四位数字移相器的原理、性能特点及电路设计

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

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（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。

责任编辑：gt