移相器基本原理與仿真設(shè)計

隨著衛(wèi)星通導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用場所的不斷擴大，動態(tài)與衛(wèi)星實現(xiàn)信號交換的愿望日益增加，相位可調(diào)的天線陣列通過改變移相器使得波束方向隨時對準(zhǔn)衛(wèi)星實現(xiàn)信號互換。數(shù)字移相器是相控陣天線射頻前端的核心器件，整個天線陣列依靠移相器來完成波束掃描，其相移精度和響應(yīng)速度等指標(biāo)的好壞直接影響整個鏈路性能。在相控陣天線陣列中需要成百上千的 T / R 組件，所以對 T / R 組件進行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計就要求移相器還要具有尺寸小、重量輕、精度高、成本低的特點。

國外對數(shù)字移相器的研究開展較早，由于設(shè)備先進，工藝成熟，主要采用單片微波集成電路（ mon- olithic microwave integrated circuit，MMIC） 技術(shù)進行研究。中國早期對混合集成電路形式的微波數(shù)字移相器研究較多，但現(xiàn)在國內(nèi)各研究所也已經(jīng)著手設(shè)計出各波段 MMIC 移相器，但其電路性能和指標(biāo)有待繼續(xù)優(yōu)化。現(xiàn)首先闡述移相原理，根據(jù)仿真經(jīng)驗得出一種增加短支截提高相移平坦度的開關(guān)線改進方法，然后設(shè)計一款適用于衛(wèi)星通信的數(shù)字移相器，預(yù)期指標(biāo)是在 1. 995 ～ 2. 185 GHz 頻段里，中心頻點處相移差低于 ± 1°，插損低于 3 dB，駐波比優(yōu)于 1. 5，尺寸小于30 mm × 30 mm。

1基本原理

1.1 移相器基本原理

數(shù)字移相器常由微波控制器件、微帶線或集 總元件構(gòu)成。通過變換微波控制器件的偏壓，使 得信號在兩狀態(tài)下走過的相對路徑不同才出現(xiàn)了相位差。PIN 開關(guān)插損低、速度快、尺寸小、不受溫度影響，常用在射頻電路設(shè)計中。因此將使用 PIN二極管作為開關(guān)，完整電路是 6 個相移單元依次連接組成，不同相移單元均可產(chǎn)生一個預(yù)期相位。利用切換每個移相電路中開關(guān)的控制電壓，相移器實現(xiàn)在 0° ～ 360° 周期內(nèi)，步進為 5. 6°，可達到 26 = 64 個不同的相位。該移相器整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 移相器整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 移相單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

微波移相電路是采用切換開關(guān)器件的電壓使其通斷，以實現(xiàn)信號相位變化的。電路中電抗串接或并接在微帶線上均會使相位發(fā)生變化，因此有較多的移相電路種類。但結(jié)合現(xiàn)實生產(chǎn)與需求后，滿足設(shè)計要求的電路種類范圍縮小。常用在設(shè)計中的有如下類型： 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)型、加載線型、反射型、集總元件型等。由于考慮移相器精度、尺寸、插損等指標(biāo)因素，僅列舉了加載線型、高低通濾波器型與開關(guān)線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（ 1） 負(fù)載線型拓?fù)涫峭ㄟ^切換開關(guān)的導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)，對傳輸微帶上串或并入不同大小的電 抗來實現(xiàn)相位改變的。加載線拓?fù)湓诋a(chǎn)生小相位 中，拓?fù)浜啽恪p耗低、駐波比優(yōu)良、精度高，所以5. 6°、11. 2°、22. 5°移相位采用此電路結(jié)構(gòu)，圖2（ a） 、圖 2（ b） 分別給出加載線型移相器的電路結(jié)構(gòu)和等效模型。

圖 2 加載線型移相單元拓?fù)?/p>

開關(guān)的通斷不同狀態(tài)使得主微帶線上加入兩個并聯(lián)電納 jB1 和 jB2 ，此時兩態(tài)可看作電長度為 φ1與 φ2 的傳輸線，則所需相移為 Δφ = φ1 － φ2 。若想要電路得到較好的匹配，要求各短截線的電納引起的反射在相移電路的輸入口相互抵消。所以主線的電長度采用 θ = π/2，可令 B1 和 B2 互為共扼?？傻玫?B1 與 B2 的表達式如下： 其中 Y=1S/50是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)納。

（ 2） 對于大于 45 ° 的度數(shù)來說常利用開關(guān)線型拓?fù)鋵崿F(xiàn)相移。雖說其結(jié)構(gòu)簡單，但在指定頻率中，相移量會隨著頻率的偏移而偏離中心，很難在整個頻帶內(nèi)達到所要求的相移，因此文中介紹了如圖 3 （ a） 所示的混合型高低通濾波器實現(xiàn)移相。此設(shè)計避免了電感過多引起的尺寸增大以及其他寄生效應(yīng)對移相器的移相精度的影響。

圖 3 大相位移相單元拓?fù)?/p>

下面分別給出了 T 型與 π 型高通網(wǎng)絡(luò)電抗元件電感 L 和電容 C 與相移量的函數(shù)，Z0 = 50 Ω。

式中： Δφ 為所需相移量; ω 為角頻率。

經(jīng)過計算與優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)高低通濾波器中集總元件的數(shù)值無法精確到小數(shù)點后兩位，在實際生產(chǎn)中難以得到，所以在利用加載線移相電路的原理對傳統(tǒng)的開關(guān)線型移相單元進行改進，在主路上面并聯(lián)多條四分之一波長的短支截來調(diào)整移相單元的駐波與平坦度，其原理圖如圖 3（ b） 所示： 此改進型開關(guān)線移相電路使得兩通路的相位曲線的斜率相接近，從而達到提高平坦度的目的。短支截的長度寬度可在設(shè)計中設(shè)為變量，具體數(shù)值可在仿真中優(yōu)化得出。

2仿真設(shè)計

移相器主要設(shè)計指標(biāo)為： 工作頻率為 1. 995 ～185 GHz，中心頻點處相移差低于 ± 1°，插損低于 3 dB，駐波比優(yōu)于 1. 5。設(shè)計中采用微波復(fù)合介質(zhì)基板，介電常數(shù) εr = 16，介質(zhì)板高 H = 0. 8 mm，采用四層板的設(shè)計方案，導(dǎo)體厚度 T = 50 μm，傳輸線特性阻抗為 50 Ω，計算出線寬為 0. 19 mm，傳輸線導(dǎo)體電導(dǎo)率 Cond = 5. 88 × 107 ，PIN 二極管選用 MACOM 公司生產(chǎn)的型號是 MA4P303-134，SP- DT（ 單刀雙擲開關(guān)） 采用 CEL 公司的 CG2179M2，該芯片插損較小，控制電路簡單，開關(guān)速度快，符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 5. 6°、11. 2°、22. 5°仿真建模

由于 3 個移相單元的電路拓?fù)湎嗤?，只是加載短截線的長寬和主傳輸線的長度不同，因此只給出5. 6°移相器在 ADS 軟件中的仿真模型，如圖 4 （ a）所示。

圖 4 5. 6°移相單元仿真模型

依據(jù)原理圖設(shè)定 PIN 二極管導(dǎo)通與截止時信號的輸入、輸出端口分別為端口 1、2、3 和 4，此處只展示導(dǎo)通時仿真模型圖。加入偏置電路后仿真結(jié)果出現(xiàn) 偏差，所以利用 ADS 優(yōu)化功能后，主傳輸線長度與加載線的長度均有所變化，且主傳輸線并聯(lián)短支截提高 了相位平坦度。其模型如圖 4（ b） 所示： 其余兩個相位的參數(shù)可通過 Txline 計算結(jié)合仿真優(yōu)化后得出。

2.2 45°、90°和 180°仿真建模

由于 45°、90° 與 180° 相移單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，只是相對通路的長度不同，分別計算出相對通路的 長度值，給出改進型開關(guān)線實現(xiàn)大相位相移的仿真模型。為了節(jié)省篇幅，只給出 90° 建模仿真設(shè)計。傳統(tǒng)型與改進后 90°移相電路模型分別如圖 5 （ a） 、圖 5（ b） 所示。

圖 5 90°移相單元仿真模型

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)一條短支截雖然改善了平坦度，但是對于本設(shè)計來說并不明顯，所以在多次改善仿真模型后，提出一種采用并聯(lián)多截短支截的方式來達到提高平坦度與改善駐波的目的。傳統(tǒng)型與改進型開關(guān)線仿真結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 仿真結(jié)果對比

圖 6 結(jié)果顯示，傳統(tǒng)開關(guān)線型結(jié)構(gòu)高低頻相移差達到 8. 3°，而改進型開關(guān)線型結(jié)構(gòu)高低頻相移差僅為 0. 3°，由此可見此改進型的開關(guān)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可顯著提升相位平坦度。

2.3 級聯(lián)仿真

仿真確定各移相單元采用的拓?fù)浜螅瑢⒘鶄€移相單元級聯(lián)起來，對整體電路進行綜合仿真。級聯(lián)結(jié)果顯示，移相器級聯(lián)以后的性能受單個移相器駐波比的影響，因此設(shè)計與優(yōu)化時應(yīng)取使電路駐波較好的數(shù)值，其次級聯(lián)時可按照中間駐波大、兩邊駐波小的原則放置各移相單元。將各移相單元打包后得到的二端口器件級聯(lián)起來，得到六位移相單元布局如圖 7 所示。

圖 7 級聯(lián)仿真模型

圖 7 中移相單元按駐波優(yōu)劣的順序依次為90°、22. 5°、45°、180°、5. 6°與 11. 2°。

3仿真結(jié)果分析

對仿真出來的六位移相器，要根據(jù)移相精度、駐波以及插損等指標(biāo)對各部分再次進行優(yōu)化調(diào)整，參數(shù)與需求不符，先將單個移相單元繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化，而后把仿真結(jié)果用于整體仿真，不斷調(diào)整使得性能滿足設(shè)計目標(biāo)，仿真數(shù)據(jù)達到目標(biāo)后就可以繪版圖加工，完成裝配調(diào)試。這樣才能使電路具有可靠性與實用性。其仿真結(jié)果如圖 8 所示。

由駐波與回波損耗換算公式如下：

式（ 8） 中： S11 為各端口的回波損耗。

可以得出，在 1. 995 ～ 2. 185 GHz 范圍中，級聯(lián)電路駐波優(yōu)于 1. 45，插損低于 1. 35 dB，且在中心頻率處相移偏差小于 ± 0. 6°，故該仿真結(jié)果符合設(shè)計要求。