微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构

2018-03-13 来源:微波射频网作者:赵强 我要评论(0) 字号:

应Hugo Lin(林丰涵)邀请写一些宽带移相器的内容,看到这个题目自己着实没有把握,我对移相器仅限于理论了解。但本着工程师爱钻研的特质,我请教了周边的大拿,查阅了IEEE及国内的期刊,加上自己对其他无源及控制电路的经验,期望写出来的理解不至于产生误导。文章里面有纰漏的地方请大家留言探讨,共同进步。

近些年相控阵雷达快速发展,移相器在T/R中是必不可少的器件。每个辐射单元背后都有一个电控移相器控制相移,从而使天线孔径面的相位产生变化,实现波束灵活指向。这里主要介绍二极管开关移相器,对移相器的理解打算写两期,本期写一些单bit的移相结构,下期写一下常用4bit或6bit的可能结构。由于实践经验不足,这里我把个人学习移相器(主要是宽带移相器)时的疑问及现阶段的认知分享出来。

1、移相器和延迟线的区别

第一次接触移相器时,我下意识的想到用一节短传输线就实现了,实际上开关线移相器就是一节短传输线,但延迟线也是一节传输线,那移相器和延迟线到底有什么区别呢。我的理解如下:

基础公式:△φ=ω·△t
移 相 器:△φ恒定,则△t和ω成反比
延 迟 线:△t恒定,则△φ和ω成正比

一节传输线当没有色散的时候对任何频率都是等延迟的,严格来说传输线是一个延迟线。当带宽很窄的时候移相器可以用一节短延迟线实现,可以在一个相对窄的带宽里实现等相位移动,所以开关线移相器只能用在窄带情况下。

在信号带宽很宽的情况下,信号通过移相器时由于对各个频率的延迟不同,我个人理解实际上是色散效应,不知对系统使用是否有影响。

2、移相器的实现方式

移相器有图1所示的几种实现方式,可以看到(a)到(d)均是让信号产生时延差异来实现移相。图(f)是矢量调制移相器的基本原理,采用了正交矢量合成来产生移相。

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-移相器的实现方式

图1、移相器的实现方式

个人认为混合型、高低通型、矢量合成型是比较适合超宽带应用的结构。这里分享下我对每种结构的理解。

a)开关线移相器

开关线移相器的基本原理是让信号通过两段不同长度的传输线,从而产生移相,由于△t恒定,对于大一点的相移(例如22.5°)在高频时只能在很窄的带宽里实现移相的相位恒定。对于超宽带例如6~18G的情况,该方案无论在小相移还是大相移上并不理想。

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-开关线移相器常用移相态性能对比

图2、开关线移相器常用移相态性能对比

b)负载线移相器

负载线移相器产生移相的两个态的电路原理见图3所示,产生一个45°相移时的结果见图4所示。可以看出负载线式在中等带宽,中等相移时可以有比较好的表现。但在超宽带时负载线型移相器也不能很好的胜任。由于自己在滤波器及分支线电桥上有一定的经验,这里通过滤波器及分支线电桥理论来解释负载线移相器在超宽带应用中的限制。

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-负载线移相器的两个态(开关通断两态)

图3、负载线移相器的两个态(开关通断两态)

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-负载线移相器45°时的结果

图4、负载线移相器45°时的结果

· 滤波器观点对负载线移相器在超宽带应用中限制的解释

认真观察图3(a)的结构,可以知道这是一个典型平面高通的结构,(详细理论参考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第6章的内容),当并连线阻抗越高(线宽越窄)时,高通的截止频率越低,当并连线阻抗越低(线宽越宽)时高通的截止频率越高,从图4的传输响应中可以看到图3(a)的高通响应。

认真观察图3(b)的结构,可以知道这是一个典型平面低通的结构,(详细理论参考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第5章的内容),当并连线阻抗越高(线宽越窄)时,低通的截止频率越高,当并连线阻抗越低(线宽越宽)时低通的截止频率越低,从图4的传输响应中可以看到图3(b)的低通响应。

从图3 两个态的高低通特性分析中可知,并连线阻抗越高(线宽越窄),移相器的带宽越宽,并连线阻抗越低(线宽越宽)带宽越窄。如果要超宽带应用就需要极高的并联阻抗线,这样工艺条件就限制了负载线移相器的超宽带应用。同时也可以把负载线形式看成高低通形式移相器的特殊实现方式,在负载线形式的移相器中高低通共用了传输线结构。

· 分支线电桥观点对负载线移相器在超宽带应用中限制的解释

在前期的微波笔记《贝兹孔波导定向耦合器的实现》中用奇偶模观点解释了分支线电桥原理,奇模电路(图3(a)等效)实现了θ的相移,偶模电路(图3(b)等效)实现了-θ的相移,而θ可以代表耦合度。因此一个特定耦合度的超宽带的分支线电桥从对称面剖开就是一个理想的宽带移相器,但对超宽带分支线电桥了解的人都知道,这种电桥很难用微带线或平面电路实现,因为高阻抗线的工艺限制。

c)混合型移相器

混合型移相器一般用到较大的移相位,例如90°和180°位。混合型移相器的拓扑见图5

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-混合型移相器拓扑图

图5、混合型移相器拓扑图

所示,该种结构的相移带宽取决于两个分功率端的相移网络的带宽。通常可以实现大带宽,大相移。

如果两个分功率端直接短路,信号从输入端输入,从隔离端输出后可以产生90度相移,通过一个开关便可以实现宽带的90°相移位。

d)高低通型移相器

高低通型移相器是通过开关高低通两路信号产生不一样的时延差,从而实现移相作用,通过合理选择高低通的截止频率和结构,可以在很宽的频段内实现移相,例如图5的高低通结构可以实现6~18G的一个11°的移相,一般5.6°,11.2°,22.5°的移相位均可采用高低通结构来实现。当设计这些位数的移相器时就变成了如何设计一个开关高低通滤波器。

一个移相器实际上要实现一个随频率线性变化的时延,高低通滤波器的时延在一段频率内呈线性变化趋势,合理设计和利用这一段趋势是设计高低通移相网络的关键。

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-高低通移相器可以实现宽带性能

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-高低通移相器可以实现宽带性能

图6、高低通移相器可以实现宽带性能

e)矢量合成型移相器

矢量合成移相器的原理见图7所示,一个特定耦合度的90°电桥分成的两路信号经过合成器合成后可以使信号移相,移相相位同两个正交信号的电压大小相关。这也是矢量调制移相器的工作原理,这种移相器可以在宽带范围内实现连续相移,如移相精度达到1°。

微波笔记·我对移相器的理解(一)单bit的移相结构-矢量合成移相器原理

图7、矢量合成移相器原理

3、总结

由于对移相器仅限于在理论层面的了解,只是使用过,但无实际设计经验。根据现阶段对移相理论的认知及自己在其他宽带无源电路的经验,分析了超宽带移相器可能的拓扑结构,认知有限,期望通过交流自己也可以在这方面获得更大的提升。

作者:赵强 微信号:q_zhao_ls

简介:
2004~2011 华中科技大学 微电子学与固体电子学 硕士
2011~2015 中电29所西科微波通讯有限公司
2015~ 2018 华为技术有限公司
2018~至今 航天微电科技有限公司成都分公司

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