毫米波四位数字移相器设计，张大炜，延波，本文以Ka波段数字移相器为例，经过分析和试验研究，采用加载线和反射型移相方式，并利用PIN二极管作为开关元件，实现了在毫米波频�
山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 廾关反射系数相位的变化就是输出信号相位的变化。由于实际上廾关并非理想廾关,在导通 和截止两种状态时的电抗值也不相等,此外,还希望这种分支线移相器能提供其他相移量。 因此实际的电路中在3、4端凵同时加载开关和电抗网络。 假设在加载开关和电抗树络后,在分支电桥3、4端口呈现的归一化电纳是4(+表 示正、反两种状态的电纳值),则相应两种状态的反射系数是: F=/11 2 12 (2.1 由上式得 (2.2) 相移量就是 △中=p (23) 在设计移相器时,△是给定的指标,它决定了对+、的要求。把公式(2,2)、(23) 进行化简,得到: △p=2 (24) 例如,当∧办为45°、90°、180°时,要求和必须分别满足下述关系式 =0414(△=45) (2.5) 1+ (△p=90°) (2.6) (△d=180) (27) 以上对、要求的实现,需要根据所用开关元件的实际参数,选择合适的电抗网络 拓扑,再用计算机对电抗网络进行优化设计。 移相器的设计 射频电路形式 微带是最常用的微波毫米菠传输媒介,它具有很多优点,例如费用低,体积小,重量轻,没有 苛刻的加工要求,没有截至频率,易于有源器件集成化,可采用光刻方法制作电路,具有良好的 可重复性和再制作性。工作可靠性高,易于批量生产以及与单片电路貝有兼容性等。微带线 的不足在于损耗较大,功率容量较低。考虑到电路性能的各方面要求,要使其在达到性能指标 要求的前提下,体积尺寸尽量的小,重量尽量轻成木也要降低,所以微带电路形式是最好的选 择。二极管数竽移相器的缺点是损耗大。另外由于PIN二极管参薮在电路中起着非常关键 的作用,又由于其参数的不确定性,所以在设计中,电路原理图中的PN二极管都是当作理想 开关,由于实际使用中的¨极管的导通和截至状态下,并不是理想开关,所以在用软件设计的 过程中采用了二极管等效电路,而在电路的调试过程中,就具体的电路进行微调,使之达到预 期的目标。 山国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 各类型移相器的比较 山于相搾阵雷达已经进入实用阶段,故二极管移相器也日趋成熟。综合移相器的几种类 间⑦,从相移和驻波特性、衰减、电路结构的复杂程度,以及应用二极管数量的多少这 几个方面来考虑。开关线移相器,小移相位(2.5°和45°位)的尺寸可以做的很小,在8 %的带宽内,其相移的变化量不人,而对于人移相位,且对相位变化要求较高的场合,显然 已经不能满足要求。加上其每位都需要四个二极管,所以不是很经济。另外,其损耗比加载 线型也大的多。加载线移相器通常用于小移相位。因为用于小移相位时,其性能指标较好, 衰减小,峰值功率容量大,驻波也低。但是由于市售的二极管参数限制,在电路中常常需要 进行阻抗变换,所以会使屯路的损耗增大。目前相控阵的四位移相器中,往往用它作22.5°、 45位移相器。当相移量再增大时,必须将几个小移相位连起,但这样电路较复杂,一极 管用量多,也并不是很经济。反射型移相器,它的极管用量要比开关线型的少一倍。其插 入损耗随着移相位的増大而增加。高通一低通型移相器适用于频率较低的场合,优点是频带 宽,体积小。对于具体的四位移相器,所有的移相位都采用相同的形式,还是采用混合形式, 要视具体的要求而定。 本文设计的移相器频段位于Ka频段,中心频率是34.2GHz。由于频率比较高,无论是 改计的难度,还是加工的精度都要求很高。国外有很多文献报道包括 MMIC MEMS和混合 集成等形式,我们米用了混合集成技术。栘相器的结构多种多样,常用的有开关式、加载线 式、分支电桥式等ε这儿种结构各有优缺点,廾关式移相器的优点是原理简单,结构上易实 现,插损与相移大小无关;缺点是传输线长度达到某个频率的半波长时,将广生谐振现象, 从而增大插损。加载线移相器的相移量和驻波比随频率而变化,因此工作频带较窄。在相移 误差和输入驻波比要求相同的情况下,移相的度数越小,相对带宽越宽,因此加载线型移相 器都用在较小的相移量情况。分支电桥式的特点是管子少,传输损耗低,输入、输出相对易 实现宽带配,适于大相移情况。对于分支线式移相器的缺点是两端口的失配会引起相移变 化。在电路方面,结合指标要求,本文在22.5°和45°采用加载线型移相器,在90°和180° 釆用3dB电桥式移相器,这不仅在前期的设计中和在加工时会相对简单,而且后期的调试 也相对容易。由于输入输岀均需匹配到50Ω,为了减小损耗,在电路结构中应尽量避免阻抗 变换,而且为了使3dB电桥的设计更加符合要求,于是在设计中主传输线均采用均匀719 微带线。根据前面四种移相形式的比较,在22.5°和45°都采用加载线的形式。拓扑模型如 图4所示。90°和180移相位的拓扑模型如图5所示。 图422.5度和45度移相位的拓扑模型 图590度和180度移相位的拓扑模型 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 四位移相器的实现 根据上节确定的四位数字移相器的设计方案,把各个单元级联起来,得到如图6所示 的毫米波四位数字移相器电路版图。如图6所示,为了利用腔体空间,特意把90度相移 位和180度相移位分置两边。由于设计和优化时是每一位单独设计的,所以各个单元移相 位级联起来以后,可能会使相位误差、插入损耗、以及驻波比等指标恶化,实际电路中要完 全消除这种影响是不太可能的,只能尽量减小这种影响,最根本的方法是各移相位单独设计 时尽量减小输入和输出端的驻波比。射频电路基片是 Duroid5880,介电常数εr=2.22,基 片厚度是0.254mm;驱动电路基片是FR-4,基片厚度是1mm;各相移位所用二极管是 DS〔6474-000,它的反偏电容是0.02p,正偏电阻是4欧姆,其封装形式是梁式引线,正偏 和反偏时的等效电路分别用0.02pF的电容和4欧姆的电阻等效。 F out 度 二极曾 度 图6Ka波段四位数字移相器电路版图 四位移相器的测试的测试及结果分析 (1)开启直流电源和所有测试仪器,预热半小时。直流供电:±5V,就是在测试加电 前应将直流电压置为±5V。所有输出开关的宜沇电源置为“输出开”的状态 (2)将矢量网络分析仪E8363B一端凵输出功率设为0dBm,在频率33.5-35GHz 的范围内进行校准。与被测亳米波四位数字移相器按图7连接。保证所有必须的接地线连 接良好。 (3)将调整好的±5V直流及TTL电平输出对应的连接线直接接在毫米波四位数字移 相器上。 (4)开启矢量网络分析仪射频输出,在33.9GHz、34.2GHz和34.5GHz开路状态下 测出此时的驻波比和插入损耗,然后对此状态下的插入损耗和相位归一化为0,通过对不同 相位的短路在33.9GHz、34.GⅣz和34.5GHz测出15种状态的相移(ΔP)、插入损耗变 化(ΔL)和回波。 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 直流稳压电源,TTL电平 皂米波四位数字移相器 量网络分析仪8363B 图7亳米波四位数字移相器的测试框图 由下表所示所有相移位在中心频率点342GIz处的测试结果可知:插入损耗的最大值 是-1071dB(发生在180度相移位),小于指标要求的-12dB:输入端冋波损耗的最大值是 -1484dB(发生在-45度相移位),输出端冋波损耗的最大值是-12.89dB(发生在-135度 相移位),显然,端口驻波比均满足指标要求:最人相位误差是3度(发生:在:-157.5度和-135 度相移位),因此相位误差也优于指标要求的5度。所以,本文改计的亳米波四位数字移相 尜完全达到了设计指标要求 表134.2GHz处的测试结果 参量 相移位 输入回波损耗(dB)输出回波损耗(dB)插入损耗(dB)相移(度) 180 -26.31 -10.71 -1792 157.5 -21.21 19.63 -10.03 158.6 21.73 20.67 -10.07 135.3 112.5° -23.14 949 113.7 90° 21.07 22.63 -1060 90.95 67.5 1981 17.83 10.16 67.71 45° 19.66 -12.96 10.42 47.61 22.5 20.43 15.l8 2266 0 1595 20.56 -10.07 -16.27 15.95 8.61 22.65 14.84 -17.36 9.51 45.18 67.5 -19.85 -15.73 -8.02 -67.67 21.04 -15.60 -9.74 90.28 112.5 18.29 -17.91 -8.71 l112.41 135° -17.87 12.89 9.39 128 157.5° -20.66 15.11 -9.03 -154.5 山国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 结论 本文设计制作出的Ka波段四位数字移相器,在34.2GHz+300MHz频率范围内,所有相 移位(16个)的插入损耗都小于10.71dB,输入端和输岀端的囗波损耗也都大于-14.84dB 另外,所有相移位在中心频率34.2GHz处的相位误差都小于±3.0度,最小仅有0.15度,所 有指标均优于设计要求。移相器的应用十分广泛,因此廾发各种频率、各种结构的移相器有 非常广阔的前景 参考文献 「1l琂言华.微波回态电路.北京理工大学出版社,1995 2]顾其诤等.微波集成电路没训.人民邮电出版社,1978年5月 「3]顾墨林等.微波固态电路没计.电子工业部第十四研究所 [4]微带电路,清化大学微带电路编写组 [5] Shiban Keul and Barathi Bhat, microwave and millimeter wave phaseshifters, Artech House, MA, 1991 [6 Harry A. Atwater, " Circuit design of thc loadcd-linc phasc shifter, IEEETrans. Microwave Thcory Tcch, vol 33,pp.626634,July.1985 [7A.J. Slobodnik, Jr,R. T. Webster, and (i A. Roberts, "A monolithic(iaAs 36(il Iz tour-bit phase shitter Microwave J. pp. 106-lll, June1993 Zhang Dawei, Yan Bo, Xu ruimin Department of Microwave Engineering, College of Electronic Engineering, UESTC Chengdu(610054) This paper presents a Ka-band digital phase shifter. After analysis and experimental study, using oaded-line-type and reflection-type phase shifters, and applying he pin diode to the switch element, We have realized a 4-bit digital phase shifter which working in the millimeter wave frequency. This phase shifter has low insertion loss, low phase error, small voltage standing wave and other advantages millimeter, digital phase shifter, loaded-line, 3dB branch-line coupler