Ku波段0/π調(diào)相器設(shè)計(jì)

石 磊

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

微波電控移相器是一種二端口網(wǎng)絡(luò),用于提供輸出和輸入信號(hào)之間的相位差,可由控制信號(hào)(一般為直流偏置電壓)來(lái)控制。相移量可以隨控制信號(hào)連續(xù)變化,也可以在預(yù)先規(guī)定的離散值上進(jìn)行變化,其分別稱(chēng)為模擬式移相器和數(shù)字式移相器。數(shù)字移相器在相控陣天線系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,相位控制信號(hào)加到陣列的各種單元,使得輻射波束受控于電子掃描方向。同時(shí),數(shù)字移相器也常用于數(shù)字通信系統(tǒng),作為相位調(diào)制編碼系統(tǒng)的基本部件,如雙相相移鍵控(BPSK)和四相相移鍵控(QPSK)。

0/π調(diào)相器就是微波通信系統(tǒng)中的二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制器,用連續(xù)方波來(lái)調(diào)制載波信號(hào),使載波輸出信號(hào)相位在 0°、180°±n°兩種狀態(tài)下發(fā)生變化,常用于偽碼數(shù)字通信系統(tǒng)中。以下為一種利用開(kāi)關(guān)線型移相器制作 0/π調(diào)相器的具體過(guò)程。

1 基本原理

開(kāi)關(guān)線型移相器的基本結(jié)構(gòu)[1],如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)線型移相器基本結(jié)構(gòu)

圖中:l1和l2是兩條不同長(zhǎng)度的微帶線或任意微波傳輸線;S t1和 S t2是兩個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)(SPDT),也可以用4個(gè)與傳輸線串聯(lián)或并聯(lián)的PIN二極管。如果用SPDT將微波信號(hào)由路徑l1轉(zhuǎn)換到路徑l2,由于l1與l2長(zhǎng)度不同,傳輸相移不同,因而產(chǎn)生移相作用。

當(dāng)微波信號(hào)由較短路徑l1轉(zhuǎn)換為較長(zhǎng)路徑l2時(shí),電路的附加相位延遲為[2]

式中:β為傳輸線相位常數(shù);λg為傳輸線波長(zhǎng);Δφ為相移量。

從公式中可以看出,其相移差值Δφ直接與路徑差成正比。插入損耗等于兩個(gè)開(kāi)關(guān)的損耗與路徑損耗之和。

Ku波段0/π調(diào)相器工作中心頻率為 f0,帶寬為800 MHz。要在帶寬內(nèi)得到180°±5°的相位差,則需l2=l1+λg/2,即兩傳輸線路徑差為中心頻點(diǎn)處的半波長(zhǎng)。由于相移量與工作頻率有關(guān),所以工作帶寬的選擇和帶內(nèi)相移精度要求需折中考慮。

2 設(shè)計(jì)與仿真

2.1 調(diào)相器微波電路

開(kāi)關(guān)線型0/π調(diào)相器中單刀雙擲微波開(kāi)關(guān)選用了MACOM公司的MA 4SW 210,在Ku波段其典型參數(shù):插入損耗為0.6 dB,開(kāi)關(guān)隔離度為45 dB,輸入輸出回波損耗大于25 dB,轉(zhuǎn)換速度為20 ns,承受連續(xù)波功率為1W,其器件原理及實(shí)物圖如圖2所示。微帶基板選用Rogers公司的RT5880介質(zhì)板,相對(duì)介電常數(shù)為2.2,厚度為0.254mm。

圖2 MA 4SW 210器件原理及實(shí)物圖

根據(jù)0/π調(diào)相器的工作原理可通過(guò)仿真軟件ADS進(jìn)行建模,來(lái)仿真兩種路徑下的相位差值和插入損耗。其中l(wèi)1和l2的長(zhǎng)度選擇要合適,以避免帶內(nèi)出現(xiàn)半波諧振現(xiàn)象。若某個(gè)頻率點(diǎn)出現(xiàn)諧振,會(huì)使插入損耗曲線出現(xiàn)峰值,同時(shí)相移量會(huì)隨頻率急劇變化,導(dǎo)致相位變化的不連續(xù)性。為了避免這種現(xiàn)象,需要使環(huán)路尺寸避開(kāi)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,同時(shí)選用更高隔離度的微波開(kāi)關(guān)。

用ADS仿真軟件建立的0/π調(diào)相器電路模型如圖3所示,在中心頻點(diǎn)f0時(shí),為使相移量Δφ等于180°,則根據(jù)波長(zhǎng)公式計(jì)算得Δl=λg/2[3]。從元器件庫(kù)中插入SPDT模型SW ITCH,根據(jù)選用開(kāi)關(guān)參數(shù)來(lái)修改模型中各相應(yīng)參數(shù),同時(shí)修改微帶板襯底參數(shù)為實(shí)際值,設(shè)置分節(jié)50Ω帶線,對(duì)應(yīng)l1和l2長(zhǎng)度可調(diào),輸入輸出端插入直流隔直模塊,選用S參數(shù)仿真器,設(shè)置仿真帶寬及點(diǎn)數(shù)。

圖3 0/π調(diào)相器電路仿真原理圖

通過(guò)選擇兩開(kāi)關(guān)的通斷關(guān)系,并對(duì)路徑l1和l2預(yù)設(shè)長(zhǎng)度進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化,得到信號(hào)分別通過(guò)路徑l1和l2的插入損耗和輸出相位仿真結(jié)果。選擇路徑l1(設(shè)為0相)的仿真結(jié)果,如圖4所示。選擇路徑l2(設(shè)為π相)的仿真結(jié)果,如圖5所示。

圖4 0相時(shí)仿真結(jié)果

圖5 π相時(shí)仿真結(jié)果

表1 0/π調(diào)相器仿真結(jié)果

圖中具體仿真結(jié)果如表1所示:兩相時(shí)插入損耗均接近于1.2 dB,算得三個(gè)頻點(diǎn)間的相位差分別為 183.0°、179.8°、176.5°,帶內(nèi)相移精度小于3.5°,插損幅度差小于0.1 dB。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

一般給定0/π調(diào)相器的調(diào)制信號(hào)為T(mén)TL方波,而單刀雙擲開(kāi)關(guān)MA 4SW 210需要正負(fù)電流驅(qū)動(dòng)來(lái)切換工作通路,實(shí)際應(yīng)用中0/π調(diào)相器都要擁有自身驅(qū)動(dòng)電路。本文選用了MACOM公司的DR65-0109驅(qū)動(dòng)器,其能將 TTL方波轉(zhuǎn)換成兩路可切換的正負(fù)電壓輸出,加上合適的外圍電路即可構(gòu)成整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路,如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3 實(shí)際電路與測(cè)試結(jié)果

0/π調(diào)相器通常作為一個(gè)單獨(dú)的微波部件嵌入到發(fā)射通道中,這就要求其具有接口通用性、體積小、便于安裝等特點(diǎn)。盒體、盒蓋都選用黃銅材料,并且表面鍍金;微帶板燒結(jié)在盒體上,保證可靠接地;開(kāi)關(guān)芯片采用微組裝技術(shù),由金絲壓焊完成;輸入輸出采用玻璃絕緣子與微帶相連,外部為可拆卸SMA-K連接器。實(shí)物圖如圖7所示,其外形尺寸為20 mm×20 mm×10 mm(不包括SM A連接器)。

圖7 0/π調(diào)相器實(shí)物圖

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)0/π調(diào)相器性能進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試,先將調(diào)制信號(hào)輸入端接低電平,對(duì)0相時(shí)相位進(jìn)行校零,再將調(diào)制信號(hào)輸入端接高電平,其π相時(shí)相移量的測(cè)試曲線如圖8所示;同樣的方法可測(cè)出0相時(shí)和π相時(shí)的插入損耗曲線,與相移量數(shù)據(jù)一起記錄于表2。在800 MHz帶寬內(nèi),移相精度為 4.5°,在±5°以?xún)?nèi);兩種路徑下插入損耗均在2.5 dB左右,同頻點(diǎn)下最大差值小于0.2 dB;輸入輸出駐波系數(shù)均小于1.3。其承受功率直接取決于開(kāi)關(guān)芯片,為連續(xù)波1W。

圖8 相移量測(cè)試曲線

表2 0/π調(diào)相器測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文著重介紹了0/π調(diào)相器的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程,其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合,達(dá)到設(shè)計(jì)目的,能夠滿足微波通信系統(tǒng)調(diào)相的使用要求。利用這種方法可以設(shè)計(jì)任意相移量的移相器,通過(guò)對(duì)不同的移相單元進(jìn)行組合,即可設(shè)計(jì)出各種多位數(shù)字微波移相器。

[1] 薛正輝,等.微波固態(tài)電路[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

[2] 高葆新.微波集成電路[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3] 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994.