第八章微波控制电路2数字移相器

1、微波电子线路第七章,微波电子线路,PIN管数字移相器 用PIN管作为控制元件的移相器称为PIN管移相器。按照移相量的变化 方式不同，PIN管移相器可分成模拟移相器和数字移相器两种。前者移相 量在一定的范围内连续可变，后者移相量只按照一定的量值作步进变化， 如22.5度、45度、67.5度、90度.等。为了实现相移量的步进变化，数 字相移器通常由几只单元移相器级联组成，每只单元移相器构成数字移相 器的一个位，如三位移相器是由三个单元移相器组成，即45度移相器单元 、 90度移相器单元、 180度移相器单元级联构成，它可以完成0度、45度 、90度、135度、180度、225度、270度、315度

2、等八种移相状态，最小 步进为45度。因为这种移相器的每个单元只有两个固定移相量，很容易用 二进制码进行控制。如用数码“0”与单元0度相对应，用数码“1”分别与单元 移相器的移相量相对应。,微波电子线路,在微波控制电路中，常用的移相器主要的是数字移相器。近年来数字 移相器大量应用于雷达、通讯等领域中，用它控制每个辐射单元的相移， 以实现波束的快速扫描。 相移器主要的技术指标是；中心频率、频带宽度、移相精度、插入衰 减、输入驻波系数、功率容量等。 目前，作为单元移相器主要有一下几种类型；开关线型移相器、加载 线型移相器、3dB定向耦合器型移相器。我们分别介绍他们的分析方法和 设计方法。 1、开关线

3、型移相器 我们知道，微波信号通过一段均匀传输线后，会引起相位的变化。传 输线输出端的信号比输入端的信号相位滞后 由此可以看出一段均匀传输线可以作为一只移相器。右下图可以看出采用开关电路使微波信号从两条电长度不同的传输线通过，从而得到两种不同,微波电子线路,的相移量。利用这个原理做成的移相器称为开关型移相器。这类移相器中使用的开关，通常是两只同步控制的PIN管单刀双掷开关。两条不同电长度的传输线可以是一般的均匀传输线，也可以是加载线。把电长度较短的一条传输线称为“参考相位通道”，把电长度较长的一条传输线称为“延迟相位通道”。若把“参考相位通道”输出端的信号相位定为零度，则“延迟相位通道”输出端的

4、信号相位为 上式表明，用一般均匀传输线组成的开关线移相器是窄带的，因为 与频率成正比。,微波电子线路,我们设计一个中心频率为1592.5MHz开关线型三位数字移相器。如下图所示；,微带线的介质基片为陶瓷，介电常数为9.6，介质基片的厚度为0.8mm 50欧姆微带线的线宽为0.8mm , 有效介电常数为6.3898,微波电子线路,微带线长度 中心频率 1592.5MHz 波长188.383cm (74.5243mm) 180度对应长度 94.1915mm (37.2622mm) 90度对应长度 47.0957mm (18.6311mm) 45度对应长度 23.5478mm (9.3155mm)

5、低边频率 1520MHz 波长197.3684mm (78.0789mm) 180度对应长度 98.6842mm (39.0395mm) 90度对应长度 49.3421mm (19.5197mm) 45度对应长度 24.6711mm (9.7599mm) 高边频率 1665MHz 波长180.1802mm (71.2793mm) 180度对应长度 90.0900mm (35.6396mm) 90度对应长度 45.0450mm (17.8198mm) 45度对应长度 22.5225mm (8.9099mm),微波电子线路,中心频率时 180度对应长度 37.2622mm 总误差 8.2度,当频率

6、为 1520MHz 180度相移 实际相移为171.8度 误差 -8.2度 当频率为 1665MHz 180度相移 实际相移为188.2度 误差 +8.2度,中心频率时 90度对应长度 18.6311mm 总误差 4.1度 当频率为 1520MHz 90度相移 实际相移为85.9度 误差 -4.1度 当频率为 1665MHz 90度相移 实际相移为94.1度 误差 +4.1度,中心频率时 45度对应长度 9.3155mm 总误差 2.05度 当频率为 1520MHz 45度相移 实际相移为42.95度 误差 -2.05度 当频率为 1665MHz 45度相移 实际相移为47.05度 误差 +2

7、.05度,微波电子线路,微波电子线路,2、加载线型型移相器 我们知道，微波信号通过一段电长度为 的均匀传输线，相移量为 。当工作频率和传输线的机械长度固定时，这个相移量也是固定的。如果在传输 线的输入端、输出端个并接一个电纳 ，则当电纳变化时，输出信号的相位也随之改变。利用这个原理做成的移相器称为加载线型移相器。 在加载线型移相器中，并联电纳一般由PIN管和一段传输线组成。由于PIN管正反偏置状态下其阻抗具有不同的数值，从而使得移相器得到两个不同的相移量。所以加载线型移相器实质上是借助于PIN管工作状态的改变，给并联电纳以微扰，引起电长度的变化而实现移相的。下图是加载线型移相器原理图。,微波电

8、子线路,上图左边是一个加载线型移相器，它是由三个两端口网络级联构成的，加载线型移相器的输入端口和输出端口接特性阻抗为 的均匀传输线，则它们的转移参数矩阵为；,由于这个网络是个对称网络、可逆网络，可等效为一段均匀传输线，其转移参 数矩阵为；,该段均匀传输线的特性阻抗为 ，电长度为 。在两段匹配的情况下， 即为移相器的相移量。因此只要求出这段等效传输线的参数就可以得出移相器的相移特性。为了得出等效关系，可令两个转移参数矩阵相等，即,微波电子线路,由上式可得；,也可以写成；,对上式两边同时取平方可得；,微波电子线路,对上式整理可得；,解上面的一元二次方程可得；,微波电子线路,为PIN管导通时的电纳，

9、 为PIN管截止时的电纳。 由 可求出,PIN管导通时的相位为 ，PIN管截止时的相位为 。,微波电子线路,同理可得；,微波电子线路,由上式可以求出,则,按照上述方程设计移相器，虽然在中心频率上驻波系数等于1，相移误差为零，单偏离中心频率时，因 和 都是频率的函数，相移量和驻波系数将随频率变化而变化。所以，当移相精度和驻波系数规定时，移相器的带宽就受到限制。进一步分析表明移相器的带宽与 有关。当驻波系数小于1.2，相位误差小于2度时，对于45度移相器来说， 90度时，相对带宽为20, 而 80度时，相对带宽为15。所以 值要根据实际的需求来选择或计算 。 加载线型移相器并联电纳的一种实现方法

10、加载线型移相器并联电纳的实现可采用并联支节线的方法，从下图可以看出；,微波电子线路,由图可知，端接PIN管的传输线的输入阻抗为；,输入阻抗的实部很小忽略它，则；,输入电纳应等于并联电纳，所以,微波电子线路,根据上式可以求出；,PIN管正向阻抗和反向阻抗 由下式给出，反向阻抗为,正向阻抗为；,式中；,微波电子线路,加载线型移相器的设计,根据移相器所要求得功率容量、工作频带、插入损耗等设计指标选择合适的PIN管，然后对所选择的PIN管进行测量，测出它们在正反向偏置下的阻抗参数，并进行配对选择。,2、根据要求的相移量 和外接传输线的特性导纳 计算加载线的特性导纳 , ,和并联电纳 。,根据所要求的带

11、宽，选择 即选择 ( ) , 确定后 也就确定了,.,3、计算PIN管正反向阻抗，从而计算 ， （ ）,微波电子线路,4、确定微带线参数（介质基片的介电常数、介质基片的厚度），根据中心频率，计算加载线性移相器的几何结构尺寸。 5、设计偏置电路。 6、将设计完成的加载线性移相器的结构尺寸代入微波电路设计软件(如ADS)进行优化设计，直到满足设计指标要求为止。 两支节加载线移相器，最大相移量为45度，大于45度可采用三支节加载线移相器。为了减小长度，可将中间的两个支节并联。 我们举一个例子来说明设计方法。设计一个频率范围从 1520MHz 到 1665MHz一个移相45度的加载线型移相器。,微波电

12、子线路,中心频率为1592.5MHz，相对带宽为9.1。PIN管的参数为； =0.5pf =0.3pf =0.5nh =1欧姆 =1.5欧姆（典型参数） 计算PIN管正反向阻抗,=1.50欧姆,=0.2538欧姆,=-165.4欧姆,=-5.08欧姆,计算并联电纳 ， 和,微波电子线路,计算支节线的特性阻抗和电长度,最后设计偏置电路。,微波电子线路,3、3dB定向耦合器型移相器,上图是一个3dB定向耦合器型移相器的示意图，我们首先分析3dB定向耦合 器（也称分支线定向耦合器）的特性， 3dB定向耦合器理想的S参数为；,微波电子线路,当2端口和3端口接反射系数为 和 的负载时，1端口输入信号，则

13、1端口和4端口的输出信号为；,将S参数代入上式可得；,微波电子线路,端口2和端口3所接负载的反射系数相等，其反射系数的模为1（假定负载是由 纯电抗构成），反射系数为；,所以1端口和4端口的输出信号为；,由分析得出2端口和3端口接反射系数为 的负载时，1端口输入信号，则信号由4端口输出，1端口没有输出。终端负载是有两只完全相同的PIN管构成的，PIN管导通和截止两种状态的相移量，取决于PIN管导通和截止两种状态下反射系数的相位差，即,我们知道反射系数与电纳的关系可以写成如下形式；,微波电子线路,反射系数的相位可以表示为如下形式；,令；,则；,于是,PIN管正向偏置时其电纳为 ，反向偏置时其电纳为

14、 相应反射系数的相位为 ， 移相器输出信号的相位变化量为；,上式给出相移变化量与PIN管正反偏置下等效电纳的关系，若使相移变化量 为180度，就必须满足下面的关系；,微波电子线路,由此可见，为满足一定的相移量，PIN管正反向偏置时的电纳必须具有一定的数值。但是，实际应用的PIN管，其电纳参数不一定满足这个要求，因此实用的3dB定向耦合器型移相器不能简单地把PIN管直接接在定向耦合器的平分臂上，而是需要在PIN管和定向耦合器之间加上一个阻抗匹配网络，把PIN管的电纳变换到所需要的数值。,微波电子线路,在一般情况下，对于给定的定向耦合器和PIN管，通过调节阻抗变换网络中的各段传输线的阻抗和长度，可

15、以使移相器获得较好的性能。在参考面 处的总电纳为；,同理，我们可以把 视为一段特性导纳为 的终端短路线的输入导纳，于是在参考面 处的输入导纳为；,对于带宽小于定向耦合器的带宽的移相器，我们可以选择 , 同时还可以选择 调节各段传输线的长度可以获得良好的性能。,微波电子线路,下图为三位数字移相器的示意图,下图为四位数字移相器的示意图,微波电子线路,4、宽带3dB定向耦合器型移相器 设计一个性能较佳的宽带3dB定向耦合器型移相器，问题就比较复杂。因为它不仅要求在中心频率附近，而且要求在较宽的频带内相移量和驻波系数都满足预定的指标。为此，必须在不同的 情况下计算相移量和驻波系数的频率特性。不同的 可通过改变PIN管参数和变换网络参数来实现。然后对各种情况下的计算特性进行