（电路与系统专业论文）xx相位控制及稳定系统研究.pdf

摘要 摘要 稳相系统在精密相位测量中是必不可少的，各种测量系统的发展，对相应的 稳相系统提出了更高的要求。 本工作所研究的内容“x x 相位控制及稳定系统”是课题“x x 接收机测试系统” 的一部分，为了保证多路相位测量的一致性和稳定性，对相位控制及稳定系统提 出了高要求。 本工作的研究内容包括系统中移相器、鉴相器的研制，以及选择合适的元器 件、设计分块电路并搭建系统进行测试，验证系统的稳相性能。 系统中移相器用模拟介质移相器实现。在双平板变态同轴线中，通过引入高 介电常数介质片的扰动实现移相。为了达到高移相精度，通过介质片阶梯阻抗变 换实现1 2 2 5 g i - i z 内的宽带匹配，使移相器的两端口驻波在l 。2 以下。用精密步 进电机控制介质片移动，使最小移相步迸达到3 0 。 系统中鉴相器用a d 8 3 0 2 鉴相芯片实现。在输入端加入衰减器，并选择匹配 的基片和射频接头，确保两路输入通道相移的一致性。 本稳相系统可广泛应用在各种相位测量中，另外，系统中研制的高分辨率、 低反射、低差损宽带移相器，以及高精度的鉴相器，在通信、雷达等领域都有广 泛的应用前景。 关键词：稳相，移相器，鉴相器 a b s t r a c t p h a s e s t a b l es y s t e mi si n d i s p e n s a b l ei np r e c i s ep h a s em e a s u r e m e n t d e v e l o p m e n t o fv a r i o u sm e a s u r e m e n ts y s t e m sp u tf o r w a r dh i g h e rs t a n d a r d s t oc o r r e s p o n d i n g p h a s e s t a b l es y s t e m ， t h er e s e a r c h x xp h a s ec o n t r o l i n ga n ds t a b i l i z i n gs y s t e m i sap a r to f x x r e c e i v e rm e a s u r e m e n ts y s t e m t oe n s t l r et h ec o n s i s t e n c ya n ds t a b i l i t yo fm u f f - p a t h p h a s em e a s u r e m e n t , ar a t h e rh i 曲s t a n d a r di sp u tu p o nt h ep h a s ec o n t r o l l i n ga n d s t a b i l i z i n gs y s t e m 佻w o r ki n v o l v e di nt h er e s e a r c ho fp h a s es h i f t e ra n dp h a s ed e t e c t o ri nt h e s y s t e m , a n dc h o s e dp r o p e rc o m p o n e n t s , d e s i g n e dm o d e l so fc i r c u i t , 丘i l a l l yb u i l t e x p e r i m e n t a ls y s t e mt ot e s ta n dv e i l f yt h ep e r f o r m a n c eo f p h a s e s t a b es y s t e m p h a s es h i f t e ri sr e a l i z e di nt h ef o r mo fa n a l o gd i e l e c t r i cp h a s es h i r e r h i 曲 d i e l e c t r i ci si n n o d u c e di n t ot h et r a n s f o r m a t i v ec o a xl i n e st om a k et h ep h a s es h i f t t o a c h i e v eh i g hp r e c i s i o no fp h a s es h i f t ，w eu s e ds t e pi m p e d e n c ec o n v e r s i o no fd i e l e c 仃i c t om e e tw i d e - b a n di m p e d e n e em a t c h i n g v s w ro fb o t ht w op o r t si se x p e c t e dt ob e b e l o w1 2 p r e c i s es t e ps e r v oi su s e dt oc o n t r o lt h em o v e m e n to ft h ed i e l e c t r i c , t h e m i n i m u mp h a s es h i rs t e pc a nb el e s st h a n3 。 p h a s ed e t e c t o ri sr e a l i z e di na d 8 3 0 2p h a s ed e t e c t i n gc h i p a t t e n u a t o ri nt h ei n p u t c h a n n e la n dw e l l m a t c h e ds u b s t r a t c & a d a p t e rw e r ea d d e dt or e d u c em u l t i - r e f l e c t i o na n d e n h a n c et h ea c c o r d a n c eo f t h et w oc h a n n e l s t h i sp h a s e - s t a b e s y s t e mc a n b e w i d e l y u s e di n a p p l i c a t i o n s o fp h a s e m e a s u r e m e n t s b e s i d e s ，t h eh i g hr e s o l u t i o n , l o wr e f l e c t i o n , l o wl o s s ，w i d eb a n d p h a s es h i f t e r , a n dt h eh i 曲- p r e c i s i o np h a s ed e t e c t o ri n t h es y s t e m ，h a v eab r i g h tp r o s p e c t o f a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：p h a s c - s t a b e ，p h a s es h i f t e r , p h a s ed e t e c t o r 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：! i ! 选日期：o 年s 月加日 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 盘厂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：随导师签名：主兰跨 日期：0 7 年s 月日 前言 1 1引言 第一章前言 本工作所研究的内容“x x 相位控制及稳定系统”是课题“x x 接收机测试系统” 的一部分。为了保证多路相位测量的一致性，对相应的相位控制及稳定子系统提 出了高要求。 本子系统对整个测量系统非常重要。另外，系统中研制的高分辨率、低反射、 低插损宽带移相器，以及高精度的鉴相器，在通信、雷达等多种领域都有广泛的 应用前景。 1 2 相位控制及稳定系统 相位控制及稳定系统的关键部分是移相器和鉴相器，移相器和鉴相器达到指 标要求，稳相系统的性能才能得到保证。 1 2 1 移相器 移相器有模拟和数字两种形式，模拟式移相器相移量可在一定范围内连续可 变，而数字式移相器的相移量只能在一定范围内取某些离散值。如果要构成n 位 数字移相器可用n 个相移数值不同的子移相器串联而成，每个子移相器应有移相 和不移相两个状态，最小的子移相器的相移量为o 。x 2 “，故n 位数字移相器可得 到2 n 个不同相移值。数字移相器与外电路的接口比较容易，且其体积一般较小， 便于集成；而模拟式移相器有更高的移相精度，它多用在系统相位自动调整的场 合和移相精度要求特别高的场合。 按使用材料分，移相器有铁氧体移相器、p i n 移相器、m e m s 移相器、介质 移相器等：按传输线形式分，有波导移相器、同轴移相器、微带线移相器等；根 据所采用的元件还可以分为集中参数移相器和分布参数移相器。 铁氧体移相器可分为环行移相器、双模移相器和旋转场移相器等，其基本原 理是利用外加磁场改变波导内铁氧体的磁导率，从而改变电磁波的相速得到不同 的相移量。铁氧体移相器具有较大的功率容量，插入损耗比较小，移相度也可做 电子科技大学硕士学位论文 到很大，但是其响应速度比较慢，而且由于需要励磁线圈来提供驱动电流，其体 积较大。 p i n 移相器是发展最早也是现在使用最广泛的一种数字式移相器，按电路结构 分可分为开关线式移相器、加载线式移相器、反射式移相器、变阻抗移相器等。 但不管采用那种结构，其原理都是利用p i n 二极管在正偏和反偏时的两种不同开 关状态，使一段传输线接通或断开来实现移相。它的优点是易于采用数字信号控 制、切换速度快、体积小，但其频带一般较窄，插损较大并且插损不稳定。p i n 移 相器已经在毫米波段得到广泛应用。 另一种移相器是介质移相器。介质移相器透过改变电磁波传输介质的等效介 电常数皤，从而改变传输线相位常数p ，使得相移发生改变。其插损小、频带宽、 反射小，但反应速度较慢。一般来说，介质移相器的插损在l d b 以下；带宽可超 过倍频程；通过阶梯阻抗匹配，驻波可达1 2 以下。 介质移相器在通信、雷达领域得到了广泛应用。雷达天线上的介质移相器已 应用在8 0 g h z 左右的毫米波段【l 】，并且在较低频率的天线中也得到了广泛得应用 2 1 1 3 1 。压电控制的波导介质移相器在x 波段有良好的相移及插损，但是其反射性能 较差 4 1 。压电控制的微带及c p w 介质移相器在平面电路中应用广泛，但是其反射 性能也不尽如人意 5 - 9 。 j o i n e s ，w t 曾提出的一种l _ s 波段的介质移相器，其相移、插损、反射性能 均较好，但其结构比较复杂，设计、加工有一定难度【l o 】。 本系统对移相器的的频带、插损、反射、移相步进、最大移相均提出了较高 要求，而对反应速度、体积等方面要求较低，经过反复研究论证，决定采用模拟 介质移相器。 1 2 2 鉴相器 鉴相器分为模拟鉴相器和数字鉴相器。模拟鉴相器也可用i f 从直流开始的混 频器代替，但其输出电平较小，一般需要加放大器构成完整系统，输出线性度也 不尽如人意；数字鉴相器对两路输入信号进行a d 变换，再对变换后的两路信号 进行数字逻辑运算，以提取两路相差，其相差分辨率高，输出线性度，输出电平 等指标都比模拟鉴相器好，但逻辑运算的工作原理决定了它在0 0 和1 8 0 0 相差附近 性能不理想，另外a d c 处理速度等因素限制了它可以应用的频率上限。 目前，a d 公司的a d 8 3 0 2 鉴幅鉴相芯片可以工作到2 7g h z ，2 7 g h z 时的线性 2 前言 鉴相范围在1 0 0 。以上【l l 】。 1 3 本工作研究内容 “) 【) ( 相位控制及稳定系统”是“) ( 】【接收机测量系统”中的一部份。 “ ( ) ( 接收机测量系统”工作频率范围为1 x x xg h z ，进入系统的测试信号 经过功分后成为几十路信号，要求这几十路信号在测试端面有很高的相位一致性， 因此对相应的相位控制及稳定电路提出了高的要求。 相位控制及稳定系统简化框图如下： 图卜1 系统框图 系统关键组成部分是移相器和鉴相器，其中移相器要求全频段( 1 o 1 3g h z ) 内最大相移优于1 2 0 。，移相步进优于3 。，插损小于l d b ，两端口驻波小于1 2 ； 鉴相器应与移相器相配套，使系统相位稳定性优于士5 。 本工作中所研制移相器的频率范围是1 2 2 5 g h z ，所研制鉴相器的频率范围 是1 o 2 5 g h z 。由于移相器尚未加工完成，我们用另一移相器“e l s 1 3 0 0 ”代替 它以搭建系统进行测试。e l s 1 3 0 0 的工作频率范围是0 8 一- 1 3 g h z ，结合鉴相器的 频率范围，选择1 o 1 3 g h z 为所搭建系统的工作频率。 本工作的研究内容是系统中移相器、鉴相器的研制，以及选择合适的元器件、 设计分块电路并搭建系统进行测试，验证系统的稳相性能。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章移相器原理与设计 本工作中研究的模拟介质移相器以双平板变态同轴线为传输线结构，以高介 电常数介质片实现移相，用介质片阶梯阻抗变换实现1 抛5 g h z 内的宽带匹配。 要求最大相移优于1 2 0 。，移相步进优于3 。，插损小于i d b ，两端1 2 1 驻波小于1 2 。 2 1 基本设计理论 基本设计理论包括双平板变态同轴线理论、多级阻抗变换理论等。 2 1 1 双平板变态同轴线 为了传输微波功率，人们提出并实现了各种结构形式的传输线。 本工作中研制的移相器，以图2 1 结构的双平板变态同轴线为基本结构。这种 结构被广泛应用于微波测量技术中。 a x i 图2 - 1 双平板变态同轴线 其中心是半径为c 的圆柱形内导体，两侧壁距离为2 b ，模型中两侧壁在y 轴 向延伸到无穷远。 这种结构传输线的特征阻抗可表示为【1 3 】f 1 4 1 z o = 厅厉t n 2 t a r t ( 4 ) 1 l + ( i + , * ) c 6 1 ( 2 一1 ) 其中九要通过解下面的方程得到： c s c 至! ! ! 型：e o t l _ l 竺垒墨2c s c j _ 二= ：o 2 62 6 4 ( 2 - 2 ) 移相器原理及设计 2 1 2 多级阻抗变换【1 5 1 1 6 1 2 1 2 1 多级阻抗变换的网络方程 由微波网络理论可知，单级阻抗变换器是由3 个双口网络级联，二节阻抗变 换器是由5 个双口网络级联而成。由此可以推断，n 节阻抗变换的等效网络由2 n + 1 个单元网络级联而成。 由n = l 和n = 2 的差损表达式 n = l l = a o + 1 j c o s 2 0 n = 2 l = a o + a 1 c o s 2 0 + d 2 c o s 4 o 可推论 ， n = 3 l = a o + 爿，c o s 2 钟a 2 c o s 4 甜爿筘o s 6 0 n 节 工= a n c o s 2 ”0 ( 2 3 ) 设输入及输出阻抗为z c l 和z c 2 ，中间n 段的特征阻抗依次为z 1 ，z 2 ，z 3 磊，则 式( 2 3 ) 中的系数以是下列比值的函数： r 2 l - e l l 7 - - c 2 ，p i = z d z c l ，p 2 = 7 _ j z c i ，p n = z z c l n 节阻抗变换器达到匹配的条件为l = i ，即满足下列方程： a ( c o s 2 0 0 ) ”- 1 = 0 ( 2 - 4 ) 它是c , o s 2 0 0 的n 次方程，有n 个独立的根，因此n 节阻抗变换器可有n 个匹配 点，具有很宽的频带。 方程( 2 - 4 ) 的解不是唯一的，因此可以有多种设计方法，其中最常用的是契比 雪夫多项式设计或称等波纹响应设计。为此，需要引入契比雪夫多项式。 2 t 2 2 契比雪夫多项式 契比雪夫( c h e b y s h e v 或t c h e b y s c h e f f ) 函数或多项式是以下微分方程的解 ( 1 - x 2 ) 参一x 妾衍x = o ( 2 - 5 ) 方程的解称为契比雪夫函数，在网络设计中通常用的是第一类契比雪夫函数 t n o 【) ： 瓦( 功= c o s ( n a r c r o s x ) = + ，1 一工2 ) “+ ( x 一_ ，l x 2 ) ”】， h l( 2 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 乃( 功= c o s h ( n a r c c o s h x ) ： 【( x + ：_ 二了) 一+ ( 工一；_ 二i ) 一】， i 工i 1( 2 7 ) 常用的低阶第一类契比雪夫多项式如下 t o ( x ) = i ，t l ( x ) = x ，t 2 ( x ) = 2 x 2 1 t 3 ( x ) = 4 x 3 3 x ，t 4 ( x ) = 8 x 4 8 x 2 + 1 t s ( x ) = 1 6 x 5 - 2 0 x 3 + s x t 6 ( x ) = 3 2 x 6 - 4 8 x 4 + l g x 2 1 t ? ( x ) = 6 4 x 7 - l 1 2 x 5 + 5 6 x 3 7 x 契比雪夫多项式的循环公式为： 1 叶i ( x ) = 2 x t 。( x ) - t n 1 ( ) ( )( 2 8 ) 1 4 阶的切比雪夫多项式t n ( 力及其平方t 2 n ( x ) 的函数图形如图2 - 2 所示，可 以看出，契比雪夫多项式具有如下特质： ( 1 )n 为奇数时t n ( 】【) 为奇函数，n 为偶数时t n ( x ) 为偶函数，当然，t n 2 ( x ) 永远是偶函数。 ( 2 )h l 时t n ( x ) 在+ l 和一1 之间等幅往复振荡，n 次穿过零点。 ( 3 )h l 时i t n ( ) ( ) | 单调而陡峭地上升，n 越大上升越快。 由以上性质可知，契比雪夫多项式正是良好的阻抗变换器所需要的最佳逼近 函数形式。 2 1 2 3 契比雪夫阻抗变换器的设计方法 重写多节阻抗变换器的插入衰减 l = i t l l l 2 = a o + a l c o s 2 0 + a 2 c , o s 4 0 + a n c o s 2 “0( 2 9 ) 若将契比雪夫多项式t n ( x ) 作为逼近函数，可令 x = c o s 0 p 于是l = l t l i l 2 可以写成， l = i t i i l 2 - 1 十 2 ( e o s 0 p )( 2 1 0 ) 研究上式所描述的阻抗变换器的频率响应特征及待定常数p 及h 2 的意义。 ( 1 ) x = 1 时，t n 2 ( x ) = 1 ，对于工作频带的边频，这时 x = c o s 0 p = c o s ( 2 耳l k ) p = 4 - l 6 移相器原理及设计 则k “= 2 冗v a r c c o s p( x = + 1 ) n = 2 d ( r t - a r e e o s p )( x = - 1 ) 、 刀 、 、 王2 ( x ) j 多 ，多 形 王( x i ， l ；_ ；1 ； 8s ，二 7 l 2x ) s 。心。 ， 一 f ， 、 如l x j ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) r l f 己2 ( x 、 i f 、 、 7 i j ( 苯) l 2x ) k j i | 。j。 、 、 ， l q 图2 - 2l o ) 及f 。( 砷的函数图形 设带宽比为g 习。惕。小则有 q = ( n - a r e e o s p ) a r c e o s p p = c o s n ( 1 叼) 】 因此给定带宽比q 就可确定待定常数p 。 ( 2 ) t n2 ( c o s o p ) = l 时变换器插入衰减达到极大值，这时 三= l t l l | 2 = l 十萨 由无损双口网络插入衰减与驻波比的关系有： 1 + 炉= ( p 。一1 ) 2 4 p 。 即 萨= ( p 。1 ) 2 4 p 。 因此，给定允许的最大驻波比p m 。就可以确定h 2 。 7 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 令式( 2 9 ) 与式( 2 1 0 ) 相等，即 a o + a l c o # 0 + a 2 c o s 4 0 + + a n c o s 2 n 0 = 1 + 矗1 i 2 ( c o s 0 p ) ( 2 - 1 6 ) 等式两端都是c o s 2 0 的1 3 阶多项式，比较系数即可求出a 0 a n ，由给定的r 及a 扩 求出p l p 。，即可确定变换器各段的特性阻抗。变换器各段长度可由式2 - 1 1 或2 - 1 2 求出，即 f - j ma ：l r c c o s p 陀兀或卢( 7 卜a r c c o s p ) 2 x( 2 1 7 ) 以上九均为介质中的波长或传输系统中的纵向波长，即导波波长。 将上式代入( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 得到 ，= k 。k ，以( k 。+ i 。产x m i d 4( 2 18 ) a m i d 为频带内的中心波长。 2 2 移相器设计及仿真 移相器是系统中的关键部分，为了达到高精度的稳相要求，对移相器步近提出 了3 0 的高要求。另外，移相器必须在1 2 2 5 g i - i z 的宽带范围内反射很小，否则考 虑到移相器s l l 、$ 2 2 对l s 2 1 的影响，移相器相移会不稳定，精密稳相要求将难 以达到。 采用如下模型所示的模拟介质移相器 x i z 一一一歹 图2 3 移相器模型 模型由双平板变态同轴线和介质片组成。随着介质片向同轴内导体靠近，它 对传输线内q t e m 波电场的扰动增大，电磁波传输介质的等效介电常数e e f f 增大， 相位常数b 增大，传输线相移就会增大。 用介质片阶梯达到宽频带内的匹配；用精密步进电机控制介质片的移动，达到 系统要求的小相移步进。 8 移相器原理及设计 移相器的设计主要分为两部分：同轴一变态同轴过渡设计和移相介质片设计。 2 2 1变态同轴线尺寸计算 在5 0 q 的系统中，为了保证反射最小，变态同轴线的特征阻抗应为5 0 q 。 根据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 计算得到：当c b = 0 5 5 时，7 _ , o = 4 9 0 4 。 以c b = 0 5 5 作为初始值，用电磁场仿真软件h f s s 对特征阻抗进行仿真。 同轴线选用标准7 m m 同轴线。其内径为3 0 4 r a m ，由g b 一- 0 5 5 得到变态同轴 线的板间距2 b = 5 5 3 。 在电磁场仿真软件h f s s 中建立模型，对尺寸b 进行优化，使变态同轴线特征 阻抗尽量接近5 0 f 2 。仿真得到板间距2 b = 5 4 7 时，z o = 5 0 0 1 f 2 ，如图2 4 所示。 在图2 - l 所示模型中，平板y 向延伸至无穷远，仿真模型中，我们取侧壁y 向 高度为4 0 r a m 。由于电磁场主要集中在同轴内导体附近，与平板延伸至无穷远的情 况相比，这种模型计算z o 的误差很小。 图2 - 4 变态同轴线特征阻抗 2 2 2 同轴一变态同轴线过渡 2 2 2 1 介质绝缘子【1 7 】 在同轴传输线中，内导体用介质绝缘子支撑，如图2 5 所示。 为了使绝缘子部分的特征阻抗仍为z o ，并使阶梯电容保持最小，一般采用组 合切割，如图2 5 所示。 另外，在设计同轴线时应尽可能避免几个机械公差对电性能的影响，如同轴 线内、外导体直径，开槽段内、外径直径等。 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 5 组合切割 2 2 2 2 同轴一变态同轴线过渡 在h f s s 中建立图2 6 所示的同轴一变态同轴线过渡结构模型。 由同轴线特征阻抗公式 z o = 6 0 1 n ( d d ) 1 6( 2 1 9 ) 计算得d d = 3 4 4 2 时，z o = 5 0 q ，d 、d 分别为同轴内、外导体直径，绝缘予材 料选用f ：2 2 的聚四氟乙烯。 考虑到实际加工的难度，绝缘子段内外导体尺寸均要求与标准同轴段有合适的 阶梯，以便于加工。标准同轴段d o = 3 0 4 r a m , d o = 7 m m ；取绝缘子段d = 2 4 r a m , 由 d d = 3 4 4 2 得d = 8 2 6 m m 。 考虑到加工中可能出现的各种问题，绝缘子被设计夹在同轴与变态同轴之间。 这样的结构加工尺寸较少，加工误差得以减小。 结构中引入了r l 、r 2 、r 3 三个不连续性，我们通过对d 、d 、( i s 三个参数的调 整，使几个反射相互补偿，以期在1 2 - 2 5 g h z 的宽带范围内，整个结构的反射达 到最小。 图2 - 6 同轴变态同轴过渡 1 0 移相器原理及设计 在h f s s 中，将d 、d 、d s 设为变量并对其值进行优化，最后得到 d = 8 2 m m ，d - - - 2 3 6 r a m ，d s = 1 4 m m 时，整个结构的驻波在1 0 2 以下，如图2 - 7 所示。 ， _h ，o 7 一 - i - ， 7 - 寰i ；二三；f - _ - j 图2 7 同轴一变态同轴线过渡仿真结果 考虑到加工误差，最后加工出的同轴变态同轴过渡的性能可能不够理想。 可在变态同轴线内壁上加一起调节作用的螺钉或销钉，如图2 8 所示。 销钉的升降可改变扰动的大小，通过试验，最终可以找到销钉距内导体的最 佳距离，使整个结构的反射性能进一步优化。 2 ，2 3 移相介质片设计 图2 - 8 调节销钉 2 2 3 1 介质片材料的选择 为了获得大的相移，介质片材料的介电常数应足够大。 常用的材料中，蓝宝石的介电常数较高，其= 9 6 。以蓝宝石为介质片材料， 在h f s s 中建立模型，如图2 - 9 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 9h f s s 中移相器模型 取d s = o 0 5 m m ，t - - 4 2 m m ，h = 15 m m ，对此模型进行端口求解。 仿真结果表明：在1 2 g h z 的频率上，这种结构传输线的相位常数1 3 为3 1 3 7 r a d f m 或1 8 0 r a m 。 真空中的t e m 波在1 2 g h z 时的相位常数b 是2 5 1 5 r a d m 或1 4 4 0 m m 。因 此，与不插介质的传输线相比，这种蓝宝石结构的相移增量是0 3 6o m m 。显然， 这样的相移是难以达到要求的。并且，为了达到宽频带的匹配，必然在介质片上 引入阶梯，这样，对同样长度的传输线来说，相移又会减小。因此，在这种结构 的移相器中，为了增大相移，必须找到介电常数更大的介质材料。 经过资料收集，在上海某单位找到了一种e c = 7 0 , t a n o = 2 5 x 1 0 4 的陶瓷材料a 。 以此材料作为移相介质片的材料，在h f s s 中建立相应的模型，进行仿真。 仿真结果表明，在1 2 g h z 的频率上，这种高介陶瓷结构传输线的相位常数b 为2 1 4 0 m m ，与未插介质相比，相移增量为o 7o m m 。2 5 g h z 时，高介陶瓷结构 的b 为4 6 9 0 m m ，与未插介质片相比，相移增量为1 6 9 0 m m 。 决定选用材料a 为移相器介质片材料。 2 2 3 2 抑制高次模的产生 为了增加相移，考虑加大介质片厚度t 。 取d s = 0 0 5 m m ，t - - - 4 5 m m ，h = 1 5 m m ，建立模型，进行仿真。 模型端口阻抗z 0 和相位常数1 3 如图2 1 0 所示： 1 2 移相器原理及设计 。- 。 一 l 二 一 ： z ： 。 ： j 寸一：i 。r - = = r j h i ! 。 l _ 。 m1 图2 - 1 0 端口阻抗z d 和相位常数b 可以看到，d 有一定程度的增大，但在高频段z o 和p 均出现了突变。观察端 口场分布，发现在高频段出现了非f e m 的高次模式，如图2 - 1 l 所示 囝2 - 1 1 非t b 【高次模 减小t 并进行仿真，发现t - - 4 3 m m 时，高次模消失。 另外，曾考虑采用内导体直径7 m m 的变态同轴线：与内导体直径3 0 4 m m 的 变态同轴线相比，在介质片距内导体和两壁距离相同时，7 m m 变态同轴线结构可 以获得更大的相移。但是仿真结果表明，由于传输线横向尺寸的增大，高次模更 易出现，而且难以通过减小介质片厚度t 的方式抑制。 2 2 4 介质片阶梯阻抗变换 用切比雪夫多项式进行阶梯设计。 在我们的模型中，由于引入了高介电常数的介质片，传输线特征阻抗z o 成为 频率的函数，b 随频率的变化也出现一定程度的非线性，这与2 1 节所述的理论模 型不符，必然导致阶梯阻抗匹配的效果变差。因此，为了达到最佳性能，理论计 算出的模型尺寸必须进行仿真优化。 1 1 级介质片阶梯阻抗变换的模型如图2 - 1 2 所示，为了确保不会出现高次模，介 质片厚度t 取4 2 m m 。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1 21 1 级阶梯阻抗变换模型 首先确定b o ，以此确定需要匹配的阻抗初值z x 。 在h f s s 中建立如图2 - 9 所示模型，以h 为变量，对端口阻抗z 0 和d 进行仿真。 结果如表2 - 1 所示 表2 - l 端口z o 和b 1 3 ( r a d m )z o ( n ) 3 ( r a d m ) h = 1 5 m m1 6 m m1 7 m mh = 1 5 m m1 6 m m1 7 m m 1 1 23 3 1 8 3 3 2 13 3 “ 3 7 2 2 3 7 3 03 7 3 5 f r e q 1 63 1 8 43 1 8 93 1 7 85 0 1 4 5 0 2 55 0 3 2 ( g h z ) 2 02 9 6 42 9 8 12 9 5 96 3 6 26 3 7 66 3 8 6 2 52 5 9 32 6 1 6 2 5 9 3 8 1 8 3 8 2 0 18 2 1 6 结果表明，当h 1 5 m m 后，随h 的增加，z 0 和b 的变化均较小，因此可取1 1 0 = 1 5 m m 。 因为阻抗随频率变化，z x 应取最大和最小阻值的中点，以使得整个频带内的 反射最小。由表2 1 计算得z x = 2 9 5 6 q ，由z o = 5 0 0 1 q 得阻抗比n = z o z x = 1 6 9 1 。 2 2 4 1 三级阶梯 接下来计算阶梯高度h 1 ，h 2 h a 的值。为了减小移相器长度，考虑用三级阶 梯阻抗匹配。 频率范围1 2 n 2 5 g h z ，查表【1 7 】得到阻抗比n = i 6 9 1 、带宽比矿= 2 ( z l ) 仇+ 石户o 7 0 3 时，三级阻抗匹配的驻波理论值为1 0 4 。 用m a t l a b 编程进行内插( 附录) ，得到n = i 6 9 1 时，三级阶梯的阻抗比分别为 1 1 6 5 、1 3 0 0 、1 4 5 2 ，其阶梯阻抗分别为z 3 = 3 4 4 4 q ，z 2 = 3 8 4 3 q ，z 1 = 4 2 9 2 f l 。 1 4 移相器原理及设计 在h f s s 中进行仿真，得到z 3 、z 2 、z l 对应的阶梯高度h 3 、h 2 、h l 以及阶梯 高度分别为h 3 、1 1 2 、h l 时，传输线对应的相位常数艮( 叻、髓( 回、p i ( 由。 有了p 3 ( c o ) 、p 2 ( 叻、p l ( ，由式( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 即可得到阶梯高度分别为h 3 、h 2 、 h 1 时对应的过渡段长1 3 、1 2 、1 1 ，这样介质片的尺寸就确定了，如表2 - 2 。 表2 - 2 三级阶梯介质片尺寸 h oh 3 h 2 h lb 1 2 i i 1 5 r a m5 3 4 r a m1 8 9 m m0 5 6 r a m2 9 5 m m3 2 8 m m3 6 3 m m 由h 3 、h 2 、h l 、1 3 、1 2 、i i 在h f s s 中建立模型进行仿真。结果表明，单边阶 梯驻波在1 2 以下，整体结构驻波在1 3 以下，如图2 - 1 3 所示。 i a 1 ：；：z 奄： ：。：蔓一i f ：。 n 中* 卜卜 i 一麓1。j 、 喜一蓼 隳； f 毒u 托。、 鞭：，一一 、一 一f t ：0 3 j 戈 卜 。“； ， fj! 蠢。 i ： 、；f | ；b ， 、! ，： vf 夥： wp 。v r ，q 嶂1 4 日 图2 1 3 三级阶梯整体驻波 本移相器中，由于对移相精度的高要求，反射对相移的影响必须加以考虑。 在二端口网络中，当负载端匹配即f l = 0 时，若源反射f g 0 ，则网络的传输 相移将随r 变化【2 0 】： 文。 仍l2 鹕赢 ( 2 2 0 ) 因此，当移相器$ 1 1 较大时，若信号源不匹配，由于来回反射的影响，移相器 的相移是不稳定的，难以达到精确移相的要求。 同样，若s 2 2 较大，移相器的相移也会有相同的不稳定性。 在h f s s 中，设置负载端匹配r l = 0 并引入源反射r g ，以观察移相器s l l 和源 之间产生的来回反射对么$ 2 1 的影响。 仿真结果见表2 - 3 。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 3s l l 对相移的影响 么s 2 1 ( 。)f r e q ( g h z ： 1 21 51 82 22 5 源驻波 1 o1 4 2 9 33 3 31 5 0 4 83 4 9 3 25 0 0 9 7 v s w r1 21 4 2 5 83 9 31 5 0 6 5 3 4 9 5 2 5 0 0 7 3 1 51 4 2 1 74 6 61 5 0 8 63 4 9 7 75 0 0 4 5 结果表明，相移随源驻波而变化。在图2 1 3 中移相器驻波较小的频率点，如 2 2 g h z 上，源的不匹配对相移的影响是很小的；而在移相器驻波较差的点，如 1 5 g h z ，这种影响就比较大。可以设想，若移相器在1 2 - 2 5 g h z 的整个频带内达 n * l t d , 的反射，源与移相器间的来回反射将减小，移相精度也将改善。 2 2 4 2 四级阶梯 为了降低反射，考虑采用四级阶梯。 四级阶梯也有一些缺点。第一，四级阶梯过渡段1 3 较小而长度较大，为了达到 相同的相移，与三级阶梯相比，四级阶梯移相器的尺寸将增加。第二，阶梯的增 加使介质片的加工更加困难。 阻抗比n = i ，6 9 1 、带宽比w = 0 7 0 3 时，四级阻抗匹配的驻波理论值为1 0 2 。 查表并用m a t l a b 编程进行内插，得到n = i 6 9 1 时，四级阶梯的阻抗比分别为 1 0 4 5 、1 1 8 6 、1 4 1 0 、1 6 0 1 ，阶梯阻抗分别为2 ；4 - - 3 1 2 2 q ，z 3 = 3 5 4 5 f 1 ，z 2 = 4 2 1 4 f l ， z l = 4 7 8 4 q 。 在h f s s 中进行仿真，得到乙、z 3 、z 2 、z 1 对应的阶梯高度1 1 4 、h 3 、h 2 、h l 以及各段相应的相位常数艮( ) 、b 3 ( 叻、陀( 叻、b l ) 。 有了1 3 4 ( o ) 、尚( ) 、1 3 2 ) 、i h ( o ) ，由式( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) o p 可得到h 4 、h 3 、h 2 、h l 时对应的过渡段长1 4 、1 3 、1 2 、i i 。这样，介质片的尺寸就确定下来，见表2 - 4 表2 4 四级阶梯尺寸( m m ) 1 1 0 t 1 4 h 3h 2 h l 1 4 1 3 1 21 。 i 1 51 0 95 81 1 2 0 0 5 3 8 6 3 4 12 8 72 7 2 l 由t 1 4 、h 3 、h 2 、h l 、1 4 、1 3 、1 2 、l l 在h f s s 中建立模型进行仿真。结果表明， 单边阶梯驻波在1 0 6 以下，如图2 1 4 。 1 6 移相器原理及设计 r 。 -_“f 气、 、 r ： - 氐 7 _ ， -_-_ 一 r 蚰哺 - i 日 图2 - 1 4 四级阶梯单边驻波 对过渡段的长度h 、1 3 、1 2 、1 l 进行优化，使其总长度尽可能减小，优化结果见 表2 5 。 表2 - 5 四级阶梯尺寸优化 1 4 1 3 1 2 1 1 原始尺寸 3 8 6 m m3 4 1 m m2 8 7 m m2 7 2 m m 优化后尺寸 3 3 6 m m3 1 6 m m2 6 2 m m2 4 7 m m 优化尺寸后，阶梯过渡的长度减少了1 2 5 m m ，单边阶梯驻波在1 0 8 以下， 如图2 1 5 。 - ； 一_ 。 。 _ “ * ：弋 ： - ， -_ 支 一 。7 。 、 。-， l 。“ ( + 图2 1 5 优化尺寸后的四级阶梯单边驻波 仿真结果较好，但其中有些尺寸是不能加工或难以加工的，而且陶瓷材料的 脆性也必须加以考虑。比如：h i = 0 0 5 m m ，这样的尺寸加工是非常困难的；h 2 = 1 1 2 m m ，也很难加工，即使加工出来，由于其长度有2 6 r a m ，很容易折断。因此， 1 7 电子科技大学硕士学位论文 必须对介质片尺寸加以优化，以改善其机械性能。 优化的基本思路是将h 2 、h l 高度增加。为了不改变相应的p 2 ( ) 、p l ( ) 和z o z 、 z o l ，必须将它们距内导体距离d x l 、如增大。 考虑采用图2 1 6 所示阶梯过渡 图2 1 6 改善机械性能的阶梯变换模型 经过对不同尺寸的阶梯组合进行仿真、比较，得到性能较好、便于加工的介质 片尺寸，如表2 - 6 ： 表2 - 6 优化后的最终阶梯尺寸( n ) 1 1 0hh 3h 2h l如d x l 1 4 1 3 1 2 1 1 1 51 0 95 84 83 o0 21 o3 3 63 1 62 6 22 4 7 单边阶梯过渡仿真结果如图2 1 7 。 t ， ； 譬 z j 一 y 一 j 芍“。 、oj r e a i g m 图2 1 7 最终四级阶梯单边驻波 最大驻波在1 0 8 左右。 包含双边阶梯的整体仿真结果如图2 1 8 。整个频带内，驻波在1 1 4 以下。 1 8 移相器原理及设计 俄 簿 f 一_ 一一i ； j l ： ； k 、 、 7 一孓v j i i v 一i f q 【o h 司 图2 1 8 四级阶梯整体驻波 与三级阶梯相同：设置负载端匹配r l = 0 ，对源阻抗加以设置，引入源反射r g ， 以观察移相器s l l 和源之间产生的来回反射对么s 2 1 的影响。 仿真结果见表2 - 7 。 表2 7s l l 对相移的影响( 四级阶梯) 么s 2 1 ( 。1f r e q ( g h z ) 1 21 5 1 8 2 2 2 5 源驻波 1 o1 1 3 4 84 1 3 0，1 9 8 3 8 4 1 2 9 15 7 9 3 8 v s w ri 21 1 3 3 84 1 1 71 9 8 4 7- 4 1 3 0 85 7 9 2 3 1 51 1 3 2 64 1 0 01 9 8 5 8- 4 1 3 2 85 7 9 0 5 仿真结果表明，引入源驻波f 产1 5