x波段数字移相器的ads设计

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1微波移相器在军事上的仿真研究微波采集装置是一种微波控制电路，其主要功能是控制微波信号的相位，以满足系统的需要。基于微波移相器广泛的应用领域,尤其是在军事方面的应用,进行高性能高移相精度的数字移相器的仿真研究就具有非常重要的意义。Agilent公司的ADS软件具有完整的设计和仿真优化功能,能快速有效地设计仿真出需要的电路,可以大大提高设计的成功率,从而减轻设计者的工作量。2相移动相器设计2.1均方根相位误差工作频率:9.5~10.5GHzRMS(均方根相位误差):<3°插入损耗:<5dB插入损耗最大变化:±1dB回波损耗:<15dB承受功率:≥20W(连续波)2.2零偏和反向偏置状态PIN二极管作为开关元件进行控制,具有相移精度高、功率大、体积重量小、开关时间短、控制功率小、对温度变化的稳定性好等优点。在正向偏置状态下,PIN二级管管芯的等效电路如图1(a)所示,其中Rj为I层的电阻,Cj为正向注入的载流子在I层边界上产生电荷储存所引起的扩散电容,Rf为电极和引线电阻。在零偏和反向偏置状态下,PIN二级管管芯的等效电路较复杂,需根据电压的大小分情况讨论:(1)在零偏压和反向电压较小时,小于穿通电压VPT,其情形如图1(b)所示,其中耗尽区以电阻Rj和电容Cj并联来表示,非耗尽区以电阻Ri和电容Ci并联来表示,而Rf为电极和引线电阻。(2)反向偏置电压大于穿通电压VPT,此时I层完全穿通,其等效电路如图1(c)所示,其中以电阻Rj和电容Cj来表示耗尽层,而Rf仍为电极和引线电阻。2.3元加载形式与传输线串联或并联的任何电抗,都会引入相移,移相器电路5位分别为180°,90°,45°,22.5°,11.25°。在0°~360°间以11.25°为步进形成32个移相。180°,90°采用开关线式,图2(a)为开关线式原理图,为了避免插入损耗谐振现象,使用电容连接适当长度的接地线对断开支路加载,使其在工作频段内远离谐振峰;在移相的整个过程中,移相器的输入端和输出端之间一直处于导通状态,因此就要求在两种状态下输入端都要良好匹配。此外还要求两种移相状态下插入损耗很小,并且尽可能相等,否则两种状态下输出信号大小不同引起寄生调幅;两条传输线相互距离要足够远,以避免相互耦合造成衰减和相位误差。45°,22.5°,11.25°采用负载线型,因为负载线型电路形式简单,引入电路的插损小,小角度移相时的驻波低,移相精度较好和峰值功率容量大,图2(b)即为二元加载形式移相器。负载线间距离为1/4波长,这样可获得最佳电压驻波比。在形式上采用主线加载开路支节的形式,这样高阻抗状态下的电容Cj和低阻抗下的电感Ls就直接用作B1和B2,电纳由式(1),式(2)给出:其中L=Ls+Le,Le为与器件串联的外接电感。采用主线加载开路支节的形式在以后的调式中便于调试。5个相移位呈线形级联布置。2.4基于fpga-l的动态测试方法ADS具有强大的算法及随机梯度等优化方法,能按照参数迅速仿真出需要的电路。从而大大减轻设计者的工作量。本电路是在介电常数εr=2.2,厚度H=0.254mm,金属厚度T=0.04mm的微带介质基片上进行仿真的。由于工艺上要采用金丝球焊技术,金丝的电感和电阻必然会影响移相器的性能,所以在仿真中必须将这两者考虑在内,这样仿真结果才能更准确,可以为以后的调试减轻很大的工作量,利用导线在自由空间的电感量L的计算公式:式中:l为金丝长度;d为金丝直径;Rs为金属表面电阻。本电路将采用的金丝d=25μm,l=0.4mm,Rs=0.03Ω,代入计算得L=0.275nH,R=0.15Ω。在ADS原理图仿真中直接将金丝的电感和电阻建立在二极管的等效模型中。在原理图中,我们直接采用二极管的等效模型进行仿真。首先对每一移相位进行单独的仿真,建立的电路仿真拓扑结构图如图3所示,然后将5位级联起来仿真。图4和图5给出了移相器主要性能参数指标的ADS仿真结果,各项性能指标都相当优越。为了减小级联后各个移相位间的相互作用而引起的移相器性能恶化,各个移相位的反射损耗都要小于16dB,在仿真优化时,应该对电路参数进行调整以获得最佳的仿真结果,不能简单套用所要求的设计参数,所以将每一移相位反射损耗优化值设为17dB,5位级联仿真结果仍然基本优于15dB,见图5。均方根相位误差计算公式:式中φi为所测各态的相移量,φ0为各态的标称值,本电路中n=25=32,在ADS数据显示窗口建立RMS的表达式即可获得在工作频段RMS的情况,从图5直接可以看出均方根相位误差整个带内基本上都小于3°,除了9.6GHz以下频段稍微高出一点外,这样基本符合要求。3先局部再整体对仿真出来的五位移相器要根据实际情况,进行必要的结构调整,这样才能使电路具有实用性。仿真时,要采用先局部再整