CN109004365A - 一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路。通过在传统定向耦合器的直通端口和耦合端口添加工作在微波或毫米波段的PIN管或者JFET管，通过控制PIN管正负极两端的直流偏置电压或JFET管栅极g到源极s两端的直流偏置电压，从而改变直通端口、耦合端口的反射系数，影响定向耦合器四端口网络的S参数分布。本发明实现了对电路中射频信号同时调幅调相的功能，降低了毫米波段通信对高成本TR组件的依赖，解决了微波或者毫米波领域对射频信号幅度、相位自主控制调节的工程问题，精简了电路，避免了传统幅相控制电路中模拟器件的组合使用，降低了成本。

Description

一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路
技术领域
本发明涉及微波、毫米波段幅相可控电路领域，尤其是一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路。
背景技术
众所周知，目前世界范围内使用的通信频段资源非常紧缺，但是毫米波频段的资源是非常丰富的。同时随着5G通信技术逐渐步入应用时代，无论是毫米波段的天线架构，亦或是后端射频处理电路的需求都在逐渐增加，而现有的一些微波毫米波段的射频电路架构规模之大、成本之高。5G通信研究的主要波段集中在9.9～86GHz之间，以LTE技术为基础，进行关于网络覆盖面的研究。在28GHz毫米波段上，当前基站的天线规模呈逐渐上升的趋势，多天线、大阵列带来的多波束赋形以及自适应调零等技术就越发地重要和关键，这就迫切地需要一种能工作在毫米波段的幅相控制电路去自适应地调节射频通路中信号的幅值和相位，来实现阵列天线的多波束赋形。
目前已有的架构存在以下问题：
1、架构复杂，需要引入移相器对信号进行调相，需要引入衰减器对信号进行调幅，从而使得传统幅相控制电路规模较大。
2、现有毫米波段的TR组件成本较高。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路。经实验验证，该电路能够在微波、毫米波段对定向耦合器通路中的射频信号起到衰减和移相的作用。
本发明所采用的技术方案是：
本发明在定向耦合器的直通端口和耦合端口均连接上相同的一个PIN管或JFET管，PIN管或JFET管均工作在微波或毫米波段，通过控制PIN管正负极两端或JFET管栅极g到源极s两端的直流偏置电压，改变直通端口、耦合端口的反射系数，进而影响定向耦合器四端口网络的S参数分布，实现对于微波或毫米波信号的幅度和相位同时调节，能够使得信号从定向耦合器的输入端口输入，从隔离端口输出，直通端口和耦合端口不输出信号。
所述的PIN管的负极分别连接到定向耦合器的直通端口和耦合端口，直通端口和耦合端口各自PIN管的正极相连后连接到直流偏置电压控制端。
所述的JFET管的漏极连接到直通端口/耦合端口，直通端口和耦合端口处的JFET管的栅极相连后连接到直流偏置电压控制端，直通端口和耦合端口处的JFET管的源极相连后接地。
所述定向耦合器具有任意耦合度和任意实现形式(例如微带或波导耦合器)。
所述的PIN管或JFET管两端的直流偏置电压用DAC或者电位器进行控制。
通过检测定向耦合器中输入端口到隔离端口的散射参数S31的变化来衡量电路对于射频信号幅度和相位的调节能力。
通过调节定向耦合器尺寸结构以及选取对应波段的PIN二极管或者JFET管，可以使本发明中的控制电路工作在微波段或者毫米波段。
本发明在定向耦合器直通端口和耦合端口引入PIN二极管或JFET管，通过控制二极管或者场效应管两端的直流偏置实现信号幅度相位控制。
优选地，所述的电路微带结构PCB板材采用高频线路板材料RO4350B。
优选地，所述的PIN二极管采用MACOM公司的MA4GP907。
优选地，所述电路中二极管的正向偏置电压由微型控制处理器STM32程序控制DAC(如：AD5688)提供。
所述的电路通过变化直流偏置电压进行调幅调相，采用ADS(电子设计自动化软件)仿真的方式从理论上给出本电路幅度相位可以同时调节的可行性。
所述的定向耦合器中输入端口到隔离端口的S31参数指标在实际测量中可以通过ZNB矢量网络分析仪获取。
本发明在实施例中研究电路S参数同直流偏置电压的变化曲线，可以明显直观地看到本电路能够对通路中的射频信号起到调幅调相的作用。
本发明具有的有益效果：
1、工作频段涉及微波段、毫米波段，电路架构扩展性大，覆盖面广。
2、所述定向耦合器可以具有任意耦合度(3dB、6dB等)和任意实现形式(微带、波导)。
3、电路能够满足对信号同时调幅调相的需求，电路规模小，构架简单，仅一个器件就能实现幅度和相位同时调节，避免了大量多种模拟器件结合使用的繁琐(如移相器和衰减器共同采用等)。
4、采用价格低廉的PIN二极管或者JFET管，电路成本低。
5、提出在定向耦合器直通端口和耦合端口引入PIN二极管或者JFET管，通过DAC控制PIN管正负极两端或JFET管栅极g到源极s两端的直流偏置电压或者通过电位计改变上述两个耦合端口处的等效电阻，从而改变定向耦合器各端口的S参数。
6、能够为射频架构解决5G通信中面临的多波束赋形问题提供电路层面的技术支持。
综合来说，本发明的控制电路实现了对耦合器中射频信号同时调幅调相的功能，同时自身架构大大精简了传统射频幅相控制电路，避免了移相器、衰减器等诸多模拟器件的组合使用，降低了成本。
本发明可以极大程度上满足诸多通信方式下对各自工作频段的要求，降低毫米波段通信对高成本TR组件的依赖，解决了微波或者毫米波领域对射频信号幅度、相位自主控制调节的工程问题，有着广阔的市场前景。
附图说明
附图1为一种标准的四端口网络--连接信号源和负载的理想同向定向耦合器。
图中的箭头表明了定向耦合器中射频信号的传输方向。
图中四条指向中间矩形方框的波浪线为各自端口处的入射波，由中间矩形方框向外指向的四条波浪线为各自端口处的反射波。其中，Z0为隔离端口3和耦合端口4处的理想匹配负载，它的大小为50Ω。
附图2为微带方形定向耦合器。
图中信号从端口①输入，仅端口②与端口④有信号输出，端口③隔离。微带通路由两条主线、两条副线、两条上下平行连接线和两条左右分支线构成。
图中Z1为端口①处输入主线的特征阻抗；Z2为端口②处直通主线的特征阻抗；Z3为端口③处隔离副线的特征阻抗；Z4为端口④处耦合副线的特征阻抗；Zo1-top为上端平行连接线的特征阻抗；Zo1-bottom为下端平行连接线的特征阻抗；Zo2-left为左侧分支线的特征阻抗；Zo2-right为右侧分支线的特征阻抗。
附图3为本发明采用的幅相可控电路构架图。
图中PIN二极管的负极加在定向耦合器的直通端口和耦合端口，PIN二极管的正极相连后连接到直流偏置电压Vcontrol，信号从输入端口1输入，从隔离端口3输出。
图中为端口1处的入射电压，为端口1处的反射电压；
图中为端口2处的入射电压，为端口2处的反射电压；
图中为端口3处的入射电压，为端口3处的反射电压；
图中为端口4处的入射电压，为端口4处的反射电压；
图中Γ2为端口2处的反射系数，Γ4为端口4处的反射系数；
图中S31为端口1到端口3的正向传输系数。
附图4为本发明幅相可控电路实际尺寸的结构版图，以工作在毫米波段的3dB方形定向耦合器为例进行尺寸说明。
图中TL1～TL8依次表示各自所在微带线线段，微带线单位：mm。
P1为端口1的入射信号，P3为端口3的出射信号。
Vcontrol为PIN二极管的正极所接的直流偏置电压。
附图5为34.0GHz处信号幅值、相位信息随PIN二极管正向偏置电压变化的关系曲线。
图中实线表明了本发明的幅相可控电路在34.0GHz的调幅功能。
图中虚线表明了本发明的幅相可控电路在34.0GHz的调相功能。
附图6为不同工作频率时定向耦合器S31的幅值信息|S31|同PIN二极管正向偏置电压之间的关系曲线。附图7为不同工作频率时定向耦合器S31的相位信息∠S31同PIN二极管正向偏置电压之间的关系曲线。
其中，S31为定向耦合器输入端口到隔离端口的散射参数。|S31|为定向耦合器S31的幅值信息，∠S31为定向耦合器S31的相位信息。
图6、7中不同颜色的曲线分别代表了本电路选取相应工作频点的PIN二极管时，不同频点处的幅值和相位的调节能力，图上频率范围从33.8GHz～34.2GHz。
图5～图7中，Amplitude代表S31的幅值信息，Phase代表S31的相位信息，Voltage代表直流偏置电压。
附图8为定向耦合器直通、耦合两端口接JFET管时的连接方式。
其中，对JFET管而言，g为栅极，d为漏极，c为源极。
P1为端口1的入射信号，P3为端口3的出射信号。
S31为定向耦合器输入端口到隔离端口的散射参数。
漏极d到源极s间的偏置电压Vds＝1V。
Vcontrol为PIN二极管的正极所接的直流偏置电压。
附图9为JFET管漏极d到源极s间的阻值Rds随栅极g到源极s间的偏置电压Vgs之间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图4实例对本发明做进一步说明。
本发明实施以方形分支定向耦合器为例，说明本发明的工作原理：
设置如下目标：其他三个端口2、3、4匹配时，端口1的反射系数S11≤-30dB、从端口1到端口2的正向传输系数S21≥-3.2dB、从端口1到端口3的正向传输系数S31≤-30dB、从端口1到端口4的正向传输系数S41≥-3.2dB，定向耦合器工作频点为34.0GHz附近，优化得到定向耦合器的微带尺寸参数。
然后，在直通端口、耦合端口处添加PIN二极管，PIN二极管选用MA4GP907，同时引入直流偏置电压Vcontrol。最后，绘制出定向耦合器|S31|、∠S31信息随直流偏置电压的变化曲线，分析电路中信号幅值、相位的调节情况及变化范围，依次说明本发明架构设计能够同时实现幅相可控。
图1所示为连接信号源和负载的理想定向耦合器，假设输入电压信号从端口1输入，则到达端口3的信号有两路，一路是由图2中左分支线直达，其波程为λg/4；另一路先经过上端平行连接线，再经过右分支线，最后从底部平行连接线到达端口3，波程为3λg/4，故两条路径到达的波程差为λg/2，相应的相位差为π，即相位相反，λg表示波导波长。因此若选择合适的特征阻抗，使到达端口3的两路信号振幅相等，则端口3处的两路信号相互抵消，实现隔离。进一步分析，到达端口4的两路信号为相同信号，端口4因此为耦合端口。
对于一个标准的四端口网络，各端口处的入射电压信号和反射电压信号可以通过如下的S矩阵来描述两者之间的关系：
其中，S11为端口1的反射系数，S12为端口2到端口1的反向传输系数，S13为端口3到端口1的反向传输系数，S14为端口4到端口1的反向传输系数；S21为端口1到端口2的正向传输系数，S22为端口2的反射系数，S23为端口3到端口2的反向传输系数，S24为端口4到端口2的反向传输系数；S31为端口1到端口3的正向传输系数，S32为端口2到端口3的正向传输系数，S33为端口3的反射系数，S34为端口4到端口3的反向传输系数；S41为端口1到端口4的正向传输系数，S42为端口2到端口4的正向传输系数，S43为端口3到端口4的正向传输系数，S44为端口4的反射系数。
图2所示为方形定向耦合器，该方形定向耦合器由平行连接线、主线、副线和两条分支线组成，其中各部分连接线的长度和间距均取决于定向耦合器的工作中心频率。假设输入端口1的主线入口线的特征阻抗为Z1＝Z0，直通端口2的主线出口线的特征阻抗为Z2＝Z0k＝Z0；隔离端口3的副线的特征阻抗为Z3＝Z0；耦合端口4的副线的特征阻抗为Z4＝Z0k＝Z0，其中，Z0表示微带结构中标准特征阻抗50Ω，k表示阻抗变化比。上下两个平行连接线的特征阻抗为分别为Zo1-top、Zo1-bottom，左右两个分支线特征阻抗为Zo2-left、Zo2-right。下面给出相应的计算公式，假设耦合端口4的反射电压为则该定向耦合器的耦合度C为：
其中，表示耦合端口4处的入射电压，k表示阻抗变化比。
各线(两条平行连接线和两条分支线)的特征阻抗与端口4的反射波电压为的关系式为：
其中，Zo1-top表示上端平行连接线的特征阻抗，Zo1-bottom表示下端平行连接线的特征阻抗，Zo2-left表示输入端口1和隔离端口3之间的分支线的特征阻抗，Zo2-right表示直通端口2和耦合端口4之间的分支线的特征阻抗，Z0表示微带结构中标准特征阻抗50Ω，k表示阻抗变化比，表示耦合端口4处的入射电压。
对上述推导进一步分析可知，当给出定向耦合器要求的耦合度C以及阻抗变化比k时，可以计算得出耦合端口4的入射电压的数值大小，再结合上述相应的公式算得的各线特征阻抗，从而可设计出相应的耦合度为C定向耦合器。以耦合度C＝3dB、阻抗变换比k＝1的特殊定向耦合器(3dB方形定向耦合器)为例。此时：
其中，Z0表示微带结构中标准特征阻抗50Ω，k表示阻抗变化比，表示耦合端口4处的入射电压，Zo1-top表示上端平行连接线的特征阻抗，Zo1-bottom表示下端平行连接线的特征阻抗，Zo2-left表示输入端口1和隔离端口3之间的分支线的特征阻抗，Zo2-right表示直通端口2和耦合端口4之间的分支线的特征阻抗
图3所示为基于微带定向耦合器的幅相可控电路架构原理图。在直通端口和耦合端口处添加PIN二极管，端口处的入射电压与反射电压的关系如下(V+为各自端口处的入射电压、V-为相应端口处的反射电压)：
为端口1处的入射电压，为端口1处的反射电压；
为端口2处的入射电压，为端口2处的反射电压；
为端口3处的入射电压，为端口3处的反射电压；
为端口4处的入射电压，为端口4处的反射电压。
上述各S参数同图1分析中S参数所指代的含义。
对于图3所示的定向耦合器而言，包含以下关系：
S11＝S22＝S33＝S44＝S13＝S31＝S24＝S42＝0
定向耦合器的散射矩阵S为：
其中，j表示虚部；
若定向耦合器耦合度为C dB，则定向耦合器的散射矩阵SC为：
当端口2、4(即直通端口和耦合端口)接相同PIN二极管时，反射系数相同：
其中，j表示虚部，Γ表示定向耦合器中的直通端口和耦合端口的反射系数，Γ2表示直通端口的反射系数，Γ4表示耦合端口的反射系数。
端口1、3(即输入端口和隔离端口)的反射系数为：
对于理想的定向耦合器存在则S11＝S22＝0。对上述定向耦合器的和公式进行如下变形：
|S31|＝|Γ|
∠S31＝-π/2+πsgn(Γ)/2
其中，|S31|为定向耦合器S31的幅值信息，∠S31为定向耦合器S31的相位信息，sgn()表示符号函数，Γ表示定向耦合器中的直通端口和耦合端口的反射系数。
即当定向耦合器耦合度为C dB时：
从上述公式可见，定向耦合器耦合度C不管是多少，都能通过改变直通端口和耦合端口的反射系数Γ数值的大小来控制结构内射频信号的幅度和相位，使得信号从隔离端口输出，直通端口和耦合端口不输出信号。
众所周知，理想的PIN二极管或者JFET管的电阻值随着管内正向偏置电流的变化而变化，变化范围从0Ω到几百Ω不等。因此，当不考虑寄生效应时，理想的PIN二极管的反射系数Γ＝-1～1。通过直流偏置电压控制PIN二极管或者JFET管的等效阻值变化，进而改变定向耦合器直通端口和耦合端口实际匹配负载的大小，端口失配的同时，直通端口2和耦合端口4的反射系数Γ发生改变，不再等于0，定向耦合器的S参数(如S31)也随之发生变化。
上述|S31|、∠S31两个公式从理论层面推导证明了本发明中的新型电路架构可以对通路中射频信号的幅值和相位产生调节作用。
本发明实施例(图4)
本实例电路基本结构以3dB微带定向耦合器为例进行实现，基于高频线路板材RO4350B进行微带布线，板材介电常数εr＝3.48±0.05、板材厚度H＝0.254mm、板材表面铺铜厚度H＝1oz(35μm)、板材损耗因子0.0037。信号P1从图4中的端口1输入，从端口3输出信号P3，微带电路右侧两个端口2、4分别添加MACOM公司的PIN二极管--MA4GP907，同样的也可如图8添加JFET管(如J2N3819、J2N5952)。STM32微型处理控制器上编写嵌入式程序控制16bit DAC(如AD5668)改变PIN二极管正负极两端或者JFET管栅极g到源极s两端的正向直流偏置电压的大小。与此同时端口1、3外接SMA接口，进一步通过同轴线将本发明电路中的端口1接到ZNB矢量网络分析仪的port1；通过同轴线将本发明电路中的端口3接到ZNB矢量网络分析仪的port2，矢网上观察S21参数随直流偏置的变化情况，此时矢量网络分析仪上的S21参数即表示本发明电路中S31参数。其中电路上微带线尺寸如图4所示：
TL1、TL3、TL4、TL6:W1＝0.421mm；L1＝9.148mm
TL2、TL5:W2＝0.753mm；L2＝4.520mm
TL7、TL8:W1＝0.421mm；L3＝9.941mm
公式中，TL1表示如图4中TL1所在微带线线段，TL2表示如图4中TL2所在微带线线段，TL3表示如图4中TL3所在微带线线段，TL4表示如图4中TL4所在微带线线段，TL5表示如图4中TL5所在微带线线段，TL6表示如图4中TL6所在微带线线段，TL7表示如图4中TL7所在微带线线段，TL8表示如图4中TL8所在微带线线段。
W1表示TL1、TL3、TL4、TL6、TL7、TL8微带线线段的宽度；
W2表示TL2、TL5微带线线段的宽度；
L1表示TL1、TL3、TL4、TL6微带线线段的长度；
L2表示TL2、TL5微带线线段的长度；
L3表示TL7、TL8微带线线段的长度；
结合图5可以看到：以幅相可控电路工作在34.0GHz时为例子，当偏置电压从0mV变化到1400mV，信号幅值变化：-22.41dB～-9.559dB；相位变化：104.8deg～-6.572deg。综上所述，该新型电路幅值调节范围达到了13dB，相位调节范围达到了111deg。
结合图6、图7(图6、图7中以工作在34.0GHz附近的PIN二极管和相应频段的定向耦合器结构为例)，当选取工作在微波段或者毫米波段的PIN管或者JFET管，同时设计相应频段的定向耦合器结构时，本发明则能够实现对多波段(微波段或者毫米波段)信号幅度和相位的控制，也更为5G通信领域的射频电路提供了更多的参考和应用前景。

Claims (6)

1.一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路，其特征在于：在定向耦合器的直通端口和耦合端口均连接上相同的一个PIN管或JFET管，PIN管或JFET管均工作在微波或毫米波段，通过控制PIN管或JFET管两端的直流偏置电压，实现对于微波或毫米波信号的幅度和相位同时调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路，其特征在于：所述的PIN管的负极分别连接到定向耦合器的直通端口和耦合端口，直通端口和耦合端口各自PIN管的正极相连后连接到直流偏置电压控制端。
3.根据权利要求1所述的一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路，其特征在于：所述的JFET管的漏极连接到直通端口/耦合端口，直通端口和耦合端口处的JFET管的栅极相连后连接到直流偏置电压控制端，直通端口和耦合端口处的JFET管的源极相连后接地。
4.根据权利要求2所述的一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路，其特征在于：所述的PIN管或JFET管两端的直流偏置电压用DAC或者电位器进行控制。
5.根据权利要求2所述的一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路，其特征在于：通过检测定向耦合器中输入端口到隔离端口的散射参数S31的变化来衡量电路对于射频信号幅度和相位的调节能力。
6.根据权利要求2所述的一种基于定向耦合器的微波或毫米波幅度和相位控制电路，其特征在于：通过调节定向耦合器尺寸结构以及选取对应波段的PIN二极管或者JFET管，可以使本发明中的控制电路工作在微波段或者毫米波段。
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