四位數(shù)字移相器的原理、性能特點(diǎn)及電路設(shè)計(jì)

1 引言

微波移相器是一種微波控制電路，其主要作用于是對(duì)微波信號(hào)的相位進(jìn)行控制以滿足系統(tǒng)的需要。移相器在相控陣?yán)走_(dá)、微波通信、衛(wèi)星技術(shù)等眾多領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。特別是在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，移相器是T/R組件的關(guān)鍵器件。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著移相器需求的增大，移相器理論得以不斷豐富完善，制造工藝也日趨成熟。微波移相器的實(shí)現(xiàn)形式也逐漸由波導(dǎo)、同軸線過(guò)渡到微帶線形式。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了，混合微波集成電路（HMIC）移相器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷完善和半導(dǎo)體材料及工藝的迅猛發(fā)展使基于單片微波集成電路（MMIC）的微波移相器在這一階段應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)際上已經(jīng)有多個(gè)型號(hào)的MMIC移相器研制成功并投入市場(chǎng)。受設(shè)備和技術(shù)等因素的限制，國(guó)內(nèi)對(duì)MMIC移相器的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)展相對(duì)緩慢，基本仍處于試制使用階段。從電路的性能指標(biāo)、功率容量、價(jià)格等角度出發(fā)，HMIC移相器仍具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，進(jìn)行高性能高移相精度的HMIC移相器的仿真研究具有非常重要的意義。Agilent公司的ADS軟件具有完整的設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化功能，能快速有效地設(shè)計(jì)仿真出需要的電路，可以大大提高設(shè)計(jì)的成功率，從而減輕設(shè)計(jì)者的工作量。

2 移相器設(shè)計(jì)

2.1 本移相器的原理框圖及主要性能參數(shù)

與傳輸線串聯(lián)或并聯(lián)的任何電抗，都會(huì)引入相移，移相器電路4位分別為180°，90°，45°，22.5°。在0°～360°間以22.5°為步進(jìn)形成16個(gè)移相。利用將四個(gè)相移位級(jí)聯(lián)起來(lái)的方法，即可構(gòu)成本文設(shè)計(jì)的四位數(shù)字移相器（如圖1所示）。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出偏置電流從而能使PIN管處于正向或反向偏置狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)16個(gè)相移狀態(tài) 。

圖1 PIN移相器原理框圖

設(shè)計(jì)的移相器的主要性能參數(shù)為：工作頻率為1.5GHz±100MHz，均方根相位誤差

圖2 PIN管的等效模型

圖3 開(kāi)關(guān)線式和加載線式移相器原理圖

2.4 移相器電路仿真及結(jié)果

ADS具有強(qiáng)大的算法及隨機(jī)梯度等優(yōu)化方法，能按照參數(shù)迅速仿真出需要的電路，從而大大減輕設(shè)計(jì)者的工作量。本電路是在介電常數(shù)ε=4.4，厚度H=2mm，金屬厚度T=0.036mm的微帶介質(zhì)基片上進(jìn)行仿真的。圖4為加載線型、開(kāi)關(guān)線型和級(jí)聯(lián)后的電路原理圖。

（a） 加載線型

（b） 開(kāi)關(guān)線型

（c） 級(jí)聯(lián)

圖4 加載線型（a）、開(kāi)關(guān)線型（b）及級(jí)聯(lián)（c）電路原理圖先對(duì)每位移相器電路進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，再級(jí)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行整體調(diào)試。

級(jí)聯(lián)后各個(gè)移相位的性能都有不同程度的惡化，所以之前在單獨(dú)設(shè)計(jì)每位移相器時(shí)應(yīng)把設(shè)計(jì)指標(biāo)合理地提高。

（a）

（b）

（c）

（d）

圖5 仿真結(jié)果（a）所示為16個(gè)相移狀態(tài)，RMS不超過(guò)3°。圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）分別示出了仿真所得移相器16個(gè)相移狀態(tài)下的駐波比（L波段四位數(shù)字移相器工作于1.5GHz±100MHz，相位誤差《3°，駐波比《1.3，插入損耗《2.5dB，各位級(jí)聯(lián)回波損耗《15dB，滿足設(shè)計(jì)要求。利用仿真所得結(jié)果即可制版加工出實(shí)物。

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