第八章微波控制電路(2.數(shù)字移相器)

1、微波電子線路第七章 微波電子線路pin管數(shù)字移相器 用pin管作為控制元件的移相器稱為pin管移相器。按照移相量的變化方式不同，pin管移相器可分成模擬移相器和數(shù)字移相器兩種。前者移相量在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可變，后者移相量只按照一定的量值作步進(jìn)變化，如22.5度、45度、67.5度、90度.等。為了實(shí)現(xiàn)相移量的步進(jìn)變化，數(shù)字相移器通常由幾只單元移相器級聯(lián)組成，每只單元移相器構(gòu)成數(shù)字移相器的一個位，如三位移相器是由三個單元移相器組成，即45度移相器單元、 90度移相器單元、 180度移相器單元級聯(lián)構(gòu)成，它可以完成0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度等八種移相狀態(tài)，

2、最小步進(jìn)為45度。因?yàn)檫@種移相器的每個單元只有兩個固定移相量，很容易用二進(jìn)制碼進(jìn)行控制。如用數(shù)碼“0”與單元0度相對應(yīng)，用數(shù)碼“1”分別與單元移相器的移相量相對應(yīng)。 微波電子線路 在微波控制電路中，常用的移相器主要的是數(shù)字移相器。近年來數(shù)字移相器大量應(yīng)用于雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域中，用它控制每個輻射單元的相移，以實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描。 相移器主要的技術(shù)指標(biāo)是；中心頻率、頻帶寬度、移相精度、插入衰減、輸入駐波系數(shù)、功率容量等。 目前，作為單元移相器主要有一下幾種類型；開關(guān)線型移相器、加載線型移相器、3db定向耦合器型移相器。我們分別介紹他們的分析方法和設(shè)計(jì)方法。 1、開關(guān)線型移相器 我們知道，微波信號通過

3、一段均勻傳輸線后，會引起相位的變化。傳輸線輸出端的信號比輸入端的信號相位滯后由此可以看出一段均勻傳輸線可以作為一只移相器。右下圖可以看出采用開關(guān)電路使微波信號從兩條電長度不同的傳輸線通過，從而得到兩種不同lg2 微波電子線路的相移量。利用這個原理做成的移相器稱為開關(guān)型移相器。這類移相器中使用的開關(guān)，通常是兩只同步控制的pin管單刀雙擲開關(guān)。兩條不同電長度的傳輸線可以是一般的均勻傳輸線，也可以是加載線。把電長度較短的一條傳輸線稱為“參考相位通道”，把電長度較長的一條傳輸線稱為“延遲相位通道”。若把“參考相位通道”輸出端的信號相位定為零度，則“延遲相位通道”輸出端的信號相位為 上式表明，用一般均勻

4、傳輸線組成的開關(guān)線移相器是窄帶的，因?yàn)?與頻率成正比。lg2 微波電子線路我們設(shè)計(jì)一個中心頻率為1592.5mhz開關(guān)線型三位數(shù)字移相器。如下圖所示； 微帶線的介質(zhì)基片為陶瓷，介電常數(shù)為9.6，介質(zhì)基片的厚度為0.8mm50歐姆微帶線的線寬為0.8mm , 有效介電常數(shù)為6.3898 微帶線長度中心頻率 1592.5mhz 波長188.383cm (74.5243mm)180度對應(yīng)長度 94.1915mm (37.2622mm) 90度對應(yīng)長度 47.0957mm (18.6311mm)45度對應(yīng)長度 23.5478mm (9.3155mm)低邊頻率 1520mhz 波長197.3684mm

5、(78.0789mm)180度對應(yīng)長度 98.6842mm (39.0395mm) 90度對應(yīng)長度 49.3421mm (19.5197mm)45度對應(yīng)長度 24.6711mm (9.7599mm)高邊頻率 1665mhz 波長180.1802mm (71.2793mm)180度對應(yīng)長度 90.0900mm (35.6396mm) 90度對應(yīng)長度 45.0450mm (17.8198mm)45度對應(yīng)長度 22.5225mm (8.9099mm)中心頻率時 180度對應(yīng)長度 37.2622mm 總誤差 8.2度當(dāng)頻率為 1520mhz 180度相移 實(shí)際相移為171.8度 誤差 -8.2度當(dāng)頻率

6、為 1665mhz 180度相移 實(shí)際相移為188.2度 誤差 +8.2度中心頻率時 90度對應(yīng)長度 18.6311mm 總誤差 4.1度 當(dāng)頻率為 1520mhz 90度相移 實(shí)際相移為85.9度 誤差 -4.1度 當(dāng)頻率為 1665mhz 90度相移 實(shí)際相移為94.1度 誤差 +4.1度 中心頻率時 45度對應(yīng)長度 9.3155mm 總誤差 2.05度 當(dāng)頻率為 1520mhz 45度相移 實(shí)際相移為42.95度 誤差 -2.05度 當(dāng)頻率為 1665mhz 45度相移 實(shí)際相移為47.05度 誤差 +2.05度 , , 2、加載線型型移相器 我們知道，微波信號通過一段電長度為 的均勻傳

7、輸線，相移量為 。當(dāng)工作頻率和傳輸線的機(jī)械長度固定時，這個相移量也是固定的。如果在傳輸線的輸入端、輸出端個并接一個電納 ，則當(dāng)電納變化時，輸出信號的相位也隨之改變。利用這個原理做成的移相器稱為加載線型移相器。 在加載線型移相器中，并聯(lián)電納一般由pin管和一段傳輸線組成。由于pin管正反偏置狀態(tài)下其阻抗具有不同的數(shù)值，從而使得移相器得到兩個不同的相移量。所以加載線型移相器實(shí)質(zhì)上是借助于pin管工作狀態(tài)的改變，給并聯(lián)電納以微擾，引起電長度的變化而實(shí)現(xiàn)移相的。下圖是加載線型移相器原理圖。 jb上圖左邊是一個加載線型移相器，它是由三個兩端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)構(gòu)成的，加載線型移相器的輸入端口和輸出端口接特性阻抗為

8、 的均勻傳輸線，則它們的轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣為； 101cossinsincos1010101jbzjjzjbasincossinsincos2(sinsincos01012010101bzzbybjjzbz由于這個網(wǎng)絡(luò)是個對稱網(wǎng)絡(luò)、可逆網(wǎng)絡(luò)，可等效為一段均勻傳輸線，其轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣為； cossinsincos00zjjzae該段均勻傳輸線的特性阻抗為 ，電長度為 。在兩段匹配的情況下， 即為移相器的相移量。因此只要求出這段等效傳輸線的參數(shù)就可以得出移相器的相移特性。為了得出等效關(guān)系，可令兩個轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣相等，即0z aae101cossinsincos101cossinsincos010100jbz

9、jjzjbzjjzsincossinsincos2(sinsincoscossinsincos0101201010100bzzbybjjzbzzjjz由上式可得；sincoscos01bzsinsin010zz sinsin010zz 也可以寫成；sinsin010yy 對上式兩邊同時取平方可得；222012220120sincos1sinsinyyy222012220120sincos1sinsinyyy2222010122012201201sinsincossin2cos1sin)sin(cos1bzbzybzy)cot21 (012201201bzbzy0cot201220120byby

10、y對上式整理可得；0)(cot220120012yybyb解上面的一元二次方程可得；2022010120120220101)cot1 (2)(4cot4cot2yyyyyyyb 2022010120220101csccotcsccotyyybyyyb 為pin管導(dǎo)通時的電納， 為pin管截止時的電納。由 可求出bbsincoscos01bz)sinarccos(cos01bzpin管導(dǎo)通時的相位為 ，pin管截止時的相位為 。202201010101csccot(sinarccos(cos)sinarccos(cosyyyzzb)sin1arccos() )csc(sin(cosarccos(

11、cos2201202022012201zyyyz220120sin1coszy2201202sin1coszy 2201202sinsinzysinsin010zy220120010sin11sincos1sin2tanzyzy2222tan2tan12tan2tan)22tan(2tansinsin1010220120zyzy220120010sin11sincos1sin2tanzyzy同理可得；由上式可以求出2secsin001yy則)2tancos2(sec)2tancos2(sec00ybyb 按照上述方程設(shè)計(jì)移相器，雖然在中心頻率上駐波系數(shù)等于1，相移誤差為零，單偏離中心頻率時，因

12、 和 都是頻率的函數(shù)，相移量和駐波系數(shù)將隨頻率變化而變化。所以，當(dāng)移相精度和駐波系數(shù)規(guī)定時，移相器的帶寬就受到限制。進(jìn)一步分析表明移相器的帶寬與 有關(guān)。當(dāng)駐波系數(shù)小于1.2，相位誤差小于2度時，對于45度移相器來說， 90度時，相對帶寬為20, 而 80度時，相對帶寬為15。所以 值要根據(jù)實(shí)際的需求來選擇或計(jì)算。 加載線型移相器并聯(lián)電納的一種實(shí)現(xiàn)方法加載線型移相器并聯(lián)電納的一種實(shí)現(xiàn)方法加載線型移相器并聯(lián)電納的實(shí)現(xiàn)可采用并聯(lián)支節(jié)線的方法，從下圖可以看出；bb由圖可知，端接pin管的傳輸線的輸入阻抗為；202202tantanddinjzzjzzz輸入阻抗的實(shí)部很小忽略它，則；ininjby)ta

13、n(tan20202022zxzzxbddin輸入電納應(yīng)等于并聯(lián)電納，所以 bbin bbin)tan(tan20202022zxzzxbdd)tan(tan20202022zxzzxbdd根據(jù)上式可以求出；2102)1 ()1 ()1 ()1 (bxxbxxbxbbxbydddddd)1arctan(022ybxxbddpin管正向阻抗和反向阻抗 由下式給出，反向阻抗為dddjxrz222)(prrrpdxxrrxr222)()(prrprprrpdxxrxxxxrxx正向阻抗為；222)(pfffpdxxrrxr222)()(pffpffpfpdxxrxxxxrxx式中；rsrclx1pp

14、cx1sflx加載線型移相器的設(shè)計(jì)加載線型移相器的設(shè)計(jì)1. 根據(jù)移相器所要求得功率容量、工作頻帶、插入損耗等設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇合適的pin管，然后對所選擇的pin管進(jìn)行測量，測出它們在正反向偏置下的阻抗參數(shù)，并進(jìn)行配對選擇。2、根據(jù)要求的相移量 和外接傳輸線的特性導(dǎo)納 計(jì)算加載線的特性導(dǎo)納 , ,和并聯(lián)電納 。根據(jù)所要求的帶寬，選擇 即選擇 ( ) , 確定后 也就確定了b,b.0y01y02y2secsin001 yy)2tancos2(sec)2tancos2(sec00ybyb12lg1l01ybb3、計(jì)算pin管正反向阻抗，從而計(jì)算 ， （ ）02z2222lg222)(prrrpdxxrr

15、xr222)()(prrprprrpdxxrxxxxrxx222)(pfffpdxxrrxr222)()(pffpffpfpdxxrxxxxrxx2102)1 ()1 ()1 ()1 (bxxbxxbxbbxbydddddd)1arctan(022ybxxbdd4、確定微帶線參數(shù)（介質(zhì)基片的介電常數(shù)、介質(zhì)基片的厚度），根據(jù)中心頻率，計(jì)算加載線性移相器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸。5、設(shè)計(jì)偏置電路。6、將設(shè)計(jì)完成的加載線性移相器的結(jié)構(gòu)尺寸代入微波電路設(shè)計(jì)軟件(如ads)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為止。 兩支節(jié)加載線移相器，最大相移量為45度，大于45度可采用三支節(jié)加載線移相器。為了減小長度，可將中間的

16、兩個支節(jié)并聯(lián)。 我們舉一個例子來說明設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)一個頻率范圍從 1520mhz 到1665mhz一個移相45度的加載線型移相器。中心頻率為1592.5mhz，相對帶寬為9.1。pin管的參數(shù)為； =0.5pf =0.3pf =0.5nh =1歐姆 =1.5歐姆（典型參數(shù)）計(jì)算pin管正反向阻抗rcpc sl rr fr psrclx1 ppcx1 sflx222)(prrrpdxxrrxr 222)()(prrprprrpdxxrxxxxrxx222)(pfffpdxxrrxr 222)()(pffpffpfpdxxrxxxxrxx=1.50歐姆=0.2538歐姆=-165.4歐姆=-5.0

17、8歐姆計(jì)算并聯(lián)電納 ， 和b b 01z 4142. 0)2tancos2(sec4142. 0)2tancos2(sec00ybyb066. 12secsin001yy9238. 010101yz計(jì)算支節(jié)線的特性阻抗和電長度6861. 0)1 ()1 ()1 ()1 (2102bxxbxxbxbbxbydddddd4574. 110202yz)1 .125(1835. 2)1arctan(022ybxxbdd最后設(shè)計(jì)偏置電路。3、3db定向耦合器型移相器上圖是一個3db定向耦合器型移相器的示意圖，我們首先分析3db定向耦合器（也稱分支線定向耦合器）的特性， 3db定向耦合器理想的s參數(shù)為；

18、000000002144434241433332314232222141312111jjjjjjjjejeejejeejeesssssssssssssssss當(dāng)2端口和3端口接反射系數(shù)為 和 的負(fù)載時，1端口輸入信號，則1端口和4端口的輸出信號為；222je333je131313121212331322123132121assassbsbsasasb131343121242334322423432424assassbsbsasasb將s參數(shù)代入上式可得；13221313131212121)(21aeassassbj13221313431212424)(21ajeassassbj端口2和端口3所

19、接負(fù)載的反射系數(shù)相等，其反射系數(shù)的模為1（假定負(fù)載是由純電抗構(gòu)成），反射系數(shù)為；jjee32所以1端口和4端口的輸出信號為；)2(410jjebb由分析得出2端口和3端口接反射系數(shù)為 的負(fù)載時，1端口輸入信號，則信號由4端口輸出，1端口沒有輸出。終端負(fù)載是有兩只完全相同的pin管構(gòu)成的，pin管導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)的相移量，取決于pin管導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)下反射系數(shù)的相位差，即jjee32我們知道反射系數(shù)與電納的關(guān)系可以寫成如下形式；2212111bbjbjbjbej反射系數(shù)的相位可以表示為如下形式；12tan2bb btan barctan 2tan1tantan2tan2 令；則；于是bar

20、ctan22pin管正向偏置時其電納為 ，反向偏置時其電納為 相應(yīng)反射系數(shù)的相位為 ， 移相器輸出信號的相位變化量為； b b barctan2barctan2)(2)arctan(arctan2bb)1arctan(2bbbbbbbb1tantan1tantan)tan(2tan上式給出相移變化量與pin管正反偏置下等效電納的關(guān)系，若使相移變化量為180度，就必須滿足下面的關(guān)系；由此可見，為滿足一定的相移量，pin管正反向偏置時的電納必須具有一定的數(shù)值。但是，實(shí)際應(yīng)用的pin管，其電納參數(shù)不一定滿足這個要求，因此實(shí)用的3db定向耦合器型移相器不能簡單地把pin管直接接在定向耦合器的平分臂上，而是需要在pin管和定向耦合器之間加上一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，把pin管的電納變換到所需要的數(shù)值。180 1bb在一般情況下，對于給定的定向耦合器和pin管，通過調(diào)節(jié)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中的各段傳輸線的阻抗和長度，可以使移相器獲得較好的性能。在參考面 處的總電納為；)2)cot(cot(2tan1010