CN202839906U - 一种微波单片数控移相器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微波单片数控移相器，包括沿信号传输方向级联在一起的5.625度移相位、11.25度移相位、22.5度移相位、45度移相位、90度移相位和/或180度移相位；其特征在于：45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中均采用了正交螺旋电桥。正交螺旋电桥包括两个相互平行设置的金属层以及设置在两个金属层之间的平面螺旋电感线圈；平面螺旋电感线圈由两个在同一平面内螺旋卷绕在一起的电感线圈构成，电感线圈的四个接头分别对称引出构成输入端口、隔离端口、传输端口和耦合端口；金属层与平面螺旋电感线圈之间还设置有中间介质层。该移相器通过采用正交螺旋电桥有效地解决了移相器中电桥长度随频率减小而增加导致移相器面积过大的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波通信技术领域，涉及一种以新颖的电桥结构为基础的微波单片数控移相器。
背景技术
目前微波单片数控移相器已经广泛的应用于各类相控阵***中，用于控制单个收发单元的信号相位，从而实现波束扫描。现有的宽带微波单片数控移相器主要采用拓扑结构为反射式，此结构特点是工作频带宽，非常适合宽带、大移相量的应用环境。这种反射式结构电路的基本原理是在均匀传输线的终端接入电抗性负载，利用开关变换负载的阻抗特性从而改变负载反射系数的相位，使输入输出之间产生相位差从而实现移相。在实际微波单片电路应用中，要求移相器为三端口网络，需要将输入输出信号分割，常用定向耦合器作为变换元件实现信号分离，这种定向耦合器采用集成电路工艺易于实现的结构，对宽带微波单片移相器，常采用Lange电桥。
采用Lange电桥的微波单片数控移相器在频率高端应用非常广泛，电路中每个移相位包含一个Lange电桥，电桥长度对应工作频带波长的1/4，因此随着工作频率向低端扩展，波长增大，Lange电桥长度也随之增加，芯片面积变大，带来芯片价格成倍增加、芯片成品率大幅降低。如应用于2-6GHz频段的微波单片数控移相器Lange电桥长度约为6.6mm，现有产品的面积高达40mm2，成品率很低，并且很难在小型化组件或***中使用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种微波单片数控移相器，通过采用结构紧凑、面积小、适于集成并具有较好宽带工作特性的正交螺旋电桥有效地克服了微波单片数控移相器中电桥长度随频率减小而增加的缺点，解决了低频段宽带微波单片数控移相器的面积过大的问题。
为达到上述发明目的，本实用新型采取的技术方案是：提供一种微波单片数控移相器，包括沿信号传输方向级联在一起的5.625度移相位、11.25度移相位、22.5度移相位、45度移相位、90度移相位和/或180度移相位；其特征在于：所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中均采用了正交螺旋电桥。
按照本实用新型所提供的微波单片数控移相器，其特征在于：所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中设置有两个或两个以上串接在一起的正交螺旋电桥。
按照本实用新型所提供的微波单片数控移相器，其特征在于：所述正交螺旋电桥包括两个相互平行设置的金属层以及设置在两个金属层之间的平面螺旋电感线圈；所述平面螺旋电感线圈由两个在同一平面内螺旋卷绕在一起的电感线圈构成，电感线圈的四个接头分别对称引出构成输入端口、隔离端口、传输端口和耦合端口；所述金属层与平面螺旋电感线圈之间还设置有中间介质层。
按照本实用新型所提供的微波单片数控移相器，其特征在于：所述平面螺旋电感线圈与两个金属层相互平行设置。
综上所述，本实用新型所提供的微波单片数控移相器通过采用以电感、电容为基础的集总参数元件实现正交螺旋电桥，该电桥相对于传统广泛使用的Lange电桥，保留了它的优点，具有良好的正交幅相特性，同时面积紧凑，回避了电桥长度随频率减小而增加的缺点。
本实用新型所提供的采用正交螺旋电桥为基础设计微波单片数控移相器，相对于采用Lange电桥的微波单片数控移相器，面积大幅度减小，从而减低芯片成本、提高芯片在小型化***中的易用性，同时能保持优异的宽带移相特性。该微波单片数控移相器为2-6GHz单片数控移相器时，其面积只有现有的产品的1/3，有效的解决了低频段宽带单片移相器难以实现的技术难题。
附图说明
图1是正交螺旋电桥的等效电路图；
图2是正交螺旋电桥中平面螺旋电感线圈的结构示意图；
图3是5.625度移相位的拓扑图；
图4是11.25度和22.5度移相位的拓扑图；
图5是45度和90度移相位的拓扑图；
图6是180度移相位的拓扑图；
图7是微波单片数控移相器的组成框图。
其中，P为信号端口；C为电容；L为平面螺旋电感；R为电阻；TL为微带线；T为场效应晶体管；GND为接地；Hy.b为正交螺旋电桥；CT为控制信号；5.625、11.25、22.5、45、90、180为各移相位的移相度数。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的描述，但它们不是对本实用新型的进一步限制。
本实用新型所提供的微波单片数控移相器将传统宽带微波单片数控移相器中Lange电桥用正交螺旋电桥替换，该螺旋电桥的等效模型如图1所示，电桥由集总元件电感、电容搭建，在微波低端宽频带范围内，该螺旋电桥仍保持紧凑的面积，与Lange电桥相当的幅相性能。在2-6GHz频率范围内，如采用Lange电桥，其电桥长度为6.6mm，采用本实用新型中提出的正交螺旋电桥，电桥长宽均控制在1mm以内。该正交螺旋电桥由两个互感电感和六个电容组成，端口1为输入端口，端口2为隔离端口，端口3为传输端口，端口4为耦合端口，四个端口互相对称。在微波单片应用中，互感电感采用两个螺旋电感交叉绕圈实现，如图2所示，通过两个电感的间距来控制互感量；电容由两层金属及中间介质层一起形成平板电压，通过精确控制电容大小来控制正交螺旋电桥的耦合端口和直通端口的相位差。为增加电桥的工作带宽，可将两级螺旋电桥进行串联，在设计时，为获取最佳性能，通过电磁场仿真软件优化电感的圈数、线宽、缝隙以及电容的容值大小。
在将低频宽带微波单片数控移相器中对面积制约最关键的Lange电桥用正交螺旋电桥替换以后，开展微波单片数控移相器设计。微波单片数控移相器的整体性能取决于单个移相位的设计，由于端口驻波对移相性能影响很大，在单个移相位设计时，必须保证各移相位在工作频段内驻波足够小，试验证明驻波必须小于1.5。
下面结合附图依次描述设计步进为5.625度、六位微波单片数控移相器中各移相位设计。
5.625度移相位拓扑如图3所示，其电路工作原理是通过三个开关控制电路，通过改变控制关系实现高通和低通网络，当微波信号通过高通网络时，相位超前；当微波信号通过低通网络时，相位滞后；当开关在高低通网络间切换时，实现移相。图3中，电阻R串联在晶体管栅极上，避免晶体管栅极射频短路；当晶体管T1、T3打开，T2关断时，信号经过T1-C1-T3高通网络；当晶体管T1、T3关断，T2打开时，信号经过TL1-T2-TL2低通网络。其高低通网络相位差实现移相功能。该电路的特点是面积小、结构简单、插损小，而且适合宽带应用。如采用此拓扑移相位，在2-6GHz频带范围内，移相误差小于0.5度、插损小于0.6dB、驻波小于1.3，在整个宽带内具有非常优异的性能。
11.25度和22.5度移相位的拓扑如图4所示，这两位的移向量均不大，也适合采用高低通网络来实现，其优点也是芯片面积小、插损小。当晶体管T1、T2关断，T3打开时，信号经过TL1、TL2高通网络；当晶体管T1、T2打开，T3关断时，信号经过晶体管T1传输，同时，电感L1通过T2接入网络，和TL1、TL2一起可以调节整个宽带内的插损波动。电感L1有一个到地的回路，会造成低通状态时低端插损较大，解决这个问题只有增大电感值，但增大电感值会使驻波变差，同时移相波动增大，因此需综合考虑选择合适的电感值。举例说明，采用此拓扑，在2-6GHz频段内，11.25度移相误差小于0.3度、插损小于1.2dB、驻波优于1.3；22.5度移相误差小于1.2度、插损小于2dB、驻波优于1.5。
45度和90度移相位的拓扑如图5所示，这两位的移向量较大，需采用性能和Lange电桥类似的反射式结构，这种结构的特点是工作频带宽、驻波好、适合大移向量，缺点是插损较大。采用Lange电桥时，在低频段应用时由于Lange电桥长度过大，导致芯片面积很大，增加了芯片成本，降低了芯片的可靠性和成品率。图5中，采用图1所示的正交螺旋电桥实现反射式移相位，输入输出信号从端口P1到端口P2传输，通过晶体管T1和T2互补式打开、关断，改变螺旋电桥端口负载的阻抗特性，从而改变负载反射系数的相位，使入射波和反射波之间产生相位差。拓扑中，传输线、电容、电阻均为特定相位差而选取合适值。举例说明，采用此拓扑，在2-6GHz频段内，45度移相位移相误差小于2.5度、插损小于4.5dB、驻波优于1.5；90度移相位移相误差小于3.5度、插损小于4.2dB、驻波优于1.5。
180度移相位的拓扑如图6所示，由于移向量特别大，在宽带应用中常用Boire结构，但这种结构需要1/4波长传输线，在低频宽带应用时和Lange电桥的长度尺寸基本一样，会占用大量的芯片面积，为缩小芯片面积、降低芯片成本，选择类似于45度和90度移相位的反射式结构，其中所需的Lange电桥采用正交螺旋电桥替换。举例说明，采用此拓扑，在2-6GHz频段内，180度移相位移相误差小于3度、插损小于5dB、驻波优于1.5。
六位微波单片数控移相器的组成框图如图7所示，由5.625、11.25、22.5、45、90、180度移相位组成，前面描述了为获得最佳性能，针对不同的移相量选取不同的拓扑结构，一个好的电路拓扑结构是使设计达到预期目标要求的基础，也是减少工作量，提高设计效率的关键。在完成单个移相位设计后，需要将各级移相位级联进行综合仿真，主要考虑的指标由移向量、不同移相态的幅度调制、输入输出驻波等，每位移相位需放置在合适的位置已达到电路最优性能，经过原理图优化仿真，电磁场优化仿真后完成全部版图设计工作。
本实用新型提出采用结构紧凑的正交螺旋电桥替换Lange电桥，设计的宽带数控移相器具有面积小、成本低、成品率高等优点，其芯片面积相对于同类采用Lange电桥芯片面积可减少70%以上，同时保持了相当的性能，有利于在小型化组件中的使用，此结构在低频段宽带数控移相器中具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种微波单片数控移相器，包括沿信号传输方向级联在一起的5.625度移相位、11.25度移相位、22.5度移相位、45度移相位、90度移相位和/或180度移相位；其特征在于：所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中均采用了正交螺旋电桥。
2.根据权利要求1所述的微波单片数控移相器，其特征在于：所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中设置有两个或两个以上串接在一起的正交螺旋电桥。
3.根据权利要求1或2所述的微波单片数控移相器，其特征在于：所述正交螺旋电桥包括两个相互平行设置的金属层以及设置在两个金属层之间的平面螺旋电感线圈；所述平面螺旋电感线圈由两个在同一平面内螺旋卷绕在一起的电感线圈构成，电感线圈的四个接头分别对称引出构成输入端口、隔离端口、传输端口和耦合端口；所述金属层与平面螺旋电感线圈之间还设置有中间介质层。
4.根据权利要求3所述的微波单片数控移相器，其特征在于：所述平面螺旋电感线圈与两个金属层相互平行设置。
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