移相器分類及功率容量詳解（反射型/加載線式/開關(guān)線式/濾波器式移相器） - 全文

　　與傳輸線串聯(lián)或并聯(lián)的任何電抗，都會引入相移，因而可作為移相器的電路結(jié)構(gòu)可以有無限多種。但是作為一種實際應(yīng)用的電路，必然會有許多性能上的要求，對于移相器而言，要求其插入損耗和反射損耗都要小，那么，實用的電路就減到少數(shù)幾種而已。每一種結(jié)構(gòu)在尺寸、帶寬、出每個二極管獲得的相移量以及諸如此類的其他方面都各有千秋。

　　本文首先介紹了反射型移相器及其功率容量及加載線式移相器及其功率容量，其次介紹了開關(guān)線式移相器，最后介紹了高通/低通濾波器式移相器，具體的跟隨小編一起來了解一下。

　　一、反射型移相器及其功率容量

　　在實際電路中，要求移相器為二端口網(wǎng)絡(luò)，需要將輸入信號和輸出信號分隔開， 常用環(huán)形器或定向耦合器作為變換元件實現(xiàn)信號分離。定向耦合器常用電路形式為分支線混合接頭和耦合線耦合器（如蘭格耦合器）。定向耦合器相對于環(huán)形器的不同點是：

　?。?）集成電路工藝容易實現(xiàn)，可以和電抗網(wǎng)絡(luò)一次加工出來;

　　（2）需要用兩個微波丌關(guān)，雖然多用了器件，但是每只開關(guān)只承擔(dān)一半功率，因而移相器的功率容量增加了一倍。

　　圖3.2.3 是定向耦合器反射型移相器的電路原理圖。由于實際上PIN 開關(guān)并非理想開關(guān)，在導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)時的電抗值也不相等，此外，還希望這種定向耦合器移相器能提供其它移相量。因此實際的電路中在PIN 開關(guān)和定向耦合器的目、3端口之間加有電抗變換網(wǎng)絡(luò)。

　　假設(shè)通過電抗網(wǎng)絡(luò)后，在定向耦合器@、回端口的反射系數(shù)模值相同，而相位角不同; 呈現(xiàn)的歸一化電納為jB（jB，表示PIN 開關(guān)在兩種狀態(tài)時的電納值），則相應(yīng)兩種狀態(tài)的反射系數(shù)是

　　為了討論反射型移相器的功率容量將反射型移相器的原理圖簡化表示為一個以理想開關(guān)為終端的無源網(wǎng)絡(luò)。如圖3.2.4 所示（其中V為入射電壓，Vp為反射電壓）。Hines（28推導(dǎo)出了這種反射式網(wǎng)絡(luò)單元的功率容量基本運算法則，即如果Tso和Ts1分別是當(dāng)開關(guān)斷開和閉合時網(wǎng)絡(luò)輸入端口處的電壓反射系數(shù)，那么運算法則可以表述為：

　　二、加載線式移相器及其功率容量

　　出于第四章對于加載線式移相器有著非常詳細(xì)的闡述，所以這里對其概念及原理只作簡單的介紹。

　　所謂加載線式移相器，就是在均勻傳輸線上以可控電抗元件進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)加載，通過電抗值的改變在電路中引入一個相移量。

　　如圖3.2.5 所示， 對于接在匹配振蕩器和匹配負(fù)載之間的均勻傳輸線，當(dāng)在其上并聯(lián)一個電納時，可以觀察到電納所產(chǎn)生的擾動會對傳輸信號的相位有何影響。傳輸線上的并聯(lián)電納JB對于容性電納而言為正，若為感性電納則為負(fù)。jB處的傳輸電壓V可以表示成入射電壓V和反射電壓V的迭加。入射電壓V就是假定電納jB不存在時該處應(yīng)有的電壓。反射電壓V則如此定義：存在電納jB這種不連續(xù)性的情況下，實際電壓（向負(fù)載傳輸?shù)目傠妷海￢等于入射電壓與反射電壓之和，即

　　以上所示的這種單電抗元件加載的移相電路一般稱之為一元加載線式移相電路。通過上面的分析可見， 這種結(jié)構(gòu)的移相電路適用于小相移位的實現(xiàn)，但是它產(chǎn)生相移的同時，還會引入不小的反射波。如果只求獲得相移而不注意每一個單電抗元件的反射波會怎樣組合，就可能導(dǎo)致電路失配非常嚴(yán)重， 電壓駐波比、插入損耗都很大，結(jié)果便無法預(yù)計相移。

　　考慮到反射的影響，我們在單電抗元件加載的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改設(shè)計，通過增加加載電抗元件的個數(shù)來改善反射波影響，以求在獲得所需相移量的同時亦得到其它優(yōu)良的電路性能。而最為常見的修改，就是以兩個相同的電抗元件加載于傳輸線上，兩者的間距約為A/4，以求使得兩個對稱的反射波幾乎完全互相抵消，進(jìn)而使駐波比降到很小，此種電路結(jié)構(gòu)常稱之為二元加載線式移相電路。在設(shè)計過程中，加載的電抗元件通常以=極管電路的形式實現(xiàn)。

　　以上介紹的加載線式移相器電路和在隨后小節(jié)中介紹的開關(guān)線式、高通/低通移相器都屬于傳輸型移相器電路，圖3.2.6中所示為傳輸型移相網(wǎng)絡(luò)的電路原理示意圖， 其中無源移相網(wǎng)絡(luò)可以是集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)或分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)， 開關(guān)為串聯(lián)或并聯(lián)設(shè)置。移相網(wǎng)絡(luò)兩種狀念之間的轉(zhuǎn)換等效于微波信號通過不同的傳輸路徑，移相網(wǎng)絡(luò)傳輸相位的變化產(chǎn)生相位移。

　　下面就加載線型電路移相網(wǎng)絡(luò)的功率容量進(jìn)行簡要分析26。為了確定加載線型移相器單個開關(guān)可承受功率，我們對只含有一個由開關(guān)與容性電納串聯(lián)組成加載支節(jié)的移相網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，如圖3.2.7所示。

　　當(dāng)開關(guān)斷開時，通過電路的電流為1=V/Zo，傳輸系數(shù)T=1當(dāng)開關(guān)閉合導(dǎo)通時，電路的反射系數(shù)T和傳輸系數(shù)T分別為

　　三、開關(guān)線式移相器

　　為了確定串聯(lián)開關(guān)移相器的平均功率容量，考慮如圖3.2.10 所示的等效電路圖。假定開關(guān)閉合時等效為一個小電阻R，信號源的峰值電壓為V，則在R，上耗散的平均功率為

　　四、高通/低通濾波器式移相器

　　高通/低通濾波式移相器的產(chǎn)生是基于這樣的啟發(fā)而出現(xiàn)的：當(dāng)信號通過低通濾波器（出串聯(lián)電感和并聯(lián)電容構(gòu)成）會出現(xiàn)相位延遲，而通過高通濾波器（由串聯(lián)電電容和并聯(lián)電感構(gòu)成）會出現(xiàn)相位超前，如果我們利用二極管丌關(guān)讓電路在高通與低通之間切換就可能得到一個相移量。高通/低通移相器可以產(chǎn)生比其他類型移相器更小的相移量，且它的工作頻帶可以與反射式移相器相比擬。

　　根據(jù)二極管的連接不同，可以把高通/低通移相器分為兩種（這里僅以T型高低通移相器為例），如圖3.2.10所示。（a）圖中是串聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)，（b）圖中是另一種并聯(lián)一極管結(jié)構(gòu)。

　　從結(jié)構(gòu)圖看，這種移相器很像開關(guān)線移相器的結(jié)構(gòu)。在并聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)中，為了保證斷開支路二極管短路不影響導(dǎo)通支路，要將其接入點定在距分支點2/4長度的位置。

　　對電路分析后， 我們知道在高通濾波器產(chǎn)生相位超前、低通濾波器產(chǎn)生相位滯后的情況之下， 通常令高、 低通濾波器的串聯(lián)電抗絕對值相等，并聯(lián)電納絕對值也相等。這樣，高通濾波器的相位超前度數(shù)與低通濾波器的相位滯后度數(shù)相等，”二者之和就是移相器網(wǎng)絡(luò)的相移量。

　　在上述情況下，仍然使用前面使用過的ABCD參量來分析高通/低通相移器網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)高通狀態(tài)下的［4］矩陣如下

　　在一個倍頻程范圍內(nèi)，90移相位的相位變化可控制在士2以內(nèi)。而對于小移相位，其頻帶寬度可以達(dá)到一個倍頻程以上。若想增加帶寬，可以通過改善高通/低通網(wǎng)絡(luò)的性能來實現(xiàn)。根據(jù)電路的分析，高通濾波器具有超前的相移，低通濾波器具有滯后的相移。一般情況下，令高、低通濾波器的串聯(lián)電抗絕對值相等。并聯(lián)電納的絕對值也相等。此時高通濾波器的超前角和低通濾波器的滯后角相等，兩者之和即為此移相器的相移。當(dāng)頻率增加時，高通濾波器的相位超前角減小，而低通濾波器的相位滯后角增大，兩者正好相互補(bǔ)償而使兩個狀態(tài)的相位差O$在比較寬的頻帶內(nèi)保持相對恒定。在90的移相位，幾乎可在一個倍頻程范圍內(nèi)，使0f的變化不超過土2。由于其電路結(jié)構(gòu)類似于開關(guān)線移相器， 如果電長度選擇不合適，串聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)同樣可能引起諧振，在設(shè)計電路時應(yīng)予以注意。在大移相位極少出現(xiàn)諧振現(xiàn)象， 而小移相位則要多加注意， 當(dāng)其中一條支路的電長度太小的時候，可以通過在T型或I型網(wǎng)絡(luò)中增加微帶傳輸線段來減小諧振的可能“4。