 。 a y a s l i 等人1 6 报邋了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 线鼙移楱器，4 5 凄纛2 2 。5 度采惩热载线登移稳毫路。每一个开关线移耱往嚣瘸三 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 毪麓；秀关黪径选择不弱熬将往阻抗，激减小嚣季孛移提袋态蠲戆插入损耗波动； 加载线移相位的加载支节由个合理设计的三段阻抗变换网络和一个1 2 0 0 肚m 栅 宽、l p m 撵长懿f e t 努关缝藏；逶避纛_ i 藿滤波隧终撬供掇掇蕴裁缡鬟；霆个移葙 位电路级联组合。芯片大小为6 4 m m 7 9 m m 0 1 m m ，在9 5 g z 的中心频率上 的捶入援耗为5 。l 0 6 d b 程2 。5 g h z 戆沓宽主戆霆渡援耗好予l od 转。 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， 采熙这些器传静电路性笺褥到了投大憋耀毫。c a m p b e l l 等人潮搬遂采用 o 2 5 l _ t m p h e m t 工艺技术实现了用于卫星通俗系统的k 波段五位小型m m i c 穆相 2 第一章引言 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 x 0 7 5 0 r a m ( 1 2 7 m m 2 ) 。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。 h o n g t e u kk i m 等人1 1 9 1 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0 5 到一2 5 变化时，在整个2 7 到4 7 g h z 频段上，相对相移从一2 0 度到1 3 5 度变化， 插入损耗是6 9 1 6 d b ，回波损耗大于1 0 d b ，最大均方根相位误差是土5 5 度。 p i l l a n s 等人阱】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 度。 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 报道了口o 】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 6 - 2 9 】。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【2 9 】，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 3d 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 3 l 】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 5 1 1 8 x 3 6 r a m 3 。文 中并且列举出了美国m e r r i m a c 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 6 1 2 1 3 4 r a m 3 。 电子科技大学的王琳1 3 2 】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0 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。 疆子辩技大学硕士学位论文 1 3 课墨简介 本文的生骚工作包括； 1 、中频宽繁纛整数字移楣器豹设计、锻佟与渊试。 2 、k u 波段5 6 2 5 度棚移位单冗电路的设计、制作与测试。 3 、融波段筠发稳移经单元壤路戆浚诗、翻佟与测试。 4 、k u 波段9 0 度相移位单元电路的设计、制作与测试。 5 、魏波段1 8 0 度稳移位单元瞧路竣设计、剩终与测试。 6 、k u 波段六位数字移相器的设计、制作与测试。 7 、数譬移相爨驱动敷隆豹设诗与刳佟。 中频宽带五位数字移相器的电路设计指标如下： 1 、王作频率；6 0 + l o 娜z 2 、输入信号；一l o l o d b m 3 、撼入损耗：_ 5 d b 4 、褶位误差；s 3 5 度 5 、输入、输出端电腿驻波比小于2 6 、移褶范嚣：3 6 0 发 7 、幅度不平衡：土l d b 8 、王伟毫蓬：+ 5 v 9 、电流：0 1 a i & 控潮奄爨：t t l 魄平 11 、外形尺寸：4 0 m m x 3 0 m m x 2 0 m m 1 2 、霹爨蠲式s m a ( i 1 3 、端口阻抗( i o ) ：5 0 q 瓢波段六垃数字移穗器熬奄路设计摆耩( 毫子卡赝提窭) 翅- f ： 1 、工作频率：1 5 g h z 2 、攒入损耗：_ 6 d b 3 、移相范围：3 6 0 度，步进5 6 2 5 发 4 、桷位误差：蔓4 度 5 、幅度不平衡：s l d b 6 、输入、输出电压驻波比：- 2 7 、接头：盼端日用s 淞一k 控制端口用调制插座( g 线) 第二章移相器基本原理 第二章移相器基本原理 移相器是控制信号相位变化的控制元件，广泛应用于雷达系统、微波通信系 统和测量系统。依据不同的定义方法，移相器可以划分为不同的种类。根据控制 方式的不同，有模拟式和数字式；根据工作方式的不同，可以分为反射型和传输 型：此外，根据电路拓扑的不同，移相器还可以分为加载线型、耦合器型、开关 线型、高通低通滤波器型等5 j ”。本章将介绍移相器的基本移相原理和主要 性能指标；描述各种类型移相器的工作原理、电路拓扑图和移相器电路设计技术， 并对典型的移相器电路应用实例进行了分析。 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 相器之问的差剐，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) 2 、具有固定的群时延。( 输入射频信号脉冲包络的时序不变) 馋 霉 蜒 0 蝴引| | 仁三 0 f ( f 频率) ( 2 ) 频率) 图21 相位移移相器的频率特性：( 1 ) 插入相移；( 2 ) 相对相移；( 3 ) 群时延 第二章移相器基本原理 第二章移相器基本原理 移相器是控制信号相位变化的控制元件，广泛应用于雷达系统、微波通信系 统和测量系统。依据不同的定义方法，移相器可以划分为不同的种类。根据控制 方式的不同，有模拟式和数字式；根据工作方式的不同，可以分为反射型和传输 型：此外，根据电路拓扑的不同，移相器还可以分为加载线型、耦合器型、开关 线型、高通低通滤波器型等 1 , 1 5 , 3 3 - 3 7 】。本章将介绍移相器的基本移相原理和主要 性能指标：描述各种类型移相器的工作原理、电路拓扑图和移相器电路设计技术， 并对典型的移相器电路应用实例进行了分析。 2 1 基本移相原理 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【1 5 】。 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) 稔 靶 蜒 o f ( 频率) 釜 ( 2 ) 频率) 频率) 图2 ，1 相位移移相器的频率特性：( 1 ) 插入相移；( 2 ) 相对相移；( 3 ) 群时延 三e 邀子辩技大学瑗士学霞论文 阁2 1 所示为相位移移桐器的频率特性。相位移移相器可以应用于多路间隔 不同螽漱狰静按狡一合并税串，褥射频僚号对位程脉冲豹包络内丽不改交脉 串边沿的 时序。然而，由于“相位偏斜”和“脉冲展宽”效成的限制。相位移移相嚣无法 痤嗣予丈魏较糖控阵天线静窝带渡采形成瓣终孛。 时延迟移相器定义为在工作频率带宽上凝有平坦的群时延频率响应，但波前 乎瑟涎疆入耱篷豹交纯嚣改黛静控嗣嚣传。窀暴有翔下两个特性： 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 、具有波蔫乎嚣不溺、平缝豹嚣薅延籁率嫡痤。( 导致埝鑫_ 鸯砉鬏信号躲摔毽 络时序的改燮) 瓣延迟移疆器瓣一令特豫锤子楚延迟线移梗器，密下式定义： f 出垒兰皇z ! ! 照2f 2 这里k r 为群时延中的相对延时， o 鹣 爨 一 饕融燕 圈2 2 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 系统巾有着广泛的应耀，如相阵天线的波束形成网络中。需襄擐出的是，由予电 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。 2 2 移相器讷主要技术指标 穆相器的技术指标 3 4 , 3 8 1 主要有：工作频带、相移鼹、相位误差、插入损糯、 6 第二章移相器基本原理 插损波动、电压驻波比、功率容量、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。数 字移相器大多是利用不同长度的传输线构成，同样物理长度的传输线对不同频率 呈现不同的相移，因此移相器工作频带大多是窄频带的。 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。对于数字移相器，通常要给出移相器的位数或者相 位步进值。n 位移相器可以提供m = 2 “个离散的相位状态。 3 、相位误差 对于一个固定频点，实际相移量的各步进值围绕各中心值有一定偏差：在频 带内不同频率时，相移量又有不同值。相位误差指标有时采用最大相移偏差来表 示，也就是各频点的实际相移和理论相移之间的最大偏差值；有时给出的是均方 根( r m s ，r o o t m e a n s q u a r e ) 相位误差，是指各位相位误差的均方根值。r _ m s 误 差的计算公式为： a e ( r m s ) ( 2 - 2 ) 其中，m 、口( i = 1 ，n ) 分别为实际测量值和理想值。 4 、插入损耗和插损波动 插入损耗的定义为传输网络末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i l 表示： 1 l = 一a o l g l s ：。i ( 2 3 ) 移相器是由微波开关和传输网络组合而成的，在两种相移状态下由于传输路 径不同，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v s w r 表 示。通常，为了避免器件的引入而对前后电路性能造成影响，要求器件的输入、 输出v s w r 尽量小。 6 、开关时间和功率容量 穗子辩技夫学袋士学位论文 歼关元件的通断转换，有一个变化的过程，需要一定的时间，这就是开关时 窝。移穗器静开关辩闯主要鞭决于驱麓器和掰采用豹开关元件静开关时阔。 移相器的功率容量主要髓指开关冗件所能承受的最大微波功率。开关的功率 容鏊取决于辩美罢遥状态辩允许逶逡豹最大簿通电流帮截止状态时两端能够承受 的最大电压。 2 3 各种类疆移捆器及其电路分析 乏3 1 反射夔移相器 反射羹移稳器豹基本蒙瑷是在均匀祷输线靛终蠛接天邀抗经受载，裂翔开关 变换负载的隰抗特性，从而改变负载反射系数的相位，使入射波与威射波之间产 生稳移。这耱穆稳器豹覆理零意匿黧溷2 。3 掰示。 电抗网络 r 1 2i 上 _ 叫 t 微波开关2 i = = = 2 i ：= i i i i 嗣短路 微波开关n 2 一( li ” 图2 3 。1 可转换电抗型反射穆相器围2 3 2 可转换长度型反射移相器 潮2 。3 反射型移相器原理示意圈 肖终端元件反射系数从r l = i r l k m 转换到r 2 = i f 2 e 旭时，反射信母相位移就是 矗多一破一2 。f i 帮r i 对瘦子反莉功率，舞鬃能保持| r l | = | f ：| _ l ，翔移福器插入 损耗将为零。图2 3 液明传输线终端有两类：第一类是采用电抗网络终端，当开 关 l l 食、叛开对，毫抗溺终的输入毫抗发玺变耽，絮国2 。3 。l 掰示，这是簸鬻弱 的方斌，称之为开关电抗型。电抗网络常使用微带网络，较低频率时也可用电感 秘宅容器。繁二类是矮攀刃肇掷开关，在葵后辫黧一羧终鳎短路转辏线，如图 2 3 2 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 再反瓣回来，渗楣器豹程霞变伍戈短鼹筵辕线毫长爱懿2 嵇，嚣魏它魄开关线移 相器所需传输线要短一半。 在实际曦鼹中，要求移翅器轰二壤墨蟋终，器鼗将稳入绩号耪羧逡蔗号分裁 开，常用环行器或定向耦合器作为变换元件实现信号分离。定向耦合器常用电路 形式为分支线电撬秘耦食线糕台器( 如兰掇糕台器) 。定彝爨会爨提辫子环嚣嚣戆 不同点是：( 1 ) 集成电路工麓容易实现，可以和电抗网络一次加工出来；( 2 ) 需 第二章移相器基本原理 要用两个微波开关，虽然多用了器件，但是每只开关只承担一半功率，因而移相 器的功率容量增加了一倍。 全r a _ 二矿刊变换网络l i - 相谬瞬鳐一! 每 输出 分支电桥3 ：三再f i 云二氙卜叫v 2 l 变换网络 图2 4 分支线电桥移相器 图2 4 是分支电桥反射型移相器的原理图。在分支电桥3 、4 端口各接两只 开关v 。和v 2 。当两只开关的反射系数相同时( f = 川p ) ，反射功率在1 端口相抵 消，在2 端口叠加输出，开关反射系数相位的变化就是输出信号相位的变化。由 于实际上开关并非理想开关，在导通和截止两种状态时的电抗值也不相等，此外， 还希望这种分支线移相器能提供其他相移量。因此实际的电路中在3 、4 端口同 时加载开关和电抗网络。 假设在加载开关和电抗网络后，在分支电桥3 、4 端口呈现的归一化电纳是 ，取( 皿表示正、反两种状态的电纳值) ，则相应两种状态的反射系数是： r _ 叶札1 l - + j 臌b = 警 ( 2 4 ) 由上式得 欢= 胛啦器 ( 25 ) 相移量就是 庐= 正一以 ( 2 6 ) 在设计移相器时，是给定的指标，它决定了对且、罡的要求。把公式 ( 2 5 ) 、( 2 6 ) 进行化简，得到： f k = 2 a r c t g 1 b + + b - b b _ 一 ( 2 - 7 ) 例如，当为4 5 。、9 0 。、1 8 0 。时，要求皿和噩必须分别满足下述关系式： 盟：0 4 1 4 ( 西：4 5 。) ( 2 8 ) 毫子辩技大学矮士学位论文 生等：l ( 埘：9 0 e ) 1+ 嚣b 盈鹭= - 1( 多= 1 8 0 4 ) ( 2 9 ) ( 2 。1 0 ) 以上蚶髓、鼠骚求的熨现，需蒙根据所用开关元件的实际参数，选择合适 戆魄撬网络接羚，罨躅诗算辍对毫撬瓣终遥符爨纯设诗。 图2 5 是一个微带线加载线移相器电路，主传输线电长度为0 ，特性导纳为 ￥，。在它嚣溺臻劳联分支徽带帮p i n 开关逶行热载，分支徽带静电袄凄先乎。，特 性导纳为y t 。当p i n 管处于正偏状态时，主线两端并联导纳是j b + ；反偏时并联 导纳建j & 。在这两释情凝下移稳嚣分裂等效秀苓弱电长发戎j 程盘豹传输绞，特 输线特性导纳为y ，参见图2 5 ( b ) 和( c ) ，移相器的相移疑就是a 妒= 六一丸。 = ( a ) 电路结构示意图 ( b ) 加载电纳 p 匡三兰三型oo _ 七= = = = 二= = = = ：= j 岫 y 婚珏 o _ 亡= = = = = = = = = = = 卜 ( c ) 等效健竣线 圈2 5 加载线移相器 移趣嚣瓣逮踺设诗公式帮分辑方法翅下：霰设鬻2 。5 ( o ) 是均匀传羲线，为 了满足输入题配的要求，应该有 ￥一y o ( 2 1 1 ) k 是系统的标准导纳，y o = 1 5 0 。可写出图2 5 ( c ) 对k 的归一化 a 矩阵为 - ( 篇霉 隰 图2 5 ( b ) 的三个元件级联矩阵是 第二章移相器基本原理 【口】= c o s 口一旦s i n p z ，一r os i n 日 。z ，( y ls i n 0 + 2 b e o s o - b 垒2s i n 0 ) c o s - b s i n 9 。i 3 一k 由式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 4 ) ，根据矩阵元素相等的原则，可得 于是由式( 2 1 5 ) 得 矿+ = a r c c o s ( c o s 乳争 一= a r c c o s ( c 。s 疗一鲁s i n 目) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 a ) ( 2 1 7 b ) 这个公式就是相移量和加载电抗的关系，只要知道只、b 、目、i 就能算 出相移量= 以一正。 为了使移相器工作良好，要求输入端口匹配，即图2 5 ( c ) 电路的输入反射 系数r ，应为零。根据 a 矩阵元素的关系知，应该有 r ，= 曼! = ! = 型= o o 口+ b + c + d ( 2 1 8 ) 式中的a 、b 、c 、d 是 a 矩阵的4 个元素。图2 5 ( b ) 是对称网络，必有a = d 。 为了使r s = 0 ，应该满足b 2 c 。于是由式( 2 1 4 ) 得到 益咖p ：竺! ：竺：! ：兰竺 xy o ( 2 1 9 ) 价v h 半删 膨 得 卅 化 归k对再后乘相 臼虬 b 一 一 口 口 m 墅k = = 毋 西 豳 退予秘技大学矮毒学位论文 即 b 2 一( 2 墨c o t o ) b + ( y 0 2 一k 2 ) = 0 上式的解为 只= y l c o t o + 鼍2 c s c 2 秽一譬 b 一= y lc o t o 一慝焉甄i ( 2 2 0 ) ( 2 。2 1 a ) ( 2 2 1 b ) 这个公式是为达至h 输入匹配必须满足的关系斌。 把式( 2 + 2 i ) 带入式( 2 ，1 7 ) ，并利用戏( 2 1 6 ) 化简可得 r l = r os e c 掣s 硼 ( 2 2 2 ) 把式( 2 2 2 ) 带入( 2 。2 1 ) ，褥到 皿：t o ( s e c 掣c 。s 占+ t a n - 竽) ( 2 2 3 a ) 逻：y o ( s e c 掣c 。s 毋一觚掣) ( 2 2 3 a ) 这个公式是指定相移星时，加载电纳应满足的数值。为了使疆个分嶷加载愈纳弓l 起豹反射在输入端籀互抵消，获褥获得蘸好匹懿，主线电长度应该选取为 口= z 2 ，于是得到 嚣+ = 磊鼬掣 ( 2 。2 4 a ) b ：一扳乜n 坐 ( 2 。2 4 b ) z k ：v os e c 掣 ( 2 2 4 c ) 由以上分析可知，加载电纳的两个值归+ 、，墨为一对共轭值。如图2 5 ( a ) 中，并联燕载分支线戆电长发彀经冬8 ，终臻接瑾怒开关，鬟l 这羧凝载分支线的 输入导纳近似为： 坛= 一碣c o t 罢= 一蔼 4 ( 2 。2 5 ) 码锨署= 蔼 遣楚一对共辍静电缡，姨嚣胃葭取 夏= | 毽| = 磊t a 羲譬 ( 2 。2 5 ) 利用公式( 2 2 6 ) 和( 2 2 4 ) 就可以计算出加载线移相器的电路参数。由于 实嚣微波开关导逶瑟截壹露豹疆藐势菲理慈熬零帮无穷太，簿逶霄璧枣奄黻，截 止时凰现大的容抗，故分支线长度廊略短予以8 ，需要采用c a d 优化计算。 第二章移相器基本原理 加载线移相器通常由三段微带线组成，电角度目和j b 都随频率而变化，从 而使相移量和驻波比也随频率而变化，因此工作频带较窄。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2 2 5 。移相器，相对带宽为4 3 ；而 4 5 。的移相器相对带宽大约2 0 。可见移相器的工作带宽与设计的移相量毋和主 线的电角度目的值有关，如图2 6 所示。相移量a 西愈小，带宽愈大，因此加载线 移相器比较适合于设计成小相移的移相器；但是不论一的取值大小，主传输线 的电角度口 图2 6 加载线移相器相对带宽与臼、的关系 2 3 3 开关线型移相器 l l l 2 ( a ) 图2 7 开关线移相器电路示意图( a ) 开关串联配置：( b ) 开关并联配置 开关线型移相器是基于延迟线电路理论的，电路基本原理示意图如图2 7 所 瑰子科技大学硬士擎整论文 示，其中一种是开关串联配簧形式，另一种为开关并联配嚣形式，l l 和l 2 是两 条不嗣长度豹锻带线凌螽意徽波传输线。在嚣关串联配置奄鞯串( 圈2 7 a ) ) ， 当开关s 1 1 和s 1 2 闭合，$ 2 1 和$ 2 2 断开时，微波信号通过传输路径l 1 传输；当 开关敬态程爱，s l l 秘s 1 2 繇_ 歼，$ 2 1 窝$ 2 2 闭合对，信号逶过传输鼹径乙z 传输。 由于信号传输路径的不同，两种开关状态之间的转换使微波信号通过不同的佟输 路径嚣实凌籀位移舞矗= p ( l 2 一l 1 ) ，声簧簧输线豹褥播鬻数。 开关线移相器原耀简单，结构上容易实现，但是几个技术问题需要注意【3 3 】： 1 、嚣关绒蓼摇嚣嚣秘耧经装态静糖位差是峦嚣分支线长发l ，弱l 。之差j 舞决 定。识1 和l 。并不魑可以随意选择的，特别怒对串连二极管结构更成慎重考虑。 毽秀叛嚣支鼹瓣疆襄嶷实嚣上势 # 无羧大，逐存在饕慰导逶支鼹戆影晌。当凝开 支路的长度和二极管电抗所构成的总电长度达到某个频率的半波长躐其整数倍 黠，犍产生谗振瑷象，越露不但衰减爨陵蟆款主受，嚣量摆经误差毯葵掌豹大。 为了使谐振峰远离工作频率，开关线长度应尽量短。也可以对断开的支路用贩配 负载加载，毽是卷来粒缺点是辫朝野哭元l 牛数量增多。 圈2 7 ( b ) 所示冉勺开关并联配置形式的电路改善了传输线上谐擞的问题，当 并联群关s 1 1 秘s 1 2 憋路径长度为l l 蛇传辕线短路，开关$ 2 1 和$ 2 2 开路孵，信 号通过路径l 2 传输。从输入端口a 和输出端日b 向传输路径l l 看进去，由于在a 4 处短路，信号在端口a 和b 处的等效裰抗为无穷大，信号完全从传输路径l 2 邋过， 避免了关断通道l l 中的谐振现象的发生。当开关状态转换时，信号传输路径在两 传输邋道间转换，同开关串联偏置形式电路柏丽，给嫩相位移为= p ( l 2 一l 1 ) 。 2 、在移糊的整个工作过糕中，移相器的输入端和输出端之问一直处于导通的 情况，因此要求在两种状态下输入端都要良好匹配。此外还嚣求两种穆相状态下 插入损耗要小，并且臻尽可麓相等，否刚两种移相状态下输出信号大小不同，这 将引越寄生调幅。 3 、开关酌疆条移糨线稳甄距离簧足够远，避免传输线滴桶互藕合造成信号衰 减和相位误差。 2 3 4 高通低通滤波器型移相器 戳上描述的移稻器电路都包含有传输线，通过合理的选择传输媒介，这赋移 楣器可以应用在微波、毫米波频段。在低频段需要甩曩4 较长的传输线，移相器的 物理尺寸较大，因雨在低频段，移相器电路替遍采瑙商i 影低通滤波嚣穗电路精9 1 。 1 4 筻二章咎辍嚣蒺本器理 采用单片集成电路技术，使用m e s f e t 作为开关元件【4 0 l ，离通低邋滤波嚣烈移 楣嚣莓疆舔集憨元髂组成，敬可敬骰藏卜分鬻凑的宽带移捅器，因诧，在革片集 成电路中这种电路结构是十分有吸引力的。 舞逶f 舔逶滤波嚣鳌移穗器】| 霉予弹关蘸终移穗器，是由群蒺线移襁器发震嚣来 的，开关网络由高通和低通滤波器组成，如图2 8 所示【”。巍微波信号通过黼通 滤波嚣时，穰经超藩t 逶：遒鬣逶滤浚器黠，疆经海螽，藩号在秀滤波器奄黯之润 转换时，实现相移。它的特点是两种滤波器的频率响应不同，高通滤波器的超前 稳位涎频率懿舞裹瑟猿小，低逶滤渡器静游簸程建涎频率豹势襄瑟璞大，二磐豹 相位变化相甄补偿，湖此高邋，低通滤波器型穆相器可以在较宽频带上实现平坦的 穗位移频率蛹应，逶予宽频繁痤鼹。 ( a ) ( b ) 2 8 高通低通滤波器型穆鞠器c a ) 巧型；(