鐵氧體移相器實現高精度移相的方法

2023-05-08 22:43:11 4

專利名稱：鐵氧體移相器實現高精度移相的方法
技術領域：
本發明屬于波導型傳輸線領域，具體涉及一種鐵氧體移相器實現高精度移相的方法，應用於提高微波/毫米波波導鐵氧體移相器的移相精度。
背景技術：
相對於二極體、MMIC等型式的移相器而言，用於微波高頻段的波導內加載鐵氧體環棒的移相器在插入損耗指標方面具有絕對優勢，後者插入損耗僅有前者的1/10左右。鐵氧體數控移相器的原理如下用脈衝激勵電流對移相器中的鐵氧體進行剩餘磁化，不同方向或不同幅度大小的脈衝電流對應不同方向或大小的剩餘磁化強度。而鐵氧體剩餘磁化強度的方向或大小的改變，會使得移相器中電磁波的傳播常數發生變化，從而將對通過移相器的電磁波產生不同的附加相移。當用二進位碼對脈衝電流的大小和方向進行控制，從而使移相器對電磁波產生的附加相移受控時，便可實現鐵氧體移相器的數控移相。
根據上述原理可知，數控移相器相移大小與磁化電流的大小、方向及鐵氧體材料的長度等三項因素有關。於是，通常按兩種方式實現數控移相①磁通式激勵——在鐵氧體長度一定的前提下，通過改變磁化電流的方向和大小，即改變鐵氧體中外加磁場的磁通量產生相移。
②飽和數字式激勵/鐵氧體分段數字式激勵——在磁化電流大小一定的前提下，通過改變磁化電流的方向和鐵氧體的長度產生相移。
在實際使用中，磁通式激勵移相器一般採用多位控制碼將磁化電流幅度大小的變化量控制到較高精度。但由於其所對應的鐵氧體縱向尺寸很長(相應的最大相移應大於360°)，相應的實際移相器一般也只能實現4位～6位控制碼數控移相。其中，4位碼對應的相移步進標稱值為22.5°；6位對應的相移步進標稱值為5.625°。用磁通式激勵方案難以實現步進相移的高精度。不僅如此，由於較長的鐵氧體尺寸及磁通激勵所必須的串行脈衝電流數目的增加，也使得磁通式激勵移相器的開關時間明顯偏大。
飽和數字式激勵移相器通常將波導中的鐵氧體沿波的傳播方向分成數段，每段分別對應1位二進位控制碼。具體的分段數即為通常所說的移相器的位數，如產生移相的鐵氧體分四段的便稱作四位數字式移相器。
相比較而言，飽和激勵數字式移相器的最大優點在於開關時間相對較小。由於在工程實際中鐵氧體的物理長度難以做得太小，如在8mm波段，每1°相移所對應的鐵氧體長度約為0.13mm。因此，用飽和數字式激勵方案難以實現高精度的相移步進。在微波工程上，飽和數字式激勵移相器一般也只能實現4位～5位數控移相，其中，5位對應的相移步進標稱值為11.25°。該移相器還存在結構較為複雜、調試和製作難度偏大之不足。
綜上可知，用於微波高頻段的數控移相器，無論是採用飽和數字式激勵，或是採用磁通式激勵，都很難實現相移步進量不超過1°的高精度數控移相。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術之不足，提供一種鐵氧體移相器實現高精度移相的方法，以便在微波高頻段獲得高精度數控移相器。
實現本發明目的的技術方案是採用磁通式激勵與飽和數字式激勵相結合的數控方式，來提高鐵氧體移相器的移相精度。它將加載于波導中心的鐵氧體沿波的傳播方向分成n段，n≥2。其第1段採用磁通式激勵，其餘n-1段採用飽和數字式激勵；然後，將磁通式激勵段相移值與各飽和數字式激勵段相移值進行疊加，使移相器在大於或等於360°範圍內，按磁通式激勵段的步進量實現高精度移相。
所述磁通式激勵段與各飽和數字式激勵段相移值進行疊加過程如下1)用n-1位二進位碼控制電流脈衝對n-1段鐵氧體進行飽和數字式激勵；2)用m位二進位碼控制電流脈衝對第一段鐵氧體進行磁通式激勵，使移相器按δ步進量步進，在0°～cmax之間產生2m個移相狀態；3)將上述兩種移相方式組合，用m+n-1位二進位碼控制移相器，可以產生2m+n-1個移相狀態，在所述的移相狀態中，找出在360°範圍內最大步進量不超過δ的移相狀態，以實現高精度移相。
所述各段鐵氧體所對應的相移值及分段數量n按如下步驟確定各段鐵氧體對應的相移值及分段數量n的確定原則是①磁通式激勵段對應的最大相移步進量滿足精度要求；②各段鐵氧體的相移值能夠保證在超過360°範圍內疊加出滿足最大步進相移的任意一個移相狀態；③在保證移相精度的前提下，滿足分段數量n≥2並儘可能地小。
根據上述原則，各段鐵氧體對應的相移值及分段數量n的具體確定步驟如下首先，根據所需求的相移最大步進量δ，並參照磁通式激勵驅動電路(驅動器)對激勵電流大小的實際控制精度，設定第1段磁通式激勵鐵氧體對應的最大相移值cmax。使第1段鐵氧體對應的相移值在0～cmax之間變化。
其次，按第i(2≤i≤n)段鐵氧體對應的相移值i應滿足的如下關係式確定其餘n-1段的相移值及n的大小 cmax+2+3+Λ+n-1+n≥360 (2)n＜360 (3)注以上關係式中的變量單位均為度在cmax和δ給定的條件下，可按如下方法確定n的最小值由(1)式可得i≤2i-2(cmax+δ)i＝2，3，4，Λ，n-1，n (4)由(4)與(2)可得cmax+(2n-1)(cmax+δ)≥360(5)由(5)式，可得到求取最小n值的關係式 按(6)式確定的最小值選取n，可確保移相器在滿足移相精度前提下的分段數最少。
當n確定後，按(1)(2)、(3)式的要求確定的任意一組i均能保證移相器實現高精度移相。
本發明所採用的磁通式激勵與飽和數字式激勵相結合提高移相精度的方法與通常採用單一的磁通式激勵或飽和數字式激勵方案提高移相精度的方法相比，具有如下技術特徵1.與磁通式激勵移相器相比，由於僅對移相範圍為0～cmax的鐵氧體段進行磁通式激勵，對相同的脈衝電流變化量而言，本發明所對應移相器相移的理論變化量約為磁通激勵式移相器的cmax/360°(cmax＝22.5°時此值僅為1/16)。由此可見，本發明能夠提高移相精度，並能更容易地實現高精度移相；2.與飽和數字式激勵移相器相比，雖然在結構上增加了一段鐵氧體，但其長度與n-1位飽和數字式激勵移相器的最小段鐵氧體長度基本一致，並且通過相移疊加，對各段鐵氧體的長度尺寸要求明顯放寬，因此，能夠在不增加開關時間的前提下，不僅降低製作難度，而且實現飽和數字式激勵方案難以達到的高精度移相；3.應用本發明的方法所獲得的鐵氧體移相器，其數控移相精度最高可以達到＜1°。


圖1用本發明所製作的鐵氧體移相器結構示意2移相器數控電路輸出端框3(a)飽和數字式激勵時磁滯回線上的剩磁點圖3(b)飽和數字式激勵時O點對應的電流圖3(c)飽和數字式激勵時E點對應的電流圖4(a)磁通式激勵時磁滯回線上的剩磁點圖4(b)磁通式激勵時O點對應的電流圖4(c)磁通式激勵時E1點對應的電流圖4(d)磁通式激勵時E2點對應的電流圖4(e)磁通式激勵時Em點對應的電流圖4(f)磁通式激勵時E點對應的電流圖5「相移值減小」示意圖具體實施方式
本發明的相移精度主要由磁通激勵鐵氧體段決定，當該段最大相移值cmax確定後，飽和數字式激勵鐵氧體段的相移值i和段數n可有多組取值。這些不同的取值組別對應的移相器均能滿足相移精度要求。在實際的移相器中，分段數n越小，移相器的結構越簡單、製作難度越低。因此，在相移精度不受影響的前提下，只有將n選在取值範圍內的最小點上，才能使移相器的設計方案處於最佳。
實施例一所要求的移相最大步進量δ＝1°。
當採用磁通式激勵的第1段鐵氧體的最大相移值cmax＝30°時，上述移相精度要求能夠被滿足。
根據關係式 確定n的最小值為4.54，對n取整為5，即需要五段鐵氧體；根據關係式(1)、(2)、(3)可確定其餘4段飽和數字式激勵的每一段鐵氧體的相移標稱值i依次為25°、51.3°、94°、184.5°。
本實施例移相器的結構如圖1所示。其中的1表示最大相移值為30°的鐵氧體環棒，該段環棒按磁通式激勵方式進行磁化。2、3、4、5為長度不等的鐵氧體環棒，分別用來產生25°、51.3°、94°、184.5°四個相移值。五段鐵氧體環棒沿波導縱向，即波傳播的方向依次緊密相連後，加載於矩形波導6的橫向中間位置。圖中7、8、9、10、11分別表示穿過環棒1、2、3、4、5的細導線，這些細導線的兩端通過各自所穿過的鐵氧體環棒端面的引線槽及波導側壁的引線孔穿出波導外，分別與圖2所示的驅動電路相應輸出端相連。圖1中的6表示金屬波導，12表示加載於移相段傳輸線與標準波導口之間的介質材料。這些介質材料與其所加載的波導一起構成阻抗變換網絡，以實現移相器傳輸線與外接傳輸線的阻抗匹配。
根據本發明所採用的磁通式激勵與飽和數字式激勵相結合的方法，各段鐵氧體環棒的移相過程如下首先，將鐵氧體環棒2、3、4、5的移相方式設定為飽和數字式激勵。這四段環棒被四段導線8、9、10、11中流過的脈衝電流分別磁化。當導線中流過圖3(b)所示的負向脈衝電流時，鐵氧體環棒的剩餘磁化強度對應於圖3(a)中磁滯回線上的O點(飽和磁化態對應的負向剩磁點)，可視為移相狀態的參考點或零點。當鐵氧體環棒中流過圖3(c)所示的正向脈衝電流時，相應的剩餘磁化強度對應於圖中的E點(飽和磁化態對應的正向剩磁點)，該點可視為移相狀態的移相點。如果用二進位碼「0」控制負向電流脈衝，用「1」控制正向電流脈衝，就可用四位二進位碼控制上述四段鐵氧體環棒的移相狀態。
其次，將環棒1按磁通式激勵方式進行移相。當環棒中流過圖4(b)所示的負向脈衝電流時，鐵氧體環棒的剩餘磁化強度對應於圖4(a)中磁滯回線上的O點(飽和磁化態對應的負向剩磁點)，該點仍被視為相移零點，相應的電流一般被稱為復位電流。當環棒中流過如圖4(c)、(d)、(e)、(f)所示的先有負向復位電流、再有幅度不斷增大的正向脈衝電流時，對應的剩磁點分別對應於圖4(a)中的E1、E2、…、Em、E等多個剩磁點。這些幅度不等的正向電流一般被稱為置位電流。如果用7位二進位碼控制這些不同剩磁態，就會產生2個移相狀態。這些移相狀態對應的相移值在0～30°範圍內變化。
將以上兩種移相方式組合，用7+4＝11位二進位碼控制整個移相器。控制碼與相移值的對應關係如下
由上可以看出，按照前面方法確定的相移值會使得相移在由小到大步進過程中出現「相移值減小」現象。這種現象的起始點均在飽和數字式激勵鐵氧體段控制碼不為「0」而磁通式激勵鐵氧體段控制碼為「0」時出現。如圖5所示，為了使相移值能夠按精度要求正常步進，必須在移相器使用中對存在「相移值減小」現象的一些控制狀態捨棄不用。當前述(1)、(2)、(3)關係式為等式時，則不會出現「相移值減小」現象。
表1是實施例一中兩種激勵方式相結合後所得的移相狀態測試結果摘錄。從表1可看出，實施例一實現了移相步進量＜1°的高精度。
表1實施例一移相器移相狀態測試結果(摘錄)


注表中帶「*」的狀態為「相移值減小」現象的起始點本發明的移相器傳輸線的橫向尺寸、縱向尺寸包括各段長度、驅動電路及阻抗變換網絡都採用業已成熟的方法進行設計。實施例一的移相器的特徵參數如下頻率範圍25～27GHz移相段波導橫向尺寸4×2.2mm2鐵氧體環棒橫向尺寸1.5×2.2mm2環棒中心孔橫向尺寸0.2×0.8mm2鐵氧體飽和磁化強度4500Gs5段鐵氧體長度分別為4.5、4、6.5、13、25.5mm最大脈衝電流4A5段鐵氧體的最大相移值分別為30°、25°、51.3°、94°、184.5°二進位控制碼位數11位(7位磁通)移相步進量(移相精度)＜1°實施例二所要求的移相最大步進量δ＝4°。
當採用磁通式激勵的第1段鐵氧體的最大相移值cmax＝57°時，上述移相精度要求能夠被滿足。
根據關係式

確定n的最小值為3.58，對n取整為4，即需要四段鐵氧體；根據關係式(1)、(2)、(3)可確定其餘3段飽和數字式激勵的每一段鐵氧體的相移標稱值i依次為51°、96.4°、187.2°。
本實施例各段鐵氧體相移疊加方式同實施例一。表2是本實施例移相狀態測試結果摘錄，從表2數據顯示，移相步進量≤4°。
表2實施例二移相器移相狀態測試結果(摘錄)

注表中帶「*」的狀態為「相移值減小」現象的起始點實施例二在毫米波頻段製作的高精度移相器特徵參數如下頻率範圍33～35GHz移相段波導橫向尺寸3.4×1.8mm2
鐵氧體環棒橫向尺寸1.2×1.8mm2環棒中心孔橫向尺寸0.2×0.8mm2鐵氧體飽和磁化強度4500Gs4段鐵氧體長度分別為7.5、7.0、14、27mm最大脈衝電流4A4段鐵氧體的最大相移值分別為57°、51°、96.4°、187.2°二進位控制碼位數8位(5位磁通)移相步進量(移相精度)≤4°實施例三所要求的移相最大步進量δ＝1°。
當採用磁通式激勵的第1段鐵氧體的最大相移值cmax＝30°時，上述移相精度要求能夠被滿足。
根據關係式 確定n的最小值為4.54，對n取整為5，即需要五段鐵氧體；根據關係式(1)、(2)、(3)可確定其餘4段飽和數字式激勵的每一段鐵氧體的相移標稱值i依次為30°、60°、110°、160°。
本實施例各段鐵氧體相移疊加方式同實施例一。
本實施例移相精度測試結果為移相步進量＜1°在移相器工程上，當單獨使用飽和數字式激勵方式時，對一個四位飽和數字式移相器而言，各段的理論標稱值必須為22.5°、45°、90°、180°，為了達到較好的移相精度，該器件對各段鐵氧體的相移值有較嚴格的要求——與理論標稱值的偏差平均在±5°以內。這使得飽和數字式移相器在製作過程中需要對各鐵氧體段的長度進行精細的調節。相比之下，本發明形成的移相器則允許各段鐵氧體的長度尺寸在較大範圍內變化，從而使製作難度降低。通過實施例一和實施例三可以看出，按本發明技術方案確定的各段相移值允許具有較大的變化範圍。即5個標稱值分別為30°、25°、51.3°、94°、184.5°的移相器和5個標稱值分別為30°、30°、60°、110°、160°的移相器均能實現高精度的數控移相功能。
權利要求
1.一種鐵氧體移相器實現高精度移相的方法，採用磁通式激勵與飽和數字式激勵結合的數控方式，滿足微波高頻移相器高精度移相要求，它將加載于波導中心的鐵氧體沿波的傳播方向分成n段，n≥2；其第1段採用磁通式激勵，其餘n-1段採用飽和數字式激勵；然後，將磁通式激勵段相移值與各飽和激勵段相移值進行疊加，使移相器在大於或等於360°範圍內，按磁通式激勵段的相移步進量實現了高精度移相。
2.根據權利要求所述的鐵氧體移相器實現高精度移相的方法，其特徵在於各段鐵氧體所對應的相移值及分段數量n按如下步驟確定1)根據所需求的相移最大步進量δ，設定第1段磁通式激勵鐵氧體的最大相移值cmax，使第1段鐵氧體對應的相移值在0～cmax之間按步進量δ變化；2)在cmax和δ給定的條件下，按如下式確定n的最小值 n≥2並取整3)在磁通式激勵鐵氧體段的最大相移值cmax確定後，飽和數字式激勵鐵氧體各段的相移標稱值i按如下關係式確定i≤i-1+i-2+Λ+2+cmax+δ i＝2，3，4，Λ，n-1，ncmax+2+3+Λ+n-1+n≥360n＜360
3.根據權利要求1、2所述的鐵氧體移相器實現高精度移相的方法，其特徵在於所述磁通式激勵段與各飽和數字式激勵段相移值按如下過程進行疊加1)用n-1位二進位碼控制電流脈衝對n-1段鐵氧體進行飽和數字式激勵；2)用m位二進位碼控制電流脈衝對第一段鐵氧體進行磁通式激勵，使移相器按不超過δ的步進量步進，在0°～cmax之間產生2m個移相狀態；3)將上述兩種移相方式組合，用m+n-1位二進位碼控制移相器，可以產生2m+n-1個移相狀態，在所述的移相狀態中，找出在360°範圍內最大步進量不超過δ的移相狀態，以實現高精度移相。
全文摘要
本發明涉及一種鐵氧體移相器實現高精度移相的方法，該方法採用磁通式激勵與飽和數字式激勵相結合的數控方式，使移相器產生高精度移相，具體做法是將波導中心加載的鐵氧體沿波的傳播方向分成n段，n≥2；其第1段採用磁通式激勵方式，其餘n－1段採用飽和數字式激勵方式；然後，將磁通式激勵段相移值與各飽和數字式激勵段相移值進行疊加，使移相器在大於或等於360°範圍內，按磁通式激勵段的步進量進行高精度數控移相。本發明與使用單一的磁通式激勵或飽和數字式激勵的數控移相方式相比，可有效地提高移相精度。其最高移相精度可達到＜1°，能滿足微波高頻段高精度移相的要求。
文檔編號H01P1/18GK1794513SQ200510022749
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年12月29日
發明者高昌傑, 張蔚華, 魯小剛, 楊卓, 楊景 申請人:中國兵器工業第二○六研究所