CN100413144C - 铁氧体移相器实现高精度移相的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁氧体移相器实现高精度移相的方法,该方法采用磁通式激励与饱和数字式激励相结合的数控方式,使移相器产生高精度移相,具体做法是:将波导中心加载的铁氧体沿波的传播方向分成n段,n≥2;其第1段采用磁通式激励方式,其余n-1段采用饱和数字式激励方式;然后,将磁通式激励段相移值与各饱和数字式激励段相移值进行叠加,使移相器在大于或等于360°范围内,按磁通式激励段的步进量进行高精度数控移相。本发明与使用单一的磁通式激励或饱和数字式激励的数控移相方式相比,可有效地提高移相精度。其最高移相精度可达到<1°,能满足微波高频段高精度移相的要求。
Description
技术领域
本发明属于波导型传输线领域,具体涉及一种铁氧体移相器实现高精度移相的方法,应用于提高微波/毫米波波导铁氧体移相器的移相精度。
技术背景
相对于二极管、MMIC等型式的移相器而言,用于微波高频段的波导内加载铁氧体环棒的移相器在插入损耗指标方面具有绝对优势,后者插入损耗仅有前者的1/10左右。铁氧体数控移相器的原理如下:用脉冲激励电流对移相器中的铁氧体进行剩余磁化,不同方向或不同幅度大小的脉冲电流对应不同方向或大小的剩余磁化强度。而铁氧体剩余磁化强度的方向或大小的改变,会使得移相器中电磁波的传播常数发生变化,从而将对通过移相器的电磁波产生不同的附加相移。当用二进制码对脉冲电流的大小和方向进行控制,从而使移相器对电磁波产生的附加相移受控时,便可实现铁氧体移相器的数控移相。
根据上述原理可知,数控移相器相移大小与磁化电流的大小、方向及铁氧体材料的长度等三项因素有关。于是,通常按两种方式实现数控移相:
①磁通式激励——在铁氧体长度一定的前提下,通过改变磁化电流的方向和大小,即改变铁氧体中外加磁场的磁通量产生相移。
②饱和数字式激励/铁氧体分段数字式激励——在磁化电流大小一定的前提下,通过改变磁化电流的方向和铁氧体的长度产生相移。
在实际使用中,磁通式激励移相器一般采用多位控制码将磁化电流幅度大小的变化量控制到较高精度。但由于其所对应的铁氧体纵向尺寸很长(相应的最大相移应大于360°),相应的实际移相器一般也只能实现4位~6位控制码数控移相。其中,4位码对应的相移步进标称值为22.5°;6位对应的相移步进标称值为5.625°。用磁通式激励方案难以实现步进相移的高精度。不仅如此,由于较长的铁氧体尺寸及磁通激励所必须的串行脉冲电流数目的增加,也使得磁通式激励移相器的开关时间明显偏大。
饱和数字式激励移相器通常将波导中的铁氧体沿波的传播方向分成数段,每段分别对应1位二进制控制码。具体的分段数即为通常所说的移相器的位数,如:产生移相的铁氧体分四段的便称作四位数字式移相器。
相比较而言,饱和激励数字式移相器的最大优点在于:开关时间相对较小。由于在工程实际中铁氧体的物理长度难以做得太小,如在8mm波段,每1°相移所对应的铁氧体长度约为0.13mm。因此,用饱和数字式激励方案难以实现高精度的相移步进。在微波工程上,饱和数字式激励移相器一般也只能实现4位~5位数控移相,其中,5位对应的相移步进标称值为11.25°。该移相器还存在结构较为复杂、调试和制作难度偏大之不足。
综上可知,用于微波高频段的数控移相器,无论是采用饱和数字式激励,或是采用磁通式激励,都很难实现相移步进量不超过1°的高精度数控移相。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术之不足,提供一种铁氧体移相器实现高精度移相的方法,以便在微波高频段获得高精度数控移相器。
实现本发明目的的技术方案是采用磁通式激励与饱和数字式激励相结合的数控方式,来提高铁氧体移相器的移相精度。它将加载于波导中心的铁氧体沿波的传播方向分成n段,n≥2。其第1段采用磁通式激励,其余n-1段采用饱和数字式激励;然后,将磁通式激励段相移值与各饱和数字式激励段相移值进行叠加,使移相器在大于或等于360°范围内,按磁通式激励段的步进量实现高精度移相。
所述磁通式激励段与各饱和数字式激励段相移值进行叠加过程如下:
1)用n-1位二进制码控制电流脉冲对n-1段铁氧体进行饱和数字式激励;
所述各段铁氧体所对应的相移值及分段数量n按如下步骤确定:
各段铁氧体对应的相移值及分段数量n的确定原则是:①磁通式激励段对应的最大相移步进量满足精度要求;②各段铁氧体的相移值能够保证在超过360°范围内叠加出满足最大步进相移的任意一个移相状态;③在保证移相精度的前提下,满足分段数量n≥2并尽可能地小。
根据上述原则,各段铁氧体对应的相移值及分段数量n的具体确定步骤如下:
注:以上关系式中的变量单位均为度
由(1)式可得:
i=2,3,4,…,n-1,n (4)
由(4)与(2)可得:
由(5)式,可得到求取最小n值的关系式:
按(6)式确定的最小值选取n,可确保移相器在满足移相精度前提下的分段数最少。
本发明所采用的磁通式激励与饱和数字式激励相结合提高移相精度的方法与通常采用单一的磁通式激励或饱和数字式激励方案提高移相精度的方法相比,具有如下技术特征:
1.与磁通式激励移相器相比,由于仅对移相范围为的铁氧体段进行磁通式激励,对相同的脉冲电流变化量而言,本发明所对应移相器相移的理论变化量约为磁通激励式移相器的时此值仅为1/16)。由此可见,本发明能够提高移相精度,并能更容易地实现高精度移相;
2.与饱和数字式激励移相器相比,虽然在结构上增加了一段铁氧体,但其长度与n-1位饱和数字式激励移相器的最小段铁氧体长度基本一致,并且通过相移叠加,对各段铁氧体的长度尺寸要求明显放宽,因此,能够在不增加开关时间的前提下,不仅降低制作难度,而且实现饱和数字式激励方案难以达到的高精度移相;
3.应用本发明的方法所获得的铁氧体移相器,其数控移相精度最高可以达到<1°。
附图说明
图1:用本发明所制作的铁氧体移相器结构示意图
图2:移相器数控电路输出端框图
图3(a):饱和数字式激励时磁滞回线上的剩磁点
图3(b):饱和数字式激励时O点对应的电流
图3(c):饱和数字式激励时E点对应的电流
图4(a):磁通式激励时磁滞回线上的剩磁点
图4(b):磁通式激励时O点对应的电流
图4(c):磁通式激励时E1点对应的电流
图4(d):磁通式激励时E2点对应的电流
图4(e):磁通式激励时Em点对应的电流
图4(f):磁通式激励时E点对应的电流
图5:“相移值减小”示意图
具体实施方式
本发明的相移精度主要由磁通激励铁氧体段决定。当该段最大相移值确定后,饱和数字式激励铁氧体段的相移值和段数n可有多组取值。这些不同的取值组别对应的移相器均能满足相移精度要求。在实际的移相器中,分段数n越小,移相器的结构越简单、制作难度越低。因此,在相移精度不受影响的前提下,只有将n选在取值范围内的最小点上,才能使移相器的设计方案处于最佳。
实施例一:
本实施例移相器的结构如图1所示。其中的1表示最大相移值为30°的铁氧体环棒,该段环棒按磁通式激励方式进行磁化。2、3、4、5为长度不等的铁氧体环棒,分别用来产生25°、51.3°、94°、184.5°四个相移值。五段铁氧体环棒沿波导纵向,即波传播的方向依次紧密相连后,加载于矩形波导6的横向中间位置。图中7、8、9、10、11分别表示穿过环棒1、2、3、4、5的细导线,这些细导线的两端通过各自所穿过的铁氧体环棒端面的引线槽及波导侧壁的引线孔穿出波导外,分别与图2所示的驱动电路相应输出端相连。图1中的6表示金属波导,12表示加载于移相段传输线与标准波导口之间的介质材料。这些介质材料与其所加载的波导一起构成阻抗变换网络,以实现移相器传输线与外接传输线的阻抗匹配。
根据本发明所采用的磁通式激励与饱和数字式激励相结合的方法,各段铁氧体环棒的移相过程如下:
首先,将铁氧体环棒2、3、4、5的移相方式设定为饱和数字式激励。这四段环棒被四段导线8、9、10、11中流过的脉冲电流分别磁化。当导线中流过图3(b)所示的负向脉冲电流时,铁氧体环棒的剩余磁化强度对应于图3(a)中磁滞回线上的O点(饱和磁化态对应的负向剩磁点),可视为移相状态的参考点或零点。当铁氧体环棒中流过图3(c)所示的正向脉冲电流时,相应的剩余磁化强度对应于图中的E点(饱和磁化态对应的正向剩磁点),该点可视为移相状态的移相点。如果用二进制码“0”控制负向电流脉冲,用“1”控制正向电流脉冲,就可用四位二进制码控制上述四段铁氧体环棒的移相状态。
其次,将环棒1按磁通式激励方式进行移相。当环棒中流过图4(b)所示的负向脉冲电流时,铁氧体环棒的剩余磁化强度对应于图4(a)中磁滞回线上的O点(饱和磁化态对应的负向剩磁点),该点仍被视为相移零点,相应的电流一般被称为复位电流。当环棒中流过如图4(c)、(d)、(e)、(f)所示的先有负向复位电流、再有幅度不断增大的正向脉冲电流时,对应的剩磁点分别对应于图4(a)中的E1、E2、…、Em、E等多个剩磁点。这些幅度不等的正向电流一般被称为置位电流。如果用7位二进制码控制这些不同剩磁态,就会产生27个移相状态。这些移相状态对应的相移值在0~30°范围内变化。
将以上两种移相方式组合,用7+4=11位二进制码控制整个移相器。控制码与相移值的对应关系如下:
由上可以看出,按照前面方法确定的相移值会使得相移小到大步进过程中出现“相移值减小”现象。这种现象的起始点均在饱和数字式激在由励铁氧体段控制码不为“0”而磁通式激励铁氧体段控制码为“0”时出现。如图5所示,为了使相移值能够按精度要求正常步进,必须在移相器使用中对存在“相移值减小”现象的一些控制状态舍弃不用。当前述(1)、(2)、(3)关系式为等式时,则不会出现“相移值减小”现象。
表1是实施例一中两种激励方式相结合后所得的移相状态测试结果摘录。从表1可看出,实施例一实现了移相步进量<1°的高精度。
表1:实施例一移相器移相状态测试结果(摘录)
数控二进制码 | 相移值 | 数控二进制码 | 相移值 | 数控二进制码 | 相移值 |
0000<u>0000000</u> | 0° | 0000<u>0011001</u> | 1 | 0000<u>0011010</u> | 1.1 |
0000<u>0011011</u> | 1.2 | 0000<u>0011100</u> | 1.3 | 0000<u>0011101</u> | 1.4 |
0000<u>0011110</u> | 1.4 | 0000<u>0011111</u> | 1.5 | 0000<u>0100000</u> | 1.6 |
0000<u>0100001</u> | 1.8 | 0000<u>0100010</u> | 2 | 0000<u>0100011</u> | 2.2 |
0000<u>0100100</u> | 2.4 | 0000<u>0100101</u> | 2.6 | 0000<u>0100110</u> | 2.8 |
0000<u>0100111</u> | 3 | 0000<u>0101000</u> | 3.2 | 0000<u>0101001</u> | 3.5 |
0000<u>0101010</u> | 4 | 0000<u>0101011</u> | 4.2 | 0000<u>0101100</u> | 4.5 |
0000<u>0101101</u> | 4.7 | 0000<u>0101110</u> | 5 | 0000<u>0101111</u> | 5.5 |
0000<u>0110000</u> | 5.7 | 0000<u>0110001</u> | 6 | 0000<u>0110010</u> | 6.5 |
0000<u>0110011</u> | 6.8 | 0000<u>0110100</u> | 7.1 | 0000<u>0110101</u> | 7.4 |
0000<u>0110110</u> | 8 | 0000<u>0110111</u> | 8.3 | 0000<u>0111000</u> | 8.6 |
0000<u>0111001</u> | 9 | 0000<u>0111010</u> | 9.5 | 0000<u>0111011</u> | 10 |
0000<u>0111100</u> | 10.5 | 0000<u>0111101</u> | 11 | 0000<u>0111110</u> | 11.5 |
0000<u>0111111</u> | 12 | 0000<u>1000000</u> | 12.6 | 0000<u>1000001</u> | 12.7 |
0000<u>1000010</u> | 13 | 0000<u>1000011</u> | 13.5 | 0000<u>1000100</u> | 14 |
0000<u>1000101</u> | 14.6 | 0000<u>1000110</u> | 15.5 | 0000<u>1000111</u> | 15.9 |
0000<u>1001000</u> | 16.6 | 0000<u>1001001</u> | 17 | 0000<u>1001010</u> | 17.9 |
0000<u>1001011</u> | 18.5 | 0000<u>1001100</u> | 19 | 0000<u>1001101</u> | 19.5 |
0000<u>1001110</u> | 20 | 0000<u>1001111</u> | 20.5 | 0000<u>1010000</u> | 21.2 |
0000<u>1010001</u> | 21.8 | 0000<u>1010010</u> | 22.2 | 0000<u>1010011</u> | 22.5 |
0000<u>1010100</u> | 23 | 0000<u>1010101</u> | 23.5 | 0000<u>1010110</u> | 23.8 |
0000<u>1010111</u> | 24.3 | 0000<u>1011000</u> | 24.7 | 0000<u>1011001</u> | 25 |
0000<u>1011010</u> | 25.4 | 0000<u>1011011</u> | 25.8 | 0000<u>1011100</u> | 26.2 |
0000<u>1011101</u> | 27 | 0000<u>1011110</u> | 27.3 | 0000<u>1011111</u> | 27.5 |
0000<u>1100000</u> | 28 | 0000<u>1100001</u> | 28.2 | ... | ... |
0000<u>1110001</u> | 29 | ... | ... | 0000<u>1111111</u> | 30 |
0001<u>0000000</u><sup><u>*</u></sup> | 25<sup>*</sup> | ... | ... | 0001<u>1100000</u> | 53 |
... | ... | 0010<u>0000000</u><sup><u>*</u></sup> | 51.3<sup>*</sup> | ... | ... |
0010<u>1100000</u> | 79 | ... | ... | 0100<u>0000000</u><sup><u>*</u></sup> | 94<sup>*</sup> |
... | ... | 0100<u>1100000</u> | 122 | ... | ... |
1000<u>0000000</u><sup><u>*</u></sup> | 184.5<sup>*</sup> | ... | ... | 1000<u>1100000</u> | 212.5 |
... | ... | 1111<u>1100000</u> | 382.8 | ... | ... |
注:表中带“*”的状态为“相移值减小”现象的起始点
本发明的移相器传输线的横向尺寸、纵向尺寸包括各段长度、驱动电路及阻抗变换网络都采用业已成熟的方法进行设计。实施例一的移相器的特征参数如下:
频率范围:25~27GHz
移相段波导横向尺寸:4×2.2mm2
铁氧体环棒横向尺寸:1.5×2.2mm2
环棒中心孔横向尺寸:0.2×0.8mm2
铁氧体饱和磁化强度:4500Gs
5段铁氧体长度分别为:4.5、4、6.5、13、25.5mm
最大脉冲电流:4A
5段铁氧体的最大相移值分别为:
30°、25°、51.3°、94°、184.5°
二进制控制码位数:11位(7位磁通)
移相步进量(移相精度):<1°
实施例二:
所要求的移相最大步进量
本实施例各段铁氧体相移叠加方式同实施例一。表2是本实施例移相状态测试结果摘录,从表2数据显示,移相步进量≤4°。
表2:实施例二移相器移相状态测试结果(摘录)
数控二进制码 | 相移值 | 数控二进制码 | 相移值 | 数控二进制码 | 相移值 |
000<u>00100</u> | 1.8 | 000<u>00101</u> | 2.8 | 000<u>00110</u> | 4.6 |
000<u>00111</u> | 6.4 | 000<u>01000</u> | 8 | 000<u>01001</u> | 10.5 |
000<u>01010</u> | 13.5 | 000<u>01011</u> | 16 | 000<u>01100</u> | 19 |
000<u>01101</u> | 23 | 000<u>01110</u> | 26.5 | 000<u>01111</u> | 30 |
000<u>10000</u> | 33.5 | 000<u>10001</u> | 36 | 000<u>10010</u> | 39.5 |
000<u>10011</u> | 42 | 000<u>10100</u> | 44 | 000<u>10101</u> | 46 |
000<u>10110</u> | 48 | 000<u>10111</u> | 49.8 | 000<u>11000</u> | 51 |
000<u>11001</u> | 52 | 000<u>11010</u> | 53 | 000<u>11011</u> | 55 |
000<u>11100</u> | 55.6 | 000<u>11101</u> | 56.1 | 000<u>11110</u> | 56.7 |
000<u>11111</u> | 57 | 001<u>00000</u><sup><u>*</u></sup> | 51<sup>*</sup> | ... | ... |
001<u>00111</u> | 57.5 | ... | ... | 001<u>11111</u> | 107.3 |
010<u>00000</u><sup><u>*</u></sup> | 96.4<sup>*</sup> | ... | ... | 011<u>11111</u> | 204 |
100<sup>00000*</sup> | 187.2<sup>*</sup> | ... | ... | 111<u>11111</u> | 391.4 |
注:表中带“*”的状态为“相移值减小”现象的起始点
实施例二在毫米波频段制作的高精度移相器特征参数如下:
频率范围:33~35GHz
移相段波导横向尺寸:3.4×1.8mm2
铁氧体环棒横向尺寸:1.2×1.8mm2
环棒中心孔横向尺寸:0.2×0.8mm2
铁氧体饱和磁化强度:4500Gs
4段铁氧体长度分别为:7.5、7.0、14、27mm
最大脉冲电流:4A
4段铁氧体的最大相移值分别为:
57°、51°、96.4°、187.2°
二进制控制码位数:8位(5位磁通)
移相步进量(移相精度):≤4°
实施例三:
本实施例各段铁氧体相移叠加方式同实施例一。
本实施例移相精度测试结果为:移相步进量<1°
在移相器工程上,当单独使用饱和数字式激励方式时,对一个四位饱和数字式移相器而言,各段的理论标称值必须为22.5°、45°、90°、180°,为了达到较好的移相精度,该器件对各段铁氧体的相移值有较严格的要求——与理论标称值的偏差平均在±5°以内。这使得饱和数字式移相器在制作过程中需要对各铁氧体段的长度进行精细的调节。相比之下,本发明形成的移相器则允许各段铁氧体的长度尺寸在较大范围内变化,从而使制作难度降低。通过实施例一和实施例三可以看出,按本发明技术方案确定的各段相移值允许具有较大的变化范围。即:5个标称值分别为30°、25°、51.3°、94°、184.5°的移相器和5个标称值分别为30°、30°、60°、110°、160°的移相器均能实现高精度的数控移相功能。
Claims (3)
1. 一种铁氧体移相器实现高精度移相的方法,采用磁通式激励与饱和数字式激励结合的数控方式,满足微波高频移相器高精度移相要求,该方法将加载于波导中心的铁氧体沿波的传播方向分成n段,n≥2;其第1段采用磁通式激励,其余n-1段采用饱和数字式激励;然后,将磁通式激励段相移值与各饱和激励段相移值进行叠加,使移相器在大于或等于360°范围内,按磁通式激励段的相移步进量实现了高精度移相。
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