一種寬帶電調移相器的製作方法

2023-04-23 21:43:06

專利名稱：一種寬帶電調移相器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電調移相器，尤其涉及一種單電壓控制的寬帶電調移相器。
背景技術：
移相器在雷達、通信、儀器、儀表等眾多技術領域有著廣泛的應用。尤其是相控陣雷達的出現極大的促進了可調移相器的發展，相控陣雷達依靠T/R組件中的移相器來實現天線波束在空中的掃描，移相器的移相精度和響應速度等指標的好壞直接影響到系統波束在空中定位的準確性和波速主瓣對旁瓣的抑制度。隨著移動通信技術的發展，移相器廣泛應用於調製解調技術中，另外移相器可以控制移動通信中天線波束的方向從而對無信號區域的「掃盲」。隨著航空、航天技術的發展以及軍事上的需要，對測量相位提出了一些新的要求如更高的測量精度及更高分辨能力。測量相位中最重要的部件之一就是移相器。測量系統的發展非常迅速，這也為發展新型的移相器提出了更迫切的要求。研製移相精度高、插入損耗小、相位連續可調、體積小、重量輕、成本低廉、可靠性高的移相器成為亟待解決的問題。左右手複合傳輸線由於在帶寬、相位等方面性能優勢，國外已經有大量科研人員從事相關移相器設計及其工程應用研究。如Christian Dam等人採用多層板結構，多電壓控制設計出基於左右手複合傳輸線電調移相器[見Christian Damm, Martin Schler, Jens Freese, and Rolf Jakoby, "Artificial Line Phase Shifter with separately tunable Phase and Line Impedance", Proceedings of the 36th European Microwave Conference, EuMC2006,ρ 423-426，2007]。Mohsen Sazegar，Yuliang Zheng等人採用分布式左手傳輸線集成鐵電材料設計出用於天線陣列的電調移相器[見Mohsen Sazegar，Yuliang Zheng, Holger Maune, Christian Damm,Xianghui Zhou,Joachim Binder,Rolf Jakoby,"Low-Cost Phased-Array Antenna Using Compact Tunable Phase Shifters B ased on Ferroelectric Ceramics，，， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THE0RYAND TECHNIQUES, VOL.59, NO. 5, MAY 2011]； 國內對左右手複合傳輸線的研究目前還處於起步階段，大多數相關產品都停留在實驗階段，還沒有報導將左右手複合傳輸線技術應用於實際的工程。浙江大學ZOU Yong-zhuo 等人設計出利用傳統右手傳輸線與複合傳輸對比實現90度移相功能的移相器[見ZOU Yong-zhuo,LIN Zhi-li,LING Ti,YAO Jun,HE Sailing,"A new broadband differential phase shifter fabricated using a novel CRLH structure，，，Journal of Zhejiang University =Science A, v8, nlO, pl568_1572，October 2007]，由於其固定移相，具有不可調性，其實際工程應用非常有限。香港大學.3^叫，3.1.0^111^，1\ I. Yuk曾採用分布參數複合傳輸線結構集成PIN管設計出6位數字式窄帶電調移相器[見J. a!ang，S.W. Cheung, Τ.I. Yuk, "A Compact 6-bit Phase Shifter with High-Power Capacity Based on Composite Right/Left-Hand Transmission Line」， European Microwave Conference， EuMC2010，p437-440，2010]。由於帶寬窄且釆用多電壓控制限制了其在實際中的應用。

發明內容
本發明提供一種基於左右手複合傳輸線的寬帶電調移相器，該電調移相器具有帶寬寬、移相量大、尺寸小、便於控制、成本低的特點。本發明技術方案如下一種寬帶電調移相器，如圖1所示，包括一個串聯支路、三個並聯支路和一個單電壓直流偏置電路。所述串聯支路包括兩個電感Lsi和Ls2、兩個變容二極體D1和D2、兩個電容Csi和Cs2 和五條微帶線；第一變容二極體D1的正極通過第一微帶線與所述寬帶電調移相器的輸入端相連，其負極通過第二微帶線與第一電感Lsi的一端相連；第二變容二極體&的正極通過第五微帶線與所述寬帶電調移相器的輸出端相連，其負極通過第四微帶線與第二電感的一端相連；第一電感Lsi的另一端和第二電感Ls2的另一端之間連接第三微帶線；第一電容 Csi並聯於第一變容二極體D1上，第二電容Cs2並聯於第二變容二極體D2上。所述三個並聯支路中第一併聯支路包括第三變容二極體D3、第三電容Cptll和第三電感Lp21 ；第三變容二極體D3的正極和第三電感Lp21的一端接地，第三變容二極體D3的負極通過第六微帶線接第三電容Cptll的一端，第三電容Cptll的另一端與第三電感Lp21的另一端相連並接至所述串聯支路的第一微帶線上。第二並聯支路包括第六變容二極體D6、第四電容Cptl2和第四電感第六變容二極體D6的正極和第四電感Lp22的一端接地，第六變容二極體D6的負極通過第九微帶線接第四電容Cptl2的一端，第四電容Cptl2的另一端與第四電感的另一端相連並接至所述串聯支路的第五微帶線上。第三並聯支路包括第四變容二極體D4、第五變容二極體D5、第五電容Cpl、第六電容 Cp2和第五電感Lpl ；第四、第五變容二極體D4和D5的正極以及第五電感Lpl的一端接地，第四、第五變容二極體D4和D5的負極通過第八微帶線接第六電容Cp2的一端，第六電容Cp2的另一端和第五電感Lpl的另一端通過第七微帶線接第五電容Cpl的一端，第五電容Cpl的另一端接至所述串聯支路的第三微帶線上。所述單電壓直流偏置電路B包括四個電感L6、L7、L8和L9和一個電容C7 ；直流偏置電壓信號通過第十微帶線分別與第六、七、八、九電感L6、L7、L8和L9的一端相連，第六電感 L6的另一端接至所述第一併聯支路的第六微帶線上，第七電感L7的另一端接至所述第三並聯支路的第七微帶線上，第八電感L8的另一端接至所述串聯支路的第三微帶線上，第九電感「的另一端接至所述第二並聯支路的第九微帶線上；第七電容C7的一端接地，第七電容 C7的另一端接至第十微帶線上。上述方案中，需要解釋的是1、所述串聯支路中，變容二極體上並聯的電容，其作用是達到阻抗匹配拓展帶寬的目的。2、所述第三並聯支路中，第五電容Cpl的作用是隔直饋電和拓展帶寬；採用兩個並聯變容二極體其目的是增大電容值隨電壓的改變量以達到增加移相量的目的。3、電路中電容電感的取值儘可能使得串聯諧振頻率與並聯諧振頻率儘可能的靠近以保證電路的帶通特性。本發明提供的寬帶電調移相器，包括一路串聯支路，三路並聯支路，單電壓直流偏置電路B以及用於集總元件焊接的微帶線。電路中所有變容二極體均採用電容、電感構成的低通濾波饋電網絡B進行統一調控，通過調節單電壓來改變所有變容二極體電容值，以實現在特定寬頻帶信號導通功能同時實現對其相位的調控。本發明除具有性能上的寬帶移相的特點外，還具有體積小、成本低、節能環保及便於系統集成的特點，可廣泛用於新型微波器件設計、天線等領域。4、其他說明電路中所用集總參數元件通過焊接在50歐姆微帶線上，所有微帶線寬度應滿足50歐姆阻抗特性要求，長度以滿足實際焊接所需要的長度為準。電容、電感、變容管及微帶線集成在微波電路板上並通過微帶線進行饋電，實現平面電路中特定寬頻帶信號導通同時對其相位的調控。5、在上述基礎上通過由電容、電感構成的低通網絡以實現單電壓對所有變容管進行統一調控。本發明的有益效果是本發明採用集總參數元件集成微帶線，並採用單電壓直流偏置電路對所有變容管進行調控，相對於分布參數電路結構具有體積小、成本低的優勢；實際應用中可以根據實際的需要，選擇不同電容、電感值來調節所需導通頻率、移相量。另外相位的0-180°連續可調使得在相位控制上有極大的自由度。本發明性能上能夠實現相對帶寬40%頻率範圍內相位0-180度連續可調，整個電路結構屬於平面電路，具有移植方便及便於系統集成的特點。。


圖1是本發明寬帶電調移相器的電路結構圖。圖2是本發明電路結構的S參數幅度測試結果。圖3是本發明電路結構的S21相位測試結果。
具體實施例方式圖1為本發明寬帶電調移相器的電路結構圖，包括一條串聯電路，三條並聯支路以及一單電壓直流偏置電路B。所述串聯支路包括兩個電感Lsi和Ls2、兩個變容二極體D1和D2、兩個電容Csi和Cs2 和五條微帶線；第一變容二極體D1的正極通過第一微帶線與所述寬帶電調移相器的輸入端相連，其負極通過第二微帶線與第一電感Lsi的一端相連；第二變容二極體&的正極通過第五微帶線與所述寬帶電調移相器的輸出端相連，其負極通過第四微帶線與第二電感的一端相連；第一電感Lsi的另一端和第二電感Ls2的另一端之間連接第三微帶線；第一電容 Csi並聯於第一變容二極體D1上，第二電容Cs2並聯於第二變容二極體D2上。下面對三條並聯支路分別介紹。第一併聯支路包括第三變容二極體D3、第三電容Cptll和第三電感Lp21 ；第三變容二極體D3的正極和第三電感Lp21的一端接地，第三變容二極體D3的負極通過第六微帶線接第三電容Cptll的一端，第三電容Cptll的另一端與第三電感Lp21的另一端相連並接至所述串聯支路的第一微帶線上。
第二並聯支路包括第六變容二極體D6、第四電容Cptl2和第四電感Lp22 ；第六變容二極體D6的正極和第四電感Lp22的一端接地，第六變容二極體D6的負極通過第九微帶線接第四電容Cptl2的一端，第四電容Cptl2的另一端與第四電感的另一端相連並接至所述串聯支路的第五微帶線上。第三並聯支路包括第四變容二極體D4、第五變容二極體D5、第五電容Cpl、第六電容 Cp2和第五電感Lpl ；第四、第五變容二極體D4和D5的正極以及第五電感_的一端接地，第四、第五變容二極體D4和D5的負極通過第八微帶線接第六電容Cp2的一端，第六電容Cp2的另一端和第五電感Lpl的另一端通過第七微帶線接第五電容Cpl的一端，第五電容Cpl的另一端接至所述串聯支路的第三微帶線上。所述單電壓直流偏置電路B包括四個電感L6、L7、L8和L9和一個電容C7 ；直流偏置電壓信號通過第十微帶線分別與第六、七、八、九電感L6、L7、L8和L9的一端相連，第六電感 L6的另一端接至所述第一併聯支路的第六微帶線上，第七電感L7的另一端接至所述第三並聯支路的第七微帶線上，第八電感L8的另一端接至所述串聯支路的第三微帶線上，第九電感「的另一端接至所述第二並聯支路的第九微帶線上；第七電容C7的一端接地，第七電容 C7的另一端接至第十微帶線上。上述四個電感(L6、L7、L8、L9)和第七電容(C7)構成低通網絡，以實現對所有變容管進行統一偏置控制，用於集總元件焊接的微帶線採用長方形結構，其寬度滿足50歐姆特性阻抗的要求，長度除了滿足焊接所必需的尺寸大小之外，還需要根據電路結構的整體優化結果進行調整。另外，長方形微帶線的四個直角還可以適當的製備成圓弧狀以降低輻射損耗。本發明實施例的寬帶電調移相器的整體電路集成在國產F4B基板上，輸入輸出為 50 Ω微帶線。電路中變容管選取ΒΒ833系列變容管，貼片電容、電感取值優選為LS1 = Ls2 =5. 6nH, Lpl = 3. 9nH, Lp21 = Lp22 = 8. 2nH, Cp01 = Cp02 = 6. 2pF, Cp2 = IOpF ；Cpl = IOpF ；Csi =Cs2 = 0. 5pF。本發明實施例中，通過串聯支路中的第一變容管與第一貼片電容並聯、第二變容管與第二貼片電容並聯，以及通過第一併聯支路、第二並聯支路中變容管與貼片電容串聯， 從而有效地擴展了寬帶。同時，通過單電壓直流偏置電路B對所有變容管進行統一偏置控制，實現了電調移相。圖2為本發明的S參數幅度測試結果。由S參數測試結果可以看出該移相器通帶頻率為lGHz-1. 5GHz，相對帶寬為40%，通帶內反射係數S11小於-10dB。圖3為本發明的S21的相位測試結果，單電壓的調節範圍為5V至20V，在40%相對帶寬範圍內實現相位0至180°連續可調。
權利要求
1.一種寬帶電調移相器，包括一個串聯支路、三個並聯支路和一個單電壓直流偏置電路；所述串聯支路包括兩個電感(Lsi和Ls2)、兩個變容二極體(D1和D2)、兩個電容(Csi和 Cs2)和五條微帶線；第一變容二極體(D1)的正極通過第一微帶線與所述寬帶電調移相器的輸入端相連，其負極通過第二微帶線與第一電感(Lsi)的一端相連；第二變容二極體(D2)的正極通過第五微帶線與所述寬帶電調移相器的輸出端相連，其負極通過第四微帶線與第二電感(Ls2)的一端相連；第一電感(Lsi)的另一端和第二電感(Ls2)的另一端之間連接第三微帶線；第一電容(Csi)並聯於第一變容二極體(D1)上，第二電容(Cs2)並聯於第二變容二極體(D2)上；所述三個並聯支路中第一併聯支路包括第三變容二極體(D3)、第三電容(Cptll)和第三電感(Lp21)；第三變容二極體(D3)的正極和第三電感(Lp21)的一端接地，第三變容二極體(D3)的負極通過第六微帶線接第三電容(Cptll)的一端，第三電容(Cptll)的另一端與第三電感(Lp21)的另一端相連並接至所述串聯支路的第一微帶線上；第二並聯支路包括第六變容二極體(D6)、第四電容(Cptl2)和第四電感(Lp22)；第六變容二極體(D6)的正極和第四電感(Lp22)的一端接地，第六變容二極體(D6)的負極通過第九微帶線接第四電容(Cptl2)的一端，第四電容(Cptl2)的另一端與第四電感(Lp22)的另一端相連並接至所述串聯支路的第五微帶線上；第三並聯支路包括第四變容二極體(D4)、第五變容二極體(D5)、第五電容(Cpl)、第六電容(Cp2)和第五電感(Lpl)；第四、第五變容二極體(DjPD5)的正極以及第五電感(Lpl)的一端接地，第四、第五變容二極體(隊和1)5)的負極通過第八微帶線接第六電容(Cp2)的一端， 第六電容(Cp2)的另一端和第五電感(Lpl)的另一端通過第七微帶線接第五電容(Cpl)的一端，第五電容(Cpl)的另一端接至所述串聯支路的第三微帶線上；所述單電壓直流偏置電路⑶包括四個電感(L6、L7、LjnL9)和一個電容(C7)；直流偏置電壓信號通過第十微帶線分別與第六、七、八、九電感(L6、L7、L8*L9)的一端相連，第六電感(L6)的另一端接至所述第一併聯支路的第六微帶線上，第七電感(L7)的另一端接至所述第三並聯支路的第七微帶線上，第八電感(L8)的另一端接至所述串聯支路的第三微帶線上，第九電感(L9)的另一端接至所述第二並聯支路的第九微帶線上；第七電容(C7)的一端接地，第七電容(C7)的另一端接至第十微帶線上。
2.根據權利要求1所述的寬帶電調移相器，其特徵在於，所述七個電容(CS1、CS2、Cp01, Cp02、Cpl、Cp2和C7)為貼片電容。
3.根據權利要求1所述的寬帶電調移相器，其特徵在於，所述十條微帶線特性阻抗為 50歐姆。
4.根據權利要求1所述的寬帶電調移相器，其特徵在於，所述十條微帶線中，每條微帶線的四個角為圓弧狀。
5.根據權利要求1所述的寬帶電調移相器，其特徵在於，所述六個變容二極體(DpD2、 D3、D4、D5和D6)為BB833系列變容二級管。
全文摘要
本發明提供了一種寬帶電調移相器，尤其是涉及一種單電壓控制的寬帶電調移相器。該移相器包括一路串聯支路，三路並聯支路和單電壓直流偏置電路。電路中所有變容二極體均採用電容、電感構成的低通濾波饋電網絡進行統一調控，通過調節單電壓來改變所有變容二極體電容值，以實現在特定寬頻帶信號導通功能同時實現對其相位的調控。本發明除具有性能上的寬帶移相的特點外，還具有體積小、成本低、節能環保及便於系統集成的特點，可廣泛用於新型微波器件設計、天線等領域。
文檔編號H01P1/18GK102354776SQ201110318159
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者吳楊生, 林先其, 樊勇, 程飛 申請人:電子科技大學