CN115101904A - 低损耗单开关宽带微波180度移相器 - Google Patents

Abstract

本发明属于移相器技术领域，具体地说，是一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，由八个平面螺旋电感和一个田字形参考地组成，八个平面螺旋电感设定为第一到第八平面螺旋电感，田字形参考地根据笛卡尔坐标系换分为四个象限设定为第一到第四象限，八个平面螺旋电感均匀设置于田字形参考地的四个象限内，本发明由于只具有单侧开关，可以有效降低开关引起的***损耗；在0°和180°工作状态下拥有完全相同的传输函数和端口反射系数，无需后续电路的幅度处理；具有超宽带工作的特性。

Description

低损耗单开关宽带微波180度移相器

技术领域

本发明属于移相器技术领域，具体地说，是一种低损耗单开关宽带微波180度移相器。

背景技术

移相器是一种对电磁波信号的相位进行调控的电子元件，在鉴相器、波束成形网络、功率分配器、功放线性化和相控阵天线中有大量应用。对移相器的关键性能评估指标主要包括***损耗、切换速度、工作频率和相对工作带宽等参数。

在数控移相器的体系架构中，比特单元的移相是通过利用一对单刀双掷开关在两个具有不同导波行程的传输组件间进行切换而实现的。两个传输组件间的波程差即为对应的移相量。在微波频段，单刀双掷开关多采用固态集成电路实现。由于物理材料的限制，开关自身在微波频段引入的损耗是不可忽略的。由于经典架构中每个移相单元中均包含两个独立开关，由此累计引入的开关***损耗非常可观。在所有的移相单元中，180°单元的移相范围最大，内嵌分布式结构的电磁波行程最长，带来的传输线***损耗也最高。此外，由于信号在0°和180°两种相位状态下传输的路径长度差异较大，还会引起移相器损耗在不同相位状态下的不平衡，将对后级电路的工作带来不利影响。综上所述，如何设计制作具有低损耗的、具有幅度平衡的宽带移相器，是微波射频领域中一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决传统切换式移相器带宽窄、***损耗大和状态损耗不平衡的问题。

为了达到上述目的，本发明披露了一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，具体技术方案如下：

一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，由八个平面螺旋电感和一个田字形参考地组成，八个平面螺旋电感设定为第一到第八平面螺旋电感，田字形参考地根据笛卡尔坐标系换分为四个象限设定为第一到第四象限，八个平面螺旋电感均匀设置于田字形参考地的四个象限内。

本发明的进一步改进，第一平面螺旋电感与第二平面螺旋电感同向逆针针旋转嵌套，置于田字形参考地的第二象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数；第三平面螺旋电感与第四平面螺旋电感同向顺时针旋转嵌套，置于田字形参考地的第三象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数；第五平面螺旋电感与第六平面螺旋电感同向顺时针旋转嵌套，置于田字形参考地的第一象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数；第七平面螺旋电感与第八平面螺旋电感同向逆时针旋转嵌套，置于田字形参考地的第四象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数。

本发明的进一步改进，田字形参考地在左侧中心位置处同面断开，断开处形成两个端点，上述两个端点通过输入空气桥进行异面跨接；田字形参考地在右侧输出位置处同面断开，断开处形成三个端点通过两个输出空气桥进行异面跨接。

本发明的进一步改进，第一平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的左侧两个端点形成输入端口；第一平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第三平面螺旋电感的内侧端点相连接；第二平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的左侧端点连接接地；第二平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第六平面螺旋电感的内侧端点相连接；第三平面螺旋电感的外侧端点开路；第四平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的左侧端点连接接地；第四平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第八平面螺旋电感的内侧端点相连接；第五平面螺旋电感的外侧端点作为单刀双掷开关的输出点触点；第五平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第七平面螺旋电感的内侧端点相连接；第六平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的右侧端点连接接地；田字形参考地的右侧端点为单刀双掷开关的短路输出点触点；第七平面螺旋电感的外侧端点作为单刀双掷开关的输出通路触点；第八平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的右侧端点连接接地；田字形参考地的右侧端点为单刀双掷开关的短路输出点触点；输出信号端作为单刀双掷开关的通路输出端点，与田字形参考地的右侧两个端点形成输出端口；

本发明的进一步改进，单刀双掷开关为MEMS、机械式、PIN管或FET管。

本发明的进一步改进，第一平面螺旋电感与第二平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同、第三平面螺旋电感与第四平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同、第五平面螺旋电感与第六平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同、第七平面螺旋电感与第八平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同。

本发明的进一步改进，平面耦合电感器采用圆环形、正八边形、正六边形及其组合进行替代。

本发明通过合理设置各个螺旋电感的电感值和耦合量，能得到一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，其两种相位状态通过切换单刀双掷开关（11）的连接状态进行控制，两种相位状态的传输幅度函数完全相同，相位严格相差180°。

本发明采用以上技术方案与传统移相器相比，具有以下技术效果：由于只具有单侧开关，可以有效降低开关引起的***损耗；在0°和180°工作状态下拥有完全相同的传输函数和端口反射系数，无需后续电路的幅度处理；具有超宽带工作的特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为仿真得到的实施实例1中移相器状态1时的宽带传输系数和反射系数图。

图3为仿真得到的实施实例1中移相器状态2时的宽带传输系数和反射系数图。

图4为仿真得到的实施实例1中移相器状态1和状态2的传输相位图，其中实线为状态1时的传输相位；虚线为状态2时的传输相位。

图中，1-第一平面螺旋电感，1a-和1b-分别为第一平面螺旋电感外侧和内侧端点，2-第二平面螺旋电感，2a-和2b-分别为第二平面螺旋电感外侧和内侧端点，3-第三平面螺旋电感，3a-和3b-分别为第三平面螺旋电感外侧和内侧端点，4-第四平面螺旋电感，4a-和4b-分别为第四平面螺旋电感外侧和内侧端点，5-第五平面螺旋电感，5a-和5b-分别为第五平面螺旋电感外侧和内侧端点，6-第六平面螺旋电感，6a-和6b-分别为第六平面螺旋电感外侧和内侧端点，7-第七平面螺旋电感，7a-和7b-分别为第七平面螺旋电感外侧和内侧端点，8-第八平面螺旋电感，8a-和8b-分别为第八平面螺旋电感外侧和内侧端点，9-田字形参考地，9a-，9b，9c，9d，9e分别为田字形参考地的左右侧端点，10-输出信号端，11a-相位选择开关，11b-相位选择开关，12a-中心空气桥，12b-中心空气桥，12c-中心空气桥，13a-输入空气桥，13b-输出空气桥，13c-输出空气桥。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例，如图1所示，一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，包括第一平面螺旋电感（1），第二平面螺旋电感（2），第三平面螺旋电感（3），第四平面螺旋电感（4），第五平面螺旋电感（5），第六平面螺旋电感（6），第七平面螺旋电感（7），第八平面螺旋电感（8）和田字形参考地（9），输出信号端（10），相位选择开关（11a）和（11b），中心空气桥（12a）、（12b）、（12c）和（12d），输入空气桥（13a），输出空气桥（13b）和（13c）；

所述第一平面螺旋电感（1）与第二平面螺旋电感（2）同向逆针针旋转嵌套，置于田字形参考地（9）的第二象限，螺旋之间无电气连接；

所述第三平面螺旋电感（3）与第四平面螺旋电感（4）同向顺时针旋转嵌套，置于田字形参考地（9）的第三象限，螺旋之间无电气连接；

所述第五平面螺旋电感（5）与第六平面螺旋电感（6）同向顺时针旋转嵌套，置于田字形参考地（9）的第一象限，螺旋之间无电气连接；

所述第七平面螺旋电感（7）与第八平面螺旋电感（8）同向逆时针旋转嵌套，置于田字形参考地（9）的第四象限，螺旋之间无电气连接；

所述田字形参考地（9）在左侧中心位置处同面断开，断开处形成两个端点（9a）和（9b），上述两个端点通过输入空气桥（13a）进行异面跨接；所述田字形参考地（9）在右侧输出位置处同面断开，断开处形成两个端点（9c）、（9d）和（9e），通过输出空气桥（13b）和（13c）进行异面跨接；

所述第一平面螺旋电感（1）的外侧端点（1a）与田字形参考地（9）的左侧两个端点（9a）和（9b）形成输入端口；所述第一平面螺旋电感（1）的内侧端点（1b）通过中心空气桥（12a）与第三平面螺旋电感（3）的内侧端点（3b）相连接；

所述第二平面螺旋电感（2）的外侧端点（2a）与田字形参考地（9）的左侧端点（9a）连接接地；所述第二平面螺旋电感（2）的内侧端点（2b）通过中心空气桥（12b）与第六平面螺旋电感（6）的内侧端点（6b）相连接；

所述第三平面螺旋电感（3）的外侧端点（3a）开路；

所述第四平面螺旋电感（4）的外侧端点（4a）与田字形参考地（9）的左侧端点（9b）连接接地；所述第四平面螺旋电感（4）的内侧端点（4b）通过中心空气桥（12c）与第八平面螺旋电感（8）的内侧端点（8b）相连接；

所述第五平面螺旋电感（5）的外侧端点（5a）作为单刀双掷开关（11a）的输出点触点；所述第五平面螺旋电感（5）的内侧端点（5b）通过中心空气桥（12d）与第七平面螺旋电感（7）的内侧端点（7b）相连接；

所述第六平面螺旋电感（6）的外侧端点（6a）与田字形参考地（9）的右侧端点（9c）连接接地；所述田字形参考地（9）的右侧端点（9c）为单刀双掷开关（11a）的短路输出点触点；

所述第七平面螺旋电感（7）的外侧端点（7a）作为单刀双掷开关（11b）的输出通路触点；

所述第八平面螺旋电感（8）的外侧端点（8a）与田字形参考地（9）的右侧端点（9d）连接接地；所述田字形参考地（9）的右侧端点（9d）为单刀双掷开关（11b）的短路输出点触点；

所述输出信号端（10）作为单刀双掷开关（11a）和（11b）的通路输出端点，与田字形参考地（9）的右侧两个端点（9c）和（9d）形成输出端口。

本实施例以移相器的起始工作频率为0.5GHz，输入输出端口阻抗50Ohm为为例，其他情况不加以限制。

其中，本实施例中输入端口和输出端口阻抗取值为50Ohm；螺旋电感的自感值均为12nH，耦合系数为均为1；

利用ADS仿真软件，对上述电路原理图进行模拟仿真。

根据开关的工作状态，定义状态1时，开关（11a）连接第五螺旋电感外侧端点（5a）与主输出点（10），开关（11b）连接第七螺旋电感外侧端点（7a）与接地点（9d）；定义状态2时，开关（11a）连接第五螺旋电感外侧端点（5a）与接地点（9c），开关（11b）连接第七螺旋电感外侧端点（7a）与主输出点（10）；

在状态1时，仿真得到的S参数曲线如图2所示。图中虚线为S11，即反射系数，实线S21为传输系数。从图2中可以看出，曲线S21呈现出良好的宽带传输特性，工作低频截止频率为0.5GHz，带内反射系数在高频是优于-15dB，匹配良好；在状态2时，仿真得到的S参数曲线如图3所示。可以发现状态2与状态1的反射系数和传输系数幅度完全相同，验证了本结构传输时不同状态下幅度传输的平衡性；图4为仿真得到的两种状态下的传输相位，其中实线为状态1时的传输相位；虚线为状态2时的传输相位。可以观察到两种状态下相位差在任意频点处均严格为180°。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，由八个平面螺旋电感和一个田字形参考地组成，所述八个平面螺旋电感设定为第一到第八平面螺旋电感，所述田字形参考地根据笛卡尔坐标系换分为四个象限设定为第一到第四象限，所述八个平面螺旋电感均匀设置于所述田字形参考地的四个象限内。

2.根据权利要求1所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述第一平面螺旋电感与第二平面螺旋电感同向逆针针旋转嵌套，置于田字形参考地的第二象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数；所述第三平面螺旋电感与第四平面螺旋电感同向顺时针旋转嵌套，置于田字形参考地的第三象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数；所述第五平面螺旋电感与第六平面螺旋电感同向顺时针旋转嵌套，置于田字形参考地的第一象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数；所述第七平面螺旋电感与第八平面螺旋电感同向逆时针旋转嵌套，置于田字形参考地的第四象限，螺旋之间无电气连接，具有正耦合系数。

3.根据权利要求2所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述田字形参考地在左侧中心位置处同面断开，断开处形成两个端点，上述两个端点通过输入空气桥进行异面跨接；所述田字形参考地在右侧输出位置处同面断开，断开处形成三个端点通过两个输出空气桥进行异面跨接。

4.根据权利要求3所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述第一平面螺旋电感的外侧端点与所述田字形参考地的左侧两个端点形成输入端口；所述第一平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第三平面螺旋电感的内侧端点相连接；所述第二平面螺旋电感的外侧端点与所述田字形参考地的左侧端点连接接地；所述第二平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第六平面螺旋电感的内侧端点相连接；所述第三平面螺旋电感的外侧端点开路；所述第四平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的左侧端点连接接地；所述第四平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第八平面螺旋电感的内侧端点相连接；所述第五平面螺旋电感的外侧端点作为单刀双掷开关的输出点触点；所述第五平面螺旋电感的内侧端点通过中心空气桥与第七平面螺旋电感的内侧端点相连接；所述第六平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的右侧端点连接接地；所述田字形参考地的右侧端点为单刀双掷开关的短路输出点触点；所述第七平面螺旋电感的外侧端点作为单刀双掷开关的输出通路触点；所述第八平面螺旋电感的外侧端点与田字形参考地的右侧端点连接接地。

5.根据权利要求4所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述田字形参考地的右侧端点为单刀双掷开关的短路输出点触点；所述输出信号端作为单刀双掷开关的通路输出端点，与田字形参考地的右侧两个端点形成输出端口。

6.根据权利要求5所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述单刀双掷开关为MEMS、机械式、PIN管或FET管。

7.根据权利要求6所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述四对平面耦合电感器：第一平面螺旋电感与第二平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同、第三平面螺旋电感与第四平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同、第五平面螺旋电感与第六平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同、第七平面螺旋电感与第八平面螺旋电感旋向不同，结构对称，耦合系数相同。

8.根据权利要求7所述的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述平面耦合电感器采用圆环形、正八边形、正六边形及其组合进行替代。

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