數(shù)字式移相器電路研究

1.引言

移相器是微波控制電路的一個(gè)種類，主要針對(duì)微波信號(hào)的相位進(jìn)行控制以滿足系統(tǒng)的需要。如果相移量可以連續(xù)變化，則稱為模擬式移相器；如果相移量只能在預(yù)定的離散數(shù)值上改變，則稱為數(shù)字式移相器。

數(shù)字式移相器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)和微波通信系統(tǒng)，尤其是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。因?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)搜索與跟蹤，具有功能多，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間短，可靠性高等特點(diǎn)，在現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)中占有重要的地位。作為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的基本單元和核心組件，T/R組件直接關(guān)系到整個(gè)相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)劣，而數(shù)字式移相器又是T/R組件的重要組成部分，所以對(duì)于數(shù)字式移相器的研究顯得非常迫切和重要。

2.移相器發(fā)展歷史

自從相控陣天線問世之后，移相器的設(shè)計(jì)就一直是相控陣系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，出現(xiàn)了大量的文獻(xiàn)報(bào)道和產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)理論也在逐漸地完善。

在20世紀(jì)50年代，移相器都是機(jī)械式的。直到1957年鐵氧體首次應(yīng)用于相控陣掃描，因?yàn)槠洳迦霌p耗比較低、功率容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較寬的工作頻帶的特點(diǎn)，鐵氧體移相器開始得到大量應(yīng)用。但是鐵氧體移相器的缺點(diǎn)也比較明顯：控制電路比較復(fù)雜，相移響應(yīng)速度慢，溫度特性變化大，所以鐵氧體移相器也逐漸被新的元器件所代替。

20世紀(jì)60年代中期，隨著PIN二極管的出現(xiàn)和逐漸成熟，移相器開始采用PIN二極管作為開關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，隨之在PIN二極管移相器方面出現(xiàn)了大量的研究成果和實(shí)踐活動(dòng)。因?yàn)镻IN二極管具有較大的功率容量，轉(zhuǎn)換時(shí)間也比較短，所以這種移相器是一個(gè)非常不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方案。但是PIN二極管的集成工藝比三極管復(fù)雜，單管所占面積大，不便于集成，相應(yīng)成本也就相對(duì)高，控制電路功耗也較大，其應(yīng)用在許多場(chǎng)合受到限制。

20世紀(jì)80年代，隨著新的電子元器件、材料和加工工藝的飛速發(fā)展，MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))和MMIC(單片微波集成電路)成為研究的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外不斷有MMIC移相器芯片成功的報(bào)道和產(chǎn)品面世。例如據(jù)Kenichi Miyanguchi等人的報(bào)道，他們研制出了C波段5位MMIC移相器，大小僅僅只有1.37mm2；Miller等人應(yīng)用固有移相技術(shù)制作了位于4-12GHz的MMIC移相器；Slobodnik等人制作了工作頻率35-37GHz的4位MMIC移相器。國(guó)內(nèi)中電第十三研究所也研制出了X波段五位數(shù)字單片移相器。

3.移相器主要電路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

目前相控陣?yán)走_(dá)多采用四位或者五位數(shù)字控制電路，以實(shí)現(xiàn)相移的階躍。如果采用更高位數(shù)的數(shù)字式移相器，相位的控制越將更加精準(zhǔn)，但是對(duì)電路結(jié)構(gòu)和工藝器件都是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。

在微波頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式移相器的主要方式是利用半導(dǎo)體器件，例如用PIN二極管、變?nèi)荻O管和FET構(gòu)成，其中最常見的器件是PIN二極管。采用半導(dǎo)體器件的移相器可分為反射式和傳輸式。從電路結(jié)構(gòu)上來(lái)講，傳輸式移相器主要有開關(guān)線型、加載線型、高通-低通型和矢量合成式四種結(jié)構(gòu)形式。移相器的具體分類如圖1所示。

一般來(lái)講，可以實(shí)現(xiàn)移相功能的電路結(jié)構(gòu)有各種各樣，但是移相器設(shè)計(jì)要綜合考慮各種指標(biāo)，特別是希望較小的插入損耗和反射損耗，所以實(shí)用的移相器電路結(jié)構(gòu)主要有以下4種。

3.1 開關(guān)線型移相器

開關(guān)線型移相器，也稱為換接線段式移相器，其設(shè)計(jì)思想是：設(shè)計(jì)兩條可供選擇的傳輸通路，并使二者的電長(zhǎng)度只差等于所需的相移量，基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

L1和L2是兩條不同長(zhǎng)度的微帶線，ST1和ST2均是單刀雙擲開關(guān)(SPDT)。當(dāng)切換SPDT使得微波信號(hào)在兩條路徑L1，L2之間轉(zhuǎn)換時(shí)，由于兩條路徑長(zhǎng)度不同，傳輸相移不同，從而達(dá)到移相的目的。當(dāng)微波信號(hào)在兩種路徑轉(zhuǎn)換時(shí)，電路的相移量是：

3.2 加載線型移相器

加載線移相器，就是將可變阻抗元件以并聯(lián)或串聯(lián)的方式加載于微波傳輸線上，通過改變?cè)骷淖杩怪祦?lái)增加微波信號(hào)的相移量。

圖3是一個(gè)加載線型移相器的電路示意圖。假設(shè)當(dāng)PIN管處于正偏置狀態(tài)時(shí)，主線兩端并聯(lián)導(dǎo)納是jB+；反偏置時(shí)并聯(lián)導(dǎo)納是jB-。在這兩種狀態(tài)下電路分別等效為不同電長(zhǎng)度和的傳輸線，傳輸線特性導(dǎo)納為Y0。參照?qǐng)D3(b)和圖3(c)的等效傳輸線結(jié)構(gòu)，移相器的相移量是：

3.3 反射型移相器

反射型移相器是在微波傳輸線的終端連接有可變阻抗的元件，切換開關(guān)使得負(fù)載的阻抗變化，因此負(fù)載的反射波相位發(fā)生改變。兩次反射信號(hào)之間存在的相位差即為相移量。

圖1 移相器分類

圖2 開關(guān)線型移相器

圖3 加載線型移相器

圖4 反射型移相器

圖5 高通-低通型移相器（a）型（b）T型

3.4 高通-低通型移相器

高通-低通型移相器發(fā)展于開關(guān)線型電路結(jié)構(gòu)，這種電路的特點(diǎn)是用高低通濾波器結(jié)構(gòu)代替開關(guān)線型結(jié)構(gòu)中的傳輸線，根據(jù)濾波器的電路結(jié)構(gòu)也可分為型和T型，如圖5所示。因?yàn)楦咄V波器具有超前的相移量，低通濾波器具有滯后的相移量，所以微波信號(hào)分別通過兩種途徑之后，兩者所產(chǎn)生的相位角之和即為此移相器的相移。

3.5 四種電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和比較

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，移相器設(shè)計(jì)一般需要綜合考慮各種設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括相移精度、插入損耗、回波損耗、電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等，根據(jù)各種電路的特點(diǎn)來(lái)選取具體的電路形式：

(1)開關(guān)線型移相器一般在8%的帶寬內(nèi)相移變化量不大，兩種狀態(tài)下插損變化也不大，不需要額外的匹配電路，因而電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，特別適用于小移相器位(22.5°和45°)，通常不能滿足大移相位的性能要求。

從電路結(jié)構(gòu)可以看出，開關(guān)型移相器需要較多的二極管，這樣會(huì)造成成本較高，插入損耗也要增大。尤其要注意，當(dāng)開關(guān)傳輸線電長(zhǎng)度達(dá)到某個(gè)頻率的半波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，增大移相器的插入損耗。如果出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，需要改變斷開的支路負(fù)載匹配，但缺點(diǎn)是移相器所需要的開關(guān)元件數(shù)量增多。

(2)加載線移相器通常也用于小移相位，比如22.5°和45°位移相器，其性能指標(biāo)比較好：插入損耗低，駐波小，峰值功率容量大。缺點(diǎn)是需要進(jìn)行阻抗變換，電路體積比較大，開關(guān)數(shù)量比較多，經(jīng)濟(jì)成本高。

加載線型移相器一般工作頻率比較窄，而且隨著移相量的增加而顯著減小。這是因?yàn)榧虞d線型移相器通常由3段微帶線組成，相移量和駐波比隨頻率變化比較快，所以加載線型移相器通常用于窄帶電路設(shè)計(jì)。例如22.5°移相位在相移誤差小于2°，輸入駐波比小于1.2的情況下，相對(duì)帶寬可以達(dá)到42%，但是45°移相位相對(duì)帶寬就下降為大約20%。

(3)反射型移相器一般插入損耗比較低，功率容量為中等，工作頻率可以比較高，有文獻(xiàn)報(bào)道可以工作在高達(dá)100GHz頻段，開關(guān)元件也比較少，有利于成本的降低。

反射型移相器的插入損耗一般隨著相移位的增大而增加。尤其注意的是，反射型移相器一般要用到3dB電橋，由于3dB電橋的尺寸比較大，增加了整個(gè)電路的體積，而且3dB電橋的性能至關(guān)重要，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要細(xì)致考慮。

(4)高通-低通型移相器一般采用集總元器件，使得高低通濾波器的串聯(lián)電抗絕對(duì)值相等，并聯(lián)電納的絕對(duì)值相等，兩者隨頻率變化的相位角恰好相互補(bǔ)償，具有較寬的平坦頻率響應(yīng)。通常采用MOSFET作為開關(guān)元件，并且將晶體管的寄生電容作為電路組成，結(jié)構(gòu)非常緊湊利于電路集成。因此是MMIC中最常見的電路形式。

與開關(guān)線型移相器結(jié)構(gòu)類似，串聯(lián)二極管也可能引起諧振。尤其是小相位的電長(zhǎng)度較小，在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要注意，可以通過增加微帶傳輸線段來(lái)避免諧振現(xiàn)象。

4.結(jié)束語(yǔ)

縱觀移相器發(fā)展的歷史，移相器所采用的材料由鐵氧體材料、波導(dǎo)和微帶線逐漸過渡到MMIC、MEMS。現(xiàn)代數(shù)字式移相器將充分利用各種電路結(jié)構(gòu)(反射型、開關(guān)線型和加載線型等)，在微波毫米波甚至更寬的頻段范圍內(nèi)，達(dá)到各種裝備和各種場(chǎng)合的應(yīng)用要求。未來(lái)的移相器將繼續(xù)朝著小型化、高性能和低成本的方向發(fā)展。

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