一種X波段五位數(shù)字移相器的研究與設(shè)計(jì)

安士全，郭本青

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

移相器是雷達(dá)、通信設(shè)備中的一種關(guān)鍵器件，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸信號(hào)相位的控制。移相器的相移精度和響應(yīng)速度等指標(biāo)的好壞直接影響到系統(tǒng)波束在空中定位的準(zhǔn)確性和波束主瓣對(duì)旁瓣的抑制度高低，影響系統(tǒng)指標(biāo)。有源相控陣?yán)走_(dá)天線一般由成百上千個(gè)相同的T/R組件組成，移相器的數(shù)量巨大。因此，對(duì)移相器的要求除了要滿足技術(shù)指標(biāo)外，其成本考慮也是一個(gè)重要因素。

利用GaAs HJ－FET 器件作為開關(guān)元件，本文設(shè)計(jì)了一種低成本的X波段五位數(shù)字移相器。利用ADS軟件首先對(duì)5個(gè)移相單元分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，后將5個(gè)移相單元級(jí)聯(lián)進(jìn)行整體仿真優(yōu)化，并進(jìn)行了加工和測試。測試表明，移相器各性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 移相器的工作原理及電路設(shè)計(jì)

數(shù)字移相器一般由微波開關(guān)、傳輸線或電抗元件構(gòu)成。通過改變微波開關(guān)的控制偏壓，移相器電路呈現(xiàn)兩種不同狀態(tài)，信號(hào)在開關(guān)兩種不同狀態(tài)而產(chǎn)生相移。圖1 是移相器的一般工作原理，輸入和輸出端一般是50 Ω的匹配線，控制端的不同輸入，移相器上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同的狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)下，信號(hào)會(huì)存在兩個(gè)不同的傳輸相位?1和?2，則相移為△?=?1－?2。

圖1 移相器的工作原理

五位數(shù)字移相器由5個(gè)移相單元級(jí)聯(lián)而成。每個(gè)移相單元是一個(gè)獨(dú)立的二態(tài)移相器，各有2個(gè)狀態(tài)。在各自的開關(guān)控制下，通過控制各個(gè)移相器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)每一位的移相功能，對(duì)5個(gè)獨(dú)立的移相位進(jìn)行不同狀態(tài)的組合，可以使得移相器系統(tǒng)在0°～360°范圍內(nèi)，以11.25°為步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)25=32個(gè)相移狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 五位數(shù)字移相器級(jí)聯(lián)示意圖

PIN 二極管是常用的微波控制元件，具有插損小、反應(yīng)時(shí)間短、體積重量小、對(duì)溫度變化穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。FET 器件通過柵極電壓控制漏源間的導(dǎo)通和截止，也可以作為開關(guān)使用，且其成本更低，功耗更小。本文采用NEC 公司的FET 器件NE3210S01 作為開關(guān)控制元件，整個(gè)移相器由5個(gè)移相單元串聯(lián)而成。

X波段移相器的設(shè)計(jì)，首先對(duì)每一移相位進(jìn)行單獨(dú)的仿真，建立電路的仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，然后將5 位級(jí)聯(lián)起來仿真。設(shè)計(jì)中采用Rogers 公司的RO4003 型基板，介電常數(shù)3.38，基片厚度0.508 mm，導(dǎo)體厚度0.035 mm，金屬電導(dǎo)率88×107。NE3210S01 器件導(dǎo)通時(shí)柵極電壓0 V，截止時(shí)柵極電壓－1.2 V，設(shè)計(jì)采用Agilent 公司的ADS 仿真軟件仿真，線性分析采用廠家提供的HJ－FET的S 參數(shù)。

1.1 加載線移相器設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)小相移時(shí)通常采用加載線型移相器形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗小、駐波比低、移相精度高等特點(diǎn)。因此，11.25°、22.5°移相位采用加載線型電路結(jié)構(gòu)。圖3為改進(jìn)型加載線移相器的電路結(jié)構(gòu)。改進(jìn)型的開關(guān)線移相器利用加載線移相器原理，在開關(guān)線移相器的一條支路上并聯(lián)電納，使得2 條支路上的傳輸相位曲線斜率相接近，從而減小2 條支路的固有相移偏差，具有更高的相移精度。

圖3 改進(jìn)型加載線移相器電路結(jié)構(gòu)

以22.5°為例，在ADS中建立移相單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。將移相器的相移量、輸入輸出駐波比以及開關(guān)兩態(tài)的插損設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化過程中，一般先選用隨機(jī)法以便電路快速達(dá)到較好性能，當(dāng)優(yōu)化到一定程度后，再采用梯度法，進(jìn)一步優(yōu)化電路性能。22.5°移相單元的仿真模型及結(jié)果如圖4所示，可以看出移相誤差在0.5°以內(nèi)。

圖4 22.5°位移相電路建模及仿真結(jié)果

1.2 反射型移相器設(shè)計(jì)

對(duì)于45°、90°和180°移相位，由于移相度數(shù)較大，采用反射型移相結(jié)構(gòu)。反射型移相器移相精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，適合移相度數(shù)較大的情況。圖5是反射型移相器的電路結(jié)構(gòu)。

圖5 反射型移相器原理圖

反射型移相器前端是一個(gè)3 dB 正交混合網(wǎng)絡(luò)，從端口1 輸入的功率被等分耦合到端口2和端口3，混合網(wǎng)絡(luò)后面接的是一段微帶線，用于匹配端口2、3和終端。然后通過開關(guān)接入反射終端Γ1和Γ2，反射端口1的輸入功率反射到端口4。端口4的輸出電壓波為

其中θ 是端口1 到端口4的傳輸總長度，狀態(tài)2時(shí)

由兩式得

則移相器的移相度數(shù):

以45°為例，建立ADS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。通過對(duì)移相、插損、回波損耗等參數(shù)設(shè)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，最終的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 45°位移相電路建模及仿真結(jié)果

1.3 整體電路設(shè)計(jì)

確定每一移相單元電路結(jié)構(gòu)后，根據(jù)具體指標(biāo)要求進(jìn)行整體分析和仿真，將5個(gè)移相單元級(jí)聯(lián)起來，對(duì)5個(gè)移相狀態(tài)分別進(jìn)行仿真。為了使32個(gè)相位狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的相移量盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)相移值且等間隔，需要對(duì)各部分的優(yōu)化尺寸再進(jìn)行微小調(diào)整。同時(shí)，為了較好地控制各狀態(tài)下的插入損耗起伏，對(duì)級(jí)聯(lián)起來的各單元移相電路之間的微帶傳輸線尺寸進(jìn)行多次取值分析，以求減小各級(jí)之間的駐波干擾。

最終對(duì)五位移相器整體進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，在12～12.5 GHz 頻率范圍內(nèi)RMS 小于3°，系統(tǒng)插入損耗小于2.8 dB，插入損耗最大變化小于0.6 dB，輸入駐波比小于1.4，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

各位移相器的駐波特性相當(dāng)重要。當(dāng)移相器的駐波較大時(shí)，各移相單元之間由于來回反射引起相位不確定而產(chǎn)生誤差。所以，為避免產(chǎn)生較大的相位誤差以及減小回波損耗，各移相單元在滿足相位精度和插入損耗指標(biāo)的前提下，輸入輸出駐波比要盡可能小。

2 移相器的測試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，加工的X波段五位數(shù)字移相器電路實(shí)物圖如圖7所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)移相器進(jìn)行了測試。在測試過程中，F(xiàn)ET 器件的控制電壓設(shè)置為－2 V。插損和相位的測試結(jié)果分別如圖8、9所示。可以看出，在設(shè)計(jì)的12～12.5 GHz 頻段內(nèi)FET器件全導(dǎo)通和全截止兩種狀態(tài)下(移相為0°和348.75°時(shí)）的插損值在7.5 ±2 dB 范圍內(nèi)，各基本移相位及移相器整體的反射系數(shù)均優(yōu)于－12 dB，如圖10所示。移相精度90°位誤差最大，為±3.2 °，180°位最理想，最大誤差±2.1°，其余移相位都在±2°以內(nèi)，其中11.25°移相位的最大誤差小于±1.2°，總體來說與仿真結(jié)果符合良好。如果對(duì)90°位進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)可以將移相器的精度進(jìn)一步提高，更好地使用。測試結(jié)果中插損的指標(biāo)與仿真結(jié)果差別比較大，主要有如下幾方面原因:(1）測試用的輸入輸出連接器帶來一定插損;(2）微帶板材及加工工藝帶來的傳輸損耗;(3）微帶板與盒體間采用螺釘固定方式，接地不好，插損較大;(4）測試本身帶來一定誤差。因此，若要改善插損指標(biāo)，可以在微帶板板材、加工工藝、電裝等方面著手，采用傳輸損耗小的板材，且微帶線表面鍍金，微帶板的安裝采用焊接方式等。

圖7 X波段五位數(shù)字移相器實(shí)物圖

圖8 移相器插損測試曲線

圖9 移相器移相精度測試曲線

圖10 5個(gè)基本移相位及整體移相器的駐波測試曲線

3 結(jié)束語

本文利用FET 器件作為開關(guān)元件，運(yùn)用ADS 仿真軟件，采用先獨(dú)立后整體的設(shè)計(jì)思路，對(duì)X波段移相器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并進(jìn)行了實(shí)際電路加工和測試，測試結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此，在對(duì)移相器的尺寸要求不高的場合可以替代MMIC 移相器，而整個(gè)移相器的硬件成本僅為MMIC 移相器價(jià)格的幾分之一，可以有效降低移相器的成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。

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