（电路与系统专业论文）x波段五位数字移相器研制.pdf

摘要 摘要 众所周知，移相器在通信、雷达等系统中有着广泛的应用。尤其在相控阵雷 达中，是相控阵雷达不可缺少的重要组成部分，也是大量应用的关键部件。与传 统雷达相比，相控阵具有体积小、重量轻、探测精度高、反应速度快、功耗低、 适用范围广等优点。移相器的移相位数越多，对波束的控制越精细，但同时移相 器及其控制电路也越复杂。而对于相控阵雷达的关键部件t 瓜组件，尺寸和 重量都受要到严格的控制。所以，制作出体积小、重量轻、成本低、性能良好的 t r 组件是发展的需要。并且由于相控阵雷达在星载和机载系统中得到日益广泛 的应用，使得这种研究显得尤为必要和迫切。所以进行本课题的研究就非常有实 际意义。目前具有实际价值的移相器主要有p i n 管和f e t 管两种用作开关，p i n 管移相器从插损指标和性能价格比方面均具有较大的优势。所以p i n 移相器被广 泛应用于各种相控阵雷达系统中。 本文对微波数字式移相器的基本理论进行了较深入的研究；综述了各种微波 数字式移相器电路的工作原理。设计软件采用a g i l e n t a d s ，待选定合适的拓扑结 构后，每一移相位均根据计算的结果，针对移相精度、插入损耗和输入输出驻波 比一同进行优化，输入输出均匹配到5 0 欧姆，待每位设计达到要求，再进行各位 的级连。测试过程中，要针对上述各项指标进行电路的调整，其中包括直流偏置 电路的调整，以求达到最好的效果。 关键字：数字式移相器，p i n 二极管，a d s a b s t r a c t a b s t r a c t i t1 sw e l lk n o w nt h a tp h a s es h i f t e ri sw i l d l yu s e di nt h ea r e ao fc o m m u n i c a t i o n a n dr a d a rs y s t e m s e s p e c i a l l yi nt h ep h a s e da r r a yr a d a rs y s t e m s ，t h ep h a s es h i f t e ri sa n i m p o r t a n tp a r ta n dk e yc o m p o n e n tt l l a ti su s e di nag r e a tq u a n t i t y c o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a lr a d a rs y s t e m ，p h a s e da r r a yr a d a rh a sam e r i to fs m a l lc u b a g e ，l i g h ti n w e i g h t ，h i g hp r e c i s i o no f d e t e c t i o n ，h i g hs p e e dr e a c t i o n ，l o wc o s t ，c o m m o n l yu s e d f o r p h a s es h i f t e r , m o r eb i t si th a s ，f i n e rb e a m si tc a nc o n t r o l ，a n dm o r ec o m p l e xi ta n di t s c o n t r o ls y s t e ma r e t h e r ei sc l o s er e s t r a i n to nt h et rs e c t i o n ss i z e ，d i m e n s i o na n d w e i g h t ，w h i c hi st h ek e yc o m p o n e n to fp h a s e da r r a yr a d a r t h e r e f o r e ，t h e r ei st h e r e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n tt om a k et h el i t t l ec u b a g e ，l i g h tw e i g h t ，l o wc o s t ，h i g h p e r f o r m a n c et rs e c t i o n w i t ht h ew i d e s p r e a da v a i l a b i l i t yi ns p a c e b o m er a d a rs y s t e m a n da i r b o r n er a d a rs y s t e mo ft h ep h a s e da r r a yr a d a r , t h er e s e a r c ho nw h i c hb e c a m ea n a c t i v ed e m a n d t h ed i g i t a lp h a s es h i f t e ri st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to ft r s e c t i o n t h e nt h e r ei sap r a c t i c ep u r p o s ew i mt h er e s e a r c ha b o u tt h et o p i c a tp r e s e n t t h ed i g i t a lp h a s es h i f t e r sw h i c hh a v i n ga c t u a lv a l u ea r eu s i n gp i no rf e tt oa c ta s s w i t c h p i nd i g i t a lp h a s es h i f t e rt a k e sa d v a n t a g e si nt a r g e to fi n s e r t i o nl o s sa n dc o s t p e r f o r m a n c e s ot h a tt h ep i nd i g i t a lp h a s es h i f t e ri se x t e n s i v eu s e di na l lk i n d so f p h a s e da r r a yr a d a rs y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e sb a s i cp r i n c i p l eo fm i c r o w a v ed i g i t a lp h a s es h i f t e rd e e p l y , r e v i e w sd i f f e r e n tt h e o r i e so fa l lk i n d so fm i c r o w a v ed i g i t a lp h a s es h i f t e rc i r c u i t t h e p h a s es h i f t e ri sd e s i g n e du s ea g i l c n ta d v a n c e dd e s i g ns y s t e m a f t e rs e l e c t i n gt h e m o s ts u i t a b l et o p o l o g ys t r u c t u r eo f c i r c u i t ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t i n gr e s u l tia i m e da t p h a s es h i f t i n gp r e c i s i o n ，i n s e r t i o nl o s sa n di n p u ta n do u t p u ts t a n d i n gw a v er a t i ot od o t h eo p t i m i z a t i o n t h ei n p u ta n do u t p u tr e s i s t a n c ea r eb o t hm a t c h e dt o5 0o h m s a f t e r e v e r y b i ta t t a i n i n gt h ed e m a n d ，t h e nic o n c a t e n a t e dt h ea l lb i t d u r i n gt h et e s t i n g , t h e r e i sm u c hw o r kt od of o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h o s et a r g e t si n c l u d i n gt h eb i a s i n g c i r c u i tm o d u l a t i n g f o rt h eb e s tr e s u l t k e y w o r d s ：d i g i t a lp h a s es h i f t e r p i nd i o d e a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m i i 图表目录 图表目录 图1 1t r 组件基本结构2 图2 1 微波移相器的形式一5 图2 2 相位移移相器的频率特性6 图2 3 时延迟移相器的频率特性7 图2 4 短线安装电路的加载线移相器基本结构1 0 图2 5 加载线移相器的原理图( a ) 及其等效电路图( b ) 1 1 图2 6 主线安装电路的加载线式移相器1 3 图2 7 加载线移相器相对带宽与0 的关系。1 4 图2 8 传输型移相网络的原理1 5 图2 9 由开关与容性电纳串联组成单加载支节的传输型移相网络的等效电路1 6 图2 1 0 开关线移相器基本结构1 8 图2 1 1 谐振引起的插入损耗峰值1 8 图2 1 2 谐振引起的相位陡变1 9 图2 1 3 串联开关的开关线型移相器计算平均功率容量的等效电路2 0 图2 1 4 反射式移相器原理2 1 图2 1 53 d b 定向耦合器型移相器2 2 图2 1 6 反射型移相器电路原理简化图2 3 图2 1 7 用t 型网络的开关网络型移相器2 5 图2 1 8 用7 1 ：型网络的开关网络型移相器2 5 图2 1 9 平衡式0 度1 8 0 度移相器一2 7 图2 2 0 平衡式移相器原理2 8 图2 2 1 微带线- 槽线双面结构平衡式移相器等效电路2 9 图2 2 2 基于硅基复合桥膜结构的m e m s 移相器单元的组合方式3 1 图2 2 3 基于硅基复合桥膜结构的m e m s 移相器单元的结构原理3 2 图22 4 矢量调制移相器电路原理3 3 图2 2 5 b o r i e 等人提出的一种宽带1 8 0 度位移相器电路3 4 图3 1p i n 二极管的结构3 5 图3 2n 【n 结的杂质、空间电荷和电场分布3 6 图3 3 直流和射频信号同时作用下的p i n 管3 8 图3 4 正向偏置时的p i n 管的等效电路，4 0 图3 5 反向偏置时的p i n 管的等效电路4 1 图3 6 几种p i n 管在不同偏置电流下的正向电阻变化4 3 图41 各种微带不连续性和它们的典型应用4 8 图4 2a d s 中的变量与公式5 0 图4 3a d s 手动参数调节面板51 图4 4 利用a e l 制定函数用以消除相位的周期跳变5 l 图4 5p i n 管等效仿真模型5 2 v 图表目录 表4 6m a c o m 的几种p i n 管的参数5 3 图4 7 开关线移相器模型5 3 图4 81 8 0 度开关线型移相单元l a y o u t 结果5 4 图4 1 0 加载线移相单元模型5 5 图4 1 11 1 2 5 度加载线型移相单元l a y o u t 结果5 6 图4 1 2 级联调整后1 1 2 5 度移相单元的仿真结果5 6 图4 1 3 级联调整后2 25 度移相单元的仿真结果5 7 图4 1 4 级联调整后4 5 度移相单元的仿真结果5 7 图4 1 5 级联调整后9 0 度移相单元的仿真结果5 8 图4 1 6 级联仿真原理图。5 9 图4 1 7 五位数字移相器自定义符号5 9 图4 1 8 图4 1 7 对应的原理图。6 0 图4 1 91 12 5 度的符号封装原理图6 0 图4 2 0 级联时五个状态产生的四种相移的偏差情况6 l 图4 2 l 级联时五个状态的r l 6 1 图4 2 1 级联时五个状态的i l 6 2 图4 2 2 级联时五个状态v s w r 6 2 图5 1p c b 版图6 3 图5 2 腔体图6 3 图5 3 测试仪器6 4 图5 4 样品照片6 5 表5 5 测试数据6 5 v 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：丛魈日期：删年月z 珀 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，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：巡导师签名；望丝 日期：年乎月二珀 第一章引言 1 1 微波控制电路及器件 第一章引言 在微波技术领域，需要对信号参量进行控制的场合很多，例如控制电路的通 断、衰减量的大小、相移量的多少等等。控制时要求迅速而准确，这是机械方法 所难以做到的。最初的典型微波控制电路是天线收发开关。随着多波束雷达、相 控阵雷达、微波测量技术以及微波中继、卫星技术等方面的发展，出现了一大批 电控的微波控制电路，如微波开关、微波调制器、微波限幅器、电控衰减器、数 字式移相器等川。 根据所控制的信号参量的不同，微波控制电路可分为三个种类： ( 1 ) 微波开关、脉冲调制器等，用于控制微波信号传输路径的通断或转换： ( 2 ) 电控衰减器、限幅器、幅度调制器等，用于控制微波信号的大小的 ( 3 ) 移相器、调相器等，用于控制微波信号的相位。 按控制方式分类，微波控制电路分为它控和自控两种。它控是指由外加的控 制功率来改变微波固体器件的工作状态，进而改变电路的参量，如电控衰减器。 微波调制器、移相器等。自控是由微波功率本身的大小来改变微波固体器件的工 作状态，从而对电路进行控制。微波限幅器就是其中之一，当通过限幅器的微波 功率超过某一阈值时，其衰减就迅速增大，限制了通过功率的进一步增大，起到 了“限幅”的作用。 微波控制器件，是微波控制电路的核心，如p i n 二极管、砷化镓场效应三极 管、变容管及肖特基势垒管等微波固体器件，它们由于结构上的特点，宜于和微 带电路相结合，故常用于混合微波集成电路( h m i c ) 中。除此之外，微波铁氧 体也是一种微波控制器件，它有着对应的适用范围。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 微波移相器及其应用 作为微波控制电路的一个种类，微波移相器主要针对制微波信号的相位进行 控制以满足系统的需要。 微波移相器在雷达、通信、仪器仪表、重离子加速器及导弹姿态控制系统中 有着广泛的应用前景。集成电控移相器一般分为数字和模拟两类，所谓数字式移 相器是指其相位的变化是跳变的，不能连续变化，一般利用p i n 二极管作为开关 元件进行控制，它移相精度高，功率大；模拟式移相器相位的变化是连续的，常 采用变容二极管进行控制。 尤其需要着重说明的是，数字式移相器在相控阵雷达岬1 中的应用，而这也是 数字式移相器最主要的应用领域。相控阵雷达是一种采用电扫描方式工作的雷达 系统，它利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空 间扫描，实现对多目标的搜索和跟踪，其具有功能多、机动性强、反应时短、数 据率高、抗干扰能力强及可靠性高等诸多特点【5 l ，是现代雷达发展的一个重要分 支。相控阵雷达中有上千个发收( t r ) 组件如图1 1 所示，而每个组件都要需 要一个数字式移相器，因此移相器的性能体现了t r 组件的性能，进而体现了相 控阵雷达的性能，如其相移步长、状态转换速率以及稳定性。可靠性、重量等因 素会分别影响天线扫描波束的跃度、采集数据率以及t r 组件的使用性、重量， 而移相器的成本也会成为整个雷达系统成本高低的决定性因素之一。 图1 1 t r 组件基本结构 基于微波移相器广泛的应用领域，特别是其在军事方而的应用，如何采用先 进的工艺手段，设计和生产出体积小。重量轻，性能指标优良，工作稳定可靠的 微波移相器，一直是微波工程师关注的重点之一。 第一章引言 1 _ 3 微波移相器的发展现状与趋势 微波移相器的理论在上世纪五、六十年代己经得到详细地论述并被逐步完善， 而随着同时期微波领域内的两大技术变革：微波固体有源器件的研制及微波平面 传输线的深入研究和实用化，微波移相器的实现形式也由波导、同轴线过渡到微 带线，出现了移相器的混合微波集成电路( h m i c ) ，其后在计算机仿真技术的辅 助下，其电路的设计精度曰益提高，电路性能的计算也更加有效、精确了。在近 二十年，半导体材料及工艺的发展使得单片微波集成电路( m m i c ) 成为微波电 路领域内的研究热点，这其中当然包括移相器的h m i c 。目前，在国外，已有若 干型号的移相器m m i c 芯片被研制出来并投放市场，例如b o i r e 等人开发的4 5 1 8 g h z 五位移相器【6 】：而在国内，由于需要超精细的半导体工艺设备和技术，所 以只有少数科研单位展开了m m i c 的研究和开发工作( 如s h e ny a 等人报道的x 波段五位数字移相器口1 ) ，但受基础设施的限制，进展比较缓慢。但从发展的角 度来看，m m i c 移相器电路将是未来移相器电路设计的重点。 1 4 论文的主要研究内容 本文针对数字式移相器的理论分析和设计作了一定的研究，分析了五位数字 式移相器电路的设计原理，并使用微波c a d 软件a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m2 0 0 4 ( a d s ) 辅助设计，从而生产制造出处于研制阶段的五位数字式移相器电路，并 对其性能进行测量、分析，归结成文。 本论文包括以下几个方面的内容： 第一章介绍了微波移相器的应用、发展现状及趋势，并说明了本课题的来源 及意义。 第二章详细介绍了各种移相器的电路结构及它们的工作原理，并针对部分移 相器性能参数、优缺点、适用相移范围进行了详细的论述。 第三章对数字式移相器电路的控制器件p i n = 极管的基本性能进行了分 析阐述。 第四章提出了五位数字式移相器电路的具体设计方案，并利用a d s 进行了优 电子科技大学硕士学位论文 化设计，分析了仿真结果。 第五章对移相器电路的p c b 版图、调试过程及试验结果进行了分析说明，并 对今后的工作提出了一些看法。 4 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，广泛地应用于雷达系统、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 制方式的不同可分为：模拟式和数字式( 本文只对数字式移相器进行分析) ；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、开关线型或开关网络( 高通低通滤波器) 型阶”】 等，具体分类如图2 1 所示。目前用的较多的是铁氧体移相器和半导体移相器。 前者功率容量大，但要求的控制功率也大，相位变化速度慢，易受到温度影响。 后者除体积小重量轻外，还存在开关时间短、控制功率小、温度稳定性好等特点。 在这一章中，主要介绍了移相器的基本移相原理和主要性能指标要求，对于各种 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进行了详细的描述； 分析了不同电路的工作原理，并对典型的移相器电路应用实例以及移相器电路的 发展进行了分析。 图2 1 微波移相器的形式 电子科技大学硕士学位论文 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 相器的区别有必要对于移相器的基本移相原理进行介绍。首先定义相位移移相器 和时延迟移相器m 】。 相位移移相器的定义为：在工作频率带宽上具有平坦群延迟的频率响应，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 具有固定的群延迟。( 输入射频信号包络的时序不变) 图2 2 所示为相位移移相器的频率特性。相位移移相器可以应用于多路间隔 不同脉冲的接收一合并机中，将射频信号对位在脉冲的包络内而不改变脉冲边沿 的时序。然而，由于“相位偏斜”和“脉仲展宽”效应的限制，相位移移相器无 法应用于大孔径相控阵天线的宽带波束形成网络中。 群 延 迟 ( 左) 插入相位( 中) 相对相位移( 右) 群延迟 图2 2 相位移移相器的频率特性 时延迟移相器定义为：在工作频率带宽上具有平坦的群延迟频率响应，但波 第二章移相器基本原理 前平而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： 3 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改变； 4 具有波前平面不同、平坦的群延迟频率响应。( 导致输入射频信号脉冲包 络时序的改变) 时延移相器的一个特殊的例子是延迟线移相器，由下式定义： f = a z 丁s 2 1 ( c o )( 2 1 1 )、厶- 1 1 ， 这里a f 为群延迟中的相对延时，么是，( 叻为角频率为时的相对相位移。 图2 3 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 系统中有着广泛的应用，如相阵天线的波束形成网络中。需要指出的是，由于电 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。 群 延 迟 ( 左) 插入相位( 中) 相对相位移( 右) 群延迟 图2 3 时延迟移相器的频率特性 电子科技大学硕士学位论文 2 2 移相器主要技术指标 移相器的技术指标主要有：工作频带、相移量、相移精度、插入损耗、插损 波动、电压驻波比，功率容量、移相器开关时间等。下面进行一一阐述： 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 字式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。 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。对于数字式移相器，通常要给出移相器的位数或相 位步进值。n 位移相器可以提供m = 2 “个离散相位状态相位进步值为3 6 0 2 “。 相移精度 对于一个固定频率点，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。相移精度指标有时采用最大相移偏差来 表示，也就是各频率点的实际相移和各步进值之间的最大偏差值；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，则是指各步迸值相位误差的均方根 值。r m s 误差的计算公式为： 业( m ) = j 堕型 螋( 2 2 1 ) ynl 二二1j 其中，m 。、d 。( i = 1 ，n 分别为实际测量值和理想值) 。 插入损耗与插损波动 插入衰减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裁吸 收功率之比的分贝数，用i l ( i n s e r t i o nl o s s ) 表示： l = 一2 0 1 9 s 2 l i ( 招) ( 2 2 2 ) 移相器是由微波开关和传输网络组合而成的，在两种移相状态下由于传输路 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 第二章移相器基本原理 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，对整体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。 电压驻波比和回波损耗 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 ( v o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o ) 表示；当输出端接匹配负载时，f f l = s 1 1 昭袱：趔：圳 1 一| r | 1 一旧- i( 2 2 3 ) 有时用到回波损耗概念，又称回程损耗或反射波损耗，即反射信号的损耗， 用r l ( r e t u r nl o s s ) 表示 r l = _ 2 0 i g 州= - 2 0 l g 8 1 i f ( 招) ( 2 ，2 4 ) 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；即r l 尽量大。 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所采用的开关元件的开关时间。 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。 由上可知，对于移相器的要求是多方面的。所以实现较好的移相器，选择可 靠的合适的电路形式，以及好的微波固体器件是必须的。 2 3 各种类型移相器及其电路分析 2 3 1 加载线型移相器及其功率容量 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 短线安装电路的加载线移相器基本结构 图2 4 所示为一个由微带线组成的加载线型移相器9 1 4 o 主传输线电长度为0 特性导纳为x 。在它两端用并联微带分支线和p i n 开关进行加载，分支微带的电 长度为幺，特性导纳为e 。假定p i n 为理想开关，当p i n 开关处在导通状态时， 主线两端并联电纳是，玩，p i n 开关断开时，主线两端并联电纳是旭。在这两种 情况下移相器分别等效为不同电长度死和破的传输线，传输线特性导纳为y 。参 见图2 5 。则移相器的相移量就是= 丸破。移相器的电路设计公式和分析方 法如下。图2 5 b 所示特性导纳为y 的均匀传输线，为了满足输入匹配的要求，应 该有 y = k k = 丽1 ( s ) 可写出图2 5 b 对k 的归化矩阵 口】为 = 盘篙朝 图2 5 a 的三个元件的级联a b c d 矩阵是 c 4 ，= ， b ： - ，x c o s 。0 i n 口，：s 嚣i n o j ，) b 1 0 0 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 第二章移相器基本原理 p 一0 叫 n i j 8 0 ( 1 胁m l| y c ( a ) 卜一曲一 y o y ( ” 图2 5 加载线移相器的原理图( a ) 及其等效电路图( b ) 相乘后，再对k 归一化得 刎 c o s 口一旦s i n 目 x ，( y 1s i n 0 + 2 b c o s 0 - b j l 2 s i n o ) 。i 一 由【刎= 函】，根据矩阵元素相等的原则，可得 九= a r 一( c o s 目一鲁s i n 日) 破= 一0 s ( c o s 扎鲁衄目) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 a ) ( 2 3 8 b ) 口 血 n ，一 出 口一i 矗一五 l 阳 h 曰一k 臼 口 洫 k 一耳 得 = = 可 庐 r ： 州 叫 琨 电子科技大学硕士学位论文 这个公式就是相移量和加载电抗的关系，只要知道风、且、0 、耳就能算出 相移量庐= 九一商a 为了使移相器工作良好，要求输入端匹配，即图2 , 5 b 电路的输入反射系数。 应为零。根据k 】矩阵元素的关系知，应该有 k = 篇= 。 ( 2 3 9 ) 式中的a 、b 、c 、d 是k 】矩阵中的4 个元素。图2 5 a 是对称网络，必有d = d 。 为了使l 为零，应该满足b = c 。于是得到： zs i n p + 2 b c o s 0 一兰 二s i n 0 墨。i n 口： 圣 y o( 2 3 1u ) 即 曰2 一( 2 e c t g o ) b + ( k 2 一墨2 ) = 0( 2 3 1 1 ) 上式的解是： b o = y 1 c t g o + k 2c s c 2o - k 2( 2 3 1 2 a ) b l = y m t g o 一如2c s c 2 0 - k 2( 2 3 1 2 b ) 这个公式是为达到输入匹配必须满足的关系式。 把式2 3 1 2 代入式2 3 8 ，并利用式2 3 7 化简可得 墨= y o s e c a 型z s i n 口 ( 2 3 1 3 ) 把式2 3 1 3 代入式2 3 1 2 ，得到 耻t o ( s c c 譬c o s 臼+ 留譬)( 2 3 ) 且州s e c 譬训一留争( 2 3 1 4 6 ) 丰线安装申路： 第二章移相器基本原理 i + _ + e + 一 p i n正向反向 二极管偏置偏匿 丰”苫 图2 6 主线安装电路的加载线式移相器 在这种情况下，开关器件直接跨接在主线上【1 6 】。这个想法是利用高阻抗时的 c j 和低阻抗时的三，直接用作曰。 b 1 。当然，要求加一个与器件串联的外接电感 l 。，如图2 6 所示a 这样给出的电纳为： 风2 赢( 2 3 1 5 口) b 1 2 瓦- - 1( 2 3 1 5 b )m eu 式中上= 厶+ l 。由式2 3 1 4 可以推导出下面的y o 和护之间的关系式： 2 吗丽券三 一般，人们希望通过选择口，以便从移相器电路得到最大带宽。这种情况在 目= 9 0 。时出现。这时的y o 有： ：2 吗。智f 譬 z ( 2 3 1 7 ) 除非可得到任意大小的c j ，否则这将对输入输出线阻抗施加限制a 由于开关 器件的电容有限，不可能任意选择c j 。这种形式无法普及。 短线安装电路： 考虑到公式2 - 3 1 4 是指定相移量时，加载电纳应满足的数值。为了使两个分 支线加载电纳引起的反射在输入端相互抵消，从而获得良好匹配，主线电角度应 电子科技大学硕士学位论文 n n 取n 0 2 三，于是得到： 耻喀竽 ( 2 3 1 8 。) 驴一譬( 2 3 1 8 6 ) _ = y o s e c a 墅z( 2 3 1 8 c ) 由以上分析可知，加载电纳的两个值归。、届为一对共轭。如图2 4 ，并联 加载分支线的电长度取为垒，终端接理想开关，则这段加载分支线的输入导纳 8 l 一k c 辔要= 一e ( 开关闭合短路时) r 。= ： l ，e c t 9 5 “- 2 _ ，e ( 开关截止断路时) ( 2 3 1 9 ) 艺= b o o ) = 譬( 2 3 2 0 ) l l 一一 5 ， fl f l 、 ，、1 ， s h 淑 j h i a 图2 7 加载线移相器相对带宽与0 的关系 1 4 第二章移相器基本原理 由于加载线网络与特性导纳y = k 电角度为九。的传输线段等效，所以将此传 输线网络接入特性导纳为矗的传输线系统中，不会引起网络前后的反射。 加载线型移相器由三段微带传输线组成，电角度日和加载电纳p 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 度，输入驻波比小于1 2 ，此时计算得到的2 2 5 度移相器，相对 带宽为4 3 ；而4 5 度的移相器相对带宽约2 0 。可见移相器的工作频带与设计 的相移量西大小、主线的电角度日的值有关”4 ” ，如图2 7 所示。相移量西愈 小，带宽愈大，可以预计，9 0 度移相器带宽更窄，因此加载线移相器比较适于设 计成小相移的移相器：但是不论庐的取值大小，主传输线的电角度0 均应取为= 7 , ， z 这样可以获得尽量大的带宽。 以上介绍的加载线型移相器电路和在随后小节中介绍的开关线型、开关网络 型移相器都属于传输型移相器电路，图2 8 中所示为传输型移相网络的电路原理 示意图，其中无源移相网络可以是集总参数网络或分布参数网络，开关为串联或 并联设置。移相网络两种状态之间的转换等效于微波信号通过不同的传输路径， 移相网络传输相位的变化产生相位移。 开关 图2 8 传输型移相网络的原理 下面就加载线型电路移相网络的功率容量进行简要分析。为了确定加载线型 移相器单个开关可承受功率，我们对只含有一个由开关与容性电纳串联组成加载 支节的移相网络进行分析，如图2 9 所示。 电子科技大学硕士学位论文 z o 2 v 至 l父 1 净 i 1 ：丰j b ：l 图2 9 由开关与容性电纳串联组成单加载支节的传输型移相网络的等效电路 当开关断开时，通过电路的电流为：；，传输系数r ：l 。当开关闭合导通 d 0 时，电路的反射系数r 和传输系数r 分别为 b 一，了 r = 二l 2 + j _ b 丁：1 + 1 1 ：l ： 2 + j b f y a 得到相位移为 d rb 、 一咖l 瓦j 2 4 + 障1 2 l j n ( 去 ( 2 3 2 1 ) ( 2 3 2 2 ) r 2 3 2 3 ) 为了得到最大可转换功率只。的表达式，假设开关断开时两端可承受的最大 电压为。，闭合导通时最大导通电流为，。- 。令z 。 反向偏噩： 图3 3 直流和射频信号同时作用下的p i n 管 ( 3 1 2 ) 当微波信号小于偏置电流时，无论微波信号处于正半周还是负半周，i 始终 大于零。因此，小信号工作时，正向偏置p i n 管呈低阻导通状态。大信号工作时， 第三章p i n 二极管工作原理 若i 。 ，此时从图3 3 表面上看，似乎在微波信号的负半周管子内将无电流通 过，处于截止状态，其实不然，因为在l 作用下，i 层中已储藏电荷q 0 ，只要微 波频率足够了，即负半周时间足够短，i 层中仍储藏有足够的电荷维持管子的导 通状态。 例如当f 为1 0 g h z ( t 为0 i n s ) ，若f 为5 p s ，l 为0 1 a ，l 为5 0 a ，则因 下 f t ，虽然有i o q 1 。由此可见，负 二 半周i 层电荷的减少量q 1 只是正向偏流所对应的i 层电荷储藏量q 0 的很小一部 分，因而不影响导通状态。 这表明，很小的正向偏置电流，可使p i n 管在很大幅度的微波电流作用下保 持正向低阻的导通状态。 同理可以证明，在较小反向直流偏压下，即使微波信号电压振幅很大，也能 保证p i n 管始终工作在反向高阻截止状态。 总结以上可知：在微波信号与直流偏置同时作用下，p i n 管所呈现的阻抗大 小决定于直流偏置电压的极性与数值，而与微波信号幅值无关。这就是p i n 管可 以用很小的直流功率来控制很大的微波功率的基本原理。 3 2p i n 管等效电路模型 2 a - 3 0 】 p i n 管管芯主要有两种结构形式：台式结构和平面结构。台式结构多用于大 功率管，平面结构多用于小功率管。为保证管芯不致因环境影响而性能变坏，以 及管芯需要机械保护，一般都用管壳封装。随着电子工艺水平的提高，p i n 管的 性能也越来越好，且体积减小了不少，s m p 的封装结构，体积非常小，被广泛应 用于微波控制电路。 对大多数控制电路，p i n 管均工作在正反两种偏置状态下，正如前面讨论的 那样，与这两种偏置对应的是两种截然不同的工作状态，即低阻状态和高阻状态， 下面分别加以讨论。 3 2 1 正向偏置下的等效电路 电子科技大学硕士学位论文 一妄r t r j ( 左) 等效电路( 右) 简化电路 图3 4 正向偏置时的p i n 管的等效电路 正偏下，p i n 管等效电路如图3 4 所示。胄，为i 层正向偏置时的电阻；c ，为 正向偏置时结电容和扩散电容之和，但近似等于扩散电容。扩散电容是注入载流 子在i 层边界上产生的储存所引起的电容，远大于结电容。当偏置从负向转为正 向后，由于p 、n 区载流子向i 层注入量随正向偏置电压加大，结电阻r ，很快由 几兆欧以上减为l 欧以下；而c ，的量级为几个肛法，即使在微波频率下其容抗远 大于r ，故可忽略，而把r ，和r ，归并为一个正向电阻r ，。r ，是p 、n 层体电阻 和电板接触电阻等构成的串联损耗电阻，其值很小，在1 欧左右。因r ；正向电阻 随偏置电流增大而很快下降，一般p i n 管，当偏流为几十毫安时，r ，减小到几欧 姆这时r 。的值不能忽略。因此，在零偏置或偏置电流很小的时候r ，的值主要由月， 决定，r ，可忽略；偏流为几十毫安时r ，值可看作r ，与r 的串联；在大偏流时， r ，趋近于0 ，p i n 管的正向电阻r ，可等效为r ，。 必须指出，p i n 管简化等效电路的频率范围与偏置电流有关，因为偏流小时， 骷，满足去 r i 条件舡作频率w 就低- 而偏、流大时瑚抄，满趾式的 工作频率就比较高。 3 2 2 反向偏置的等效电路 反向偏置时，等效电路较为复杂。当反向电压小于穿通电压时，i 层未穿通， 且分成耗尽区和非耗尽区两部分。耗尽区用电阻q 和电容q 并联表示，r ，为耗 尽区电阻，值很小，在几兆欧量级：q 为p i 或i n 结的电容，约等于十分之几皮 第三章p i n 二极管工作原理 法。非耗尽层区用电阻尺，和电容q 并联表示，其中尺，约几千欧( 非耗尽层含少 量载流子，故电阻此耗尽量小) ，电容c j 也在十分之几皮法。反向状态等效电路 如图3 5 所示。 r s 妄r f _ x i + x j 下 士x j 瓯墨 r lr j ( 左) i 层未穿通的等效电路( 中) i 层未穿通的简化电路( 右) i 层穿通时的简化电路图 图3 5 反向偏置时的p i n 管的等效电路 3 3p i n 管的主要参数口1 在电路中，需要根据p i n 管的参数来选择器件，因此，下面介绍各参数的计 算以及对控制电路的影响。 3 3 1 正向电阻r ， 当p i n 二级管正向偏置时，空穴和电子将从p 区和n 区注入到i 区，并储存 到那里，直至它们通过互相复合产生传导电流。因为p 、n 结高掺杂，假设在p i n 管中，p i 结和烈结为突变结的情况下，设大注入时运动载流于的浓度和注入载 流子的浓度相比可以忽略不计，则i 注入到n 区的空穴以及注入到p 区的电子在 此二区均为重掺杂时也可忽略不计。因此