1  引言

微波移相器是一种微波控制电路,其主要作用于是对微波信号的相位进行控制以满足系统的需要。移相器在相控阵雷达、微波通信、卫星技术等众多领域都具有非常广阔的应用前景。特别是在相控阵雷达系统中,移相器是T/R组件的关键器件。自20世纪60年代以来,随着移相器需求的增大,移相器理论得以不断丰富完善,制造工艺也日趋成熟。微波移相器的实现形式也逐渐由波导、同轴线过渡到微带线形式。在此基础上出现了,混合微波集成电路(HMIC)移相器。进入20世纪80年代,计算机仿真技术的不断完善和半导体材料及工艺的迅猛发展使基于单片微波集成电路(MMIC)的微波移相器在这一阶段应运而生。国际上已经有多个型号的MMIC移相器研制成功并投入市场。受设备和技术等因素的限制,国内对MMIC移相器的研究开发进展相对缓慢,基本仍处于试制使用阶段。从电路的性能指标、功率容量、价格等角度出发,HMIC移相器仍具有应用优势。因此,进行高性能高移相精度的HMIC移相器的仿真研究具有非常重要的意义。Agilent公司的ADS软件具有完整的设计和仿真优化功能,能快速有效地设计仿真出需要的电路,可以大大提高设计的成功率,从而减轻设计者的工作量。

 

2  移相器设计

2.1  本移相器的原理框图及主要性能参数

与传输线串联或并联的任何电抗,都会引入相移,移相器电路4位分别为180°,90°,45°,22.5°。在0°~360°间以22.5°为步进形成16个移相。利用将四个相移位级联起来的方法,即可构成本文设计的四位数字移相器(如图1所示)。通过控制驱动电路输出偏置电流从而能使PIN管处于正向或反向偏置状态,从而实现16个相移状态 。

 

图1  PIN移相器原理框图

 

设计的移相器的主要性能参数为:工作频率为1.5GHz±100MHz,均方根相位误差<3°,插入损耗<2.5dB,回波损耗<15dB。

 

2.2  PIN管的仿真建模

PIN二极管作为开关元件进行控制,具有相移精度高、功率大、体积重量小、开关时间短、控制功率小、对温度变化的稳定性好等优点。实际的PIN二极管并不是理想通断的开关。通过查找文献可得PIN管的等效电路,据此对PIN管进行建模,如图2所示。

 

图2(a)为PIN管正向偏置模型,图2(b)为PIN管反向偏置模型。通过查阅技术文献及实际测量,模型中等参数均易于获得。由于PIN管连接的两段微带线之间的间隙很小(<1mm),它们之间的耦合无法避免,故在这里引入了一个间隙模块(MGAP)来模拟这种情况。

 

2.3  移相器电路设计

180°、90°移相位采用开关线式。图3(a)为开关线式原理图,在移相的整个过程中,移相器在输入端和输出端之间一直处于导通状态,因此就要求在两种状态下输入端都要良好匹配。此外还要求两种移相状态下插入损耗很小,并且尽可能相等,否则两种状态下输出信号大小不同引起寄生调幅;两条传输线相互距离要足够远,以避免相互耦合造成衰减和相位误差。45°、22.5°采用负载线型,因为负载线型电路形式简单,引入电路的插损小,小角度移相时的驻波低,移相精度较好和峰值功率容量大,图3(b)即为二元加载形式移相器。当两加载支路共同导通或共同断开时,主传输线与两侧加载的并联电纳共同构成一个传输网络,具有一个相移量。由于两个状态的并联电纳不同,故两个状态时的传输网络的相移量也不同,其差值就是所要求的负载线移相器的相移。同时可在两加载支节中间加一匹配支节,以调节移相器的驻波比及插损,同时通过调节两侧负载支节的电角度和阻抗,可以获得较好的移相性能。负载线间距离为1/4波长,这样可获得最佳电压驻波比。

 

图2  PIN管的等效模型

图3  开关线式和加载线式移相器原理图


2.4  移相器电路仿真及结果

ADS具有强大的算法及随机梯度等优化方法,能按照参数迅速仿真出需要的电路,从而大大减轻设计者的工作量。本电路是在介电常数ε=4.4,厚度H=2mm,金属厚度T=0.036mm的微带介质基片上进行仿真的。图4为加载线型、开关线型和级联后的电路原理图。

 


(a) 加载线型


(b) 开关线型

 


(c) 级联

图4  加载线型(a)、开关线型(b)及级联(c)电路原理图先对每位移相器电路进行单独优化,再级联起来进行整体调试。


级联后各个移相位的性能都有不同程度的恶化,所以之前在单独设计每位移相器时应把设计指标合理地提高。

 


(a)


(b)


(c)


(d)

图5  仿真结果(a)所示为16个相移状态,RMS不超过3°。图5(b)、图5(c)、图5(d)分别示出了仿真所得移相器16个相移状态下的驻波比(<1.3)、插入损耗( <2.5dB )和回波损耗( <15dB)。

 

3  结论

本文所设计的基于PIN二极管的L波段四位数字移相器工作于1.5GHz±100MHz,相位误差<3°,驻波比<1.3,插入损耗<2.5dB,各位级联回波损耗<15dB,满足设计要求。利用仿真所得结果即可制版加工出实物。