x波段數(shù)字移相器的ads設(shè)計(jì)

x波段數(shù)字移相器的ads設(shè)計(jì)

1微波移相器在軍事上的仿真研究微波采集裝置是一種微波控制電路，其主要功能是控制微波信號(hào)的相位，以滿足系統(tǒng)的需要。基于微波移相器廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是在軍事方面的應(yīng)用,進(jìn)行高性能高移相精度的數(shù)字移相器的仿真研究就具有非常重要的意義。Agilent公司的ADS軟件具有完整的設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化功能,能快速有效地設(shè)計(jì)仿真出需要的電路,可以大大提高設(shè)計(jì)的成功率,從而減輕設(shè)計(jì)者的工作量。2相移動(dòng)相器設(shè)計(jì)2.1均方根相位誤差工作頻率:9.5~10.5GHzRMS(均方根相位誤差):<3°插入損耗:<5dB插入損耗最大變化:±1dB回波損耗:<15dB承受功率:≥20W(連續(xù)波)2.2零偏和反向偏置狀態(tài)PIN二極管作為開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制,具有相移精度高、功率大、體積重量小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短、控制功率小、對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在正向偏置狀態(tài)下,PIN二級(jí)管管芯的等效電路如圖1(a)所示,其中Rj為I層的電阻,Cj為正向注入的載流子在I層邊界上產(chǎn)生電荷儲(chǔ)存所引起的擴(kuò)散電容,Rf為電極和引線電阻。在零偏和反向偏置狀態(tài)下,PIN二級(jí)管管芯的等效電路較復(fù)雜,需根據(jù)電壓的大小分情況討論:(1)在零偏壓和反向電壓較小時(shí),小于穿通電壓VPT,其情形如圖1(b)所示,其中耗盡區(qū)以電阻Rj和電容Cj并聯(lián)來(lái)表示,非耗盡區(qū)以電阻Ri和電容Ci并聯(lián)來(lái)表示,而Rf為電極和引線電阻。(2)反向偏置電壓大于穿通電壓VPT,此時(shí)I層完全穿通,其等效電路如圖1(c)所示,其中以電阻Rj和電容Cj來(lái)表示耗盡層,而Rf仍為電極和引線電阻。2.3元加載形式與傳輸線串聯(lián)或并聯(lián)的任何電抗,都會(huì)引入相移,移相器電路5位分別為180°,90°,45°,22.5°,11.25°。在0°~360°間以11.25°為步進(jìn)形成32個(gè)移相。180°,90°采用開(kāi)關(guān)線式,圖2(a)為開(kāi)關(guān)線式原理圖,為了避免插入損耗諧振現(xiàn)象,使用電容連接適當(dāng)長(zhǎng)度的接地線對(duì)斷開(kāi)支路加載,使其在工作頻段內(nèi)遠(yuǎn)離諧振峰;在移相的整個(gè)過(guò)程中,移相器的輸入端和輸出端之間一直處于導(dǎo)通狀態(tài),因此就要求在兩種狀態(tài)下輸入端都要良好匹配。此外還要求兩種移相狀態(tài)下插入損耗很小,并且盡可能相等,否則兩種狀態(tài)下輸出信號(hào)大小不同引起寄生調(diào)幅;兩條傳輸線相互距離要足夠遠(yuǎn),以避免相互耦合造成衰減和相位誤差。45°,22.5°,11.25°采用負(fù)載線型,因?yàn)樨?fù)載線型電路形式簡(jiǎn)單,引入電路的插損小,小角度移相時(shí)的駐波低,移相精度較好和峰值功率容量大,圖2(b)即為二元加載形式移相器。負(fù)載線間距離為1/4波長(zhǎng),這樣可獲得最佳電壓駐波比。在形式上采用主線加載開(kāi)路支節(jié)的形式,這樣高阻抗?fàn)顟B(tài)下的電容Cj和低阻抗下的電感Ls就直接用作B1和B2,電納由式(1),式(2)給出:其中L=Ls+Le,Le為與器件串聯(lián)的外接電感。采用主線加載開(kāi)路支節(jié)的形式在以后的調(diào)式中便于調(diào)試。5個(gè)相移位呈線形級(jí)聯(lián)布置。2.4基于fpga-l的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法ADS具有強(qiáng)大的算法及隨機(jī)梯度等優(yōu)化方法,能按照參數(shù)迅速仿真出需要的電路。從而大大減輕設(shè)計(jì)者的工作量。本電路是在介電常數(shù)εr=2.2,厚度H=0.254mm,金屬厚度T=0.04mm的微帶介質(zhì)基片上進(jìn)行仿真的。由于工藝上要采用金絲球焊技術(shù),金絲的電感和電阻必然會(huì)影響移相器的性能,所以在仿真中必須將這兩者考慮在內(nèi),這樣仿真結(jié)果才能更準(zhǔn)確,可以為以后的調(diào)試減輕很大的工作量,利用導(dǎo)線在自由空間的電感量L的計(jì)算公式:式中:l為金絲長(zhǎng)度;d為金絲直徑;Rs為金屬表面電阻。本電路將采用的金絲d=25μm,l=0.4mm,Rs=0.03Ω,代入計(jì)算得L=0.275nH,R=0.15Ω。在ADS原理圖仿真中直接將金絲的電感和電阻建立在二極管的等效模型中。在原理圖中,我們直接采用二極管的等效模型進(jìn)行仿真。首先對(duì)每一移相位進(jìn)行單獨(dú)的仿真,建立的電路仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示,然后將5位級(jí)聯(lián)起來(lái)仿真。圖4和圖5給出了移相器主要性能參數(shù)指標(biāo)的ADS仿真結(jié)果,各項(xiàng)性能指標(biāo)都相當(dāng)優(yōu)越。為了減小級(jí)聯(lián)后各個(gè)移相位間的相互作用而引起的移相器性能惡化,各個(gè)移相位的反射損耗都要小于16dB,在仿真優(yōu)化時(shí),應(yīng)該對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的仿真結(jié)果,不能簡(jiǎn)單套用所要求的設(shè)計(jì)參數(shù),所以將每一移相位反射損耗優(yōu)化值設(shè)為17dB,5位級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果仍然基本優(yōu)于15dB,見(jiàn)圖5。均方根相位誤差計(jì)算公式:式中φi為所測(cè)各態(tài)的相移量,φ0為各態(tài)的標(biāo)稱值,本電路中n=25=32,在ADS數(shù)據(jù)顯示窗口建立RMS的表達(dá)式即可獲得在工作頻段RMS的情況,從圖5直接可以看出均方根相位誤差整個(gè)帶內(nèi)基本上都小于3°,除了9.6GHz以下頻段稍微高出一點(diǎn)外,這樣基本符合要求。3先局部再整體對(duì)仿真出來(lái)的五位移相器要根據(jù)實(shí)際情況,進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)調(diào)整,這樣才能使電路具有實(shí)用性。仿真時(shí),要采用先局部再整