一款X波段帶狀線移相器的設計*

邢　君　白明強　李暢游

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所　揚州　225001)

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一款X波段帶狀線移相器的設計*

邢君白明強李暢游

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所揚州225001)

論文設計了一款基于Schiffman移相器改進形式的X波段帶狀線移相器,具有帶寬寬、移相精度較好、插損小的特點。使用了軟件ADS、HFSS進行仿真設計,最終得到符合仿真結果的實物。此款移相器適用于射頻前端的使用。

移相器; X波段; 帶狀線

Class NumberTN623

1　引言

目前,小型化、寬頻帶移相器成為發展的主流,也出現了很多數字控制的移相器芯片,雖然數控移相器體積更小,控制移相精度比較高[1～2]。但在射頻接收前端,系統較低的噪聲系數要求移相器插損不能過大,而數控移相器很難滿足這點[3～4]。因此研究了這款無源寬帶帶狀線移相器。

2　移相器理論

本設計以最早期的Schiffman[5]提出的90°寬帶移相器理論為基礎,其基本原理為利用一段耦合傳輸線與非耦合線的相位差在一定帶寬內不變,原理如圖1所示。

移相支路為一段λ0/4耦合線,λ0為中心頻點波長,其移相為[6～8]

(1)

其參考支路為一段3λ0/4的非耦合傳輸線,相位為φ2=3θ,θ=(λ0/λ)·(π/2)。

圖1　Schiffman移相器原理圖

考慮到ρ的取值過大,在工程中不易實現,同時對移相器有更小型化的需求,本設計參考美國Anaren公司的做法,對Schiffman移相電路做變形應用[9～10]。

如圖2所示,移相支路由兩級λ0/4耦合線(耦合系數為ρ1),和一級λ0/2耦合線(耦合系數為ρ2)組成,同時將50Ω線對分為100Ω的特性阻抗線,工藝上易于實現。參考電路電長度相應增至9λ0/4。

圖2　改進的移相器原理圖

兩段移相相位差為

(2)

θ=(λ0/λ)·(π/2)

(3)

3　設計目標

工作頻率6GHz～18GHz;移相范圍90±5°;插入損耗≤1dB;基片尺寸<15×40mm2。

3.1設計方案

設計頻段6GHz～18GHz,中心頻點12GHz。代入式(3):

θ=(λ0/λ)·(π/2)=(f/f0)·(π/2)

此ρ1、ρ2的取值作為初始值。

(4)

(5)

代入ADS軟件計算耦合線的寬度和縫隙寬度后進一步優化結果。

3.2仿真與優化

選用的材料為羅杰斯5880,介電常數2.2,厚度0.7874mm。將式(4)、(5)求得的奇偶模特性阻抗代入ADS軟件計算[3]。得到兩組耦合線的寬度、縫隙寬度、長度。

將參數代入HFSS建模,形成變量。

圖3　HFSS建模

圖4　仿真相位85°～93°

圖5　仿真插損<0.6dB

圖6　仿真駐波<1.8

4　實物與測試

射頻部分實物圖如圖7、8所示。

圖7　加工的基片

圖8　測試架

印制結構尺寸如圖9所示。

相位和插入損耗的測試圖如圖10、11所示。

圖10　參考支路相位、插損

圖11　移相支路相位、插損

采用安捷倫公司的N5230c矢量網絡分析儀得到的測試結果:6GHz～18GHz頻率范圍內,移相范圍為85°～93°,插損≤1dB,駐波<2.2,基片尺寸為15×40mm2,能夠滿足設計指標的要求。

5　結語

本文應用Schiffman移相電路的改進形式,借助仿真軟件ADS和HFSS設計了一款X波段的90°移相器,這款移相器在有限的體積下具有相對帶寬寬、移相精度較好、插損小的特點,適用于微波接收前端的使用。

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Design of Stripline Phase Shifter at X-band

XING JunBAI MingqiangLI Changyou

(723 Research Institute, CSIC, Yangzhou225001)

This paper designed a stripline phase shifter based on improved Schiffman at the frequency of x-band. It has the characteristics of broad band, phase shift with high precision and small insertion loss. The simulation of the design is supported by the software ADS and HFSS. Finally the object conformed to the simulation results is gotten. The phase shifter is suitable for the use of RF front end.

phase shifter, x-band, stripline

2016年4月3日,

2016年5月21日

邢君,女,碩士,研究方向:雷達與電子對抗技術。白明強,男,碩士,研究方向:接收前端設計。李暢游,男,研究員,研究方向:雷達與電子對抗技術。

TN623

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.042