CN100566149C - 宽带高通相位调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子技术领域的宽带高通相位调节器，其中：第二微带线连接输入端，第二微带线另一端分别与第二变容二极管的阳极连接和第四微带线一端连接，第四微带线另一端接地，第二变容二极管的阴极分别与另一个第一变容二极管的阴极和一根第一微带线一端连接，第一变容二极管和第二变容二极管采用背靠背的连接方法，第一微带线分别与直流电源和两个电容一端连接，两个电容的另一端接地，第一变容二极管的阳极分别与第三微带线和第五微带线一端连接，第五微带线另一端接地，第三微带线另一端接输出。本发明结构简单，易于实现，能够获得较宽带的频率响应和较大的相位调节度，可应用于宽带压控振荡器和功率放大器中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子技术领域的相位调节器，具体地说，涉及的是一种宽带高通相位调节器。
背景技术
随着射频和微波集成电路及系统的发展，相位调节器被广泛应用于各类射频电路系统中，如压控振荡器和功率放大器等。在通信系统中，由于锁相环电路的广泛使用，要求系统内频率可以调谐，因此相位调节器被广泛应用于压控振荡器当中，通过电压的改变可以有效的调节振荡器中的相位，从而达到窄带频率可调的目的，而且这种方法不会降低相位噪声。
经过对现有技术的文献检索发现，Yong-Sheng Dai等在《IEEE Microwaveand Wireless Components Letters》，(美国IEEE微波与无线元件杂志)2008年2月第18卷第2期第109至111页上发表的“A Novel Miniature 1-22GHz90°MMIC Phase Shifter with Microstrip Radial Stubs”，该文中提到了一种宽带相移器的设计方法，具体方法是利用了集成电路和微带线混合电路实现了宽带相位调节器。其不足在于尽管这种设计方法在一定程度上增加了相位调节器的带宽，提高了其可调谐范围，但其损耗也相应增加，约为2.5-3.5dB；此外，由于研究与设计方法的不确定性和特殊性，这种方法难以形成一定的设计规律，且电路较为复杂，实现起来有一定难度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种宽带高通相位调节器，使其克服了高插入损耗和复杂的电路设计，其设计方法具有一定的规律且易于实现。本发明满足压控振荡器的宽带调谐能力，且结构简单，易于实现，能够提供较高的调谐范围和较低的损耗，可以应用于压控振荡器的设计中。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括第一变容二极管、第二变容二极管、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线，两个电容，首先输入端与第二微带线连接，第二微带线另一端分别与第二变容二极管的阳极连接和第四微带线一端连接，第四微带线另一端接地。第二变容二极管的阴极分别与另一个第一变容二极管的阴极和一根第一微带线一端连接，第一变容二极管和第二变容二极管采用背靠背的连接方法，这种方法有助于实现低阻抗的连接方式，达到变容二极管电压可调谐的目的，另外可以增加相位调节器的功率承受能力。第一微带线分别与直流电源和两个电容一端连接，两个电容的另一端接地，第一变容二极管的阳极分别与第三微带线和第五微带线一端连接，第五微带线另一端接地，第三微带线另一端接输出。
所述第一微带线、第四微带线、第五微带线均为100欧姆微带线。这些微带线分别由具体数值的电感来确定。
所述第二微带线、第三微带线均为50欧姆微带线。
本发明首先采用了普通的高通滤波电路的设计方法，在此基础上，将滤波电路中的电感元件，转化成分布式微带线的形式，再使用变容二极管替代电容元件，并采用两个变容二极管背对背的形式，提供较低的输入阻抗，从而引入直流偏置，达到电容随电压变化的目的，从而使电路的相位随电压的控制而变化。
本发明相位调节器的的输入和输出分别接入振荡器和功率放大器的输出和输入，直流电源接在第一欧姆微带线的一端，通过调节直流电源，达到调节第一变容二极管和第二变容二极管可变电容的目的，而整个电路的相位则随着变容二极管电容的变化而变化。
本发明采用了Agilent公司的射频与微波仿真软件ADS对其进行了仿真，同时考虑了在较高频率下变容二极管等元件的寄生效应，及其对电路的频率相应的影响。
本发明得到了宽带相移器的频率响应，且其损耗较低(0.5-1.5dB)，在直流偏置0-10V下，相位的可调谐范围约为77°，通过采用安捷伦公司的网络分析仪，对其进行了实验测量，得到了与仿真相同的结果，进一步证明了本发明的实用性和可靠性。
附图说明
图1为五级高通滤波等效电路。
图2为相位调节器结构示意图。
图3为变容二极管的等效电路。
图4为变容二极管电容随电压的变化关系。
图5为本发明仿真结果图；
图中：(a)带宽；(b)损耗。
图6为本发明相位和损耗测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，为本实施例等效电路图，它是一个五级高通滤波电路，由三个电感和两个电容组成。输入端分别接入电感L1和电容C2，电容C2分别接电感L3和电容C4，电容C4接电感L5，电感L5接输出端。这个高通滤波电路的下限截止频率设定为所使用频率的65％，这样的选择可以保证电路在所使用的频率下具有较好的平坦度，即插入损耗较小。
如图2所示，本实施例包括：PCB衬底(Rogers公司的4003C，εr＝3.38，衬底高度H＝0.508m，)、金属导体(铜导体，厚度T＝17um)、变容二极管(Ma-com公司的46H070)和去耦电容。它是在图1所示的等效电路图的基础上，将该五级高通滤波等效电路(电感部分)转化成了分布式的微带线结构形式，这是因为在高频率段，普通电感元件具有较大的寄生电容，且品质系数也较低，采用微带线的形式可以精确的计算出相应的等量电感；而电容部分则可以由两个变容二极管采用背靠背的方式替代，这种方式在偏置部分可以得到低阻抗的特性，因此可以通过控制电压的方式来调节变容二极管的电容，达到电压调谐相位调节器相位的目的。
如图2所示，为了使输入和输出满足外部电路的匹配要求，输入输出都采用了50欧姆的微带传输线，其中输入端与50欧姆微带线TL2连接，50欧姆微带线TL2另一端分别与一个变容二极管D2的阳极连接和100欧姆微带线TL4一端连接，100欧姆微带线TL4另一端接地。变容二极管D2的阴极分别与另一个变容二极管D1的阴极和一根100欧姆微带线TL1一端连接，D1和D2采用背靠背的连接方法，这种方法有助于实现低阻抗的连接方式，达到变容二极管电压可调谐的目的，另外可以增加相位调节器的功率承受能力。100欧姆微带线TL1分别与直流电源DC和两个电容C1和C2一端连接，达到消除直流偏置对射频信号的影响电容C1和C2的另一端接地，变容二极管D1的阳极分别与50欧姆微带线TL3和100欧姆微带线TL5一端连接，100欧姆微带线TL5另一端接地，50欧姆微带线TL3另一端接输出。这里图1中的并联电感L1、L2和L3转化成为的100欧姆微带线形式。
这里采用100欧姆微带线可以更好的等效电感，使所采用的微带线等于电感的实际计算值。
图3所示是Ma-com公司的变容二极管及其等效电路，R是寄生电阻，L1是寄生电感，C1是寄生电容，C2是可变电容，其电容随偏置电压的变化而变化。两个变容二极管采用了背靠背的方式连接，这种方法可以有效地降低偏置连接点的阻抗，并且可以让相移器承受更大的功率。
图4所示是变容二极管随偏置电压变化的关系，通过改变直流偏置电压，可以改变变容二极管的电容，从而调节了插入损耗S21的相位。
本实施例利用安捷伦公司的ADS仿真软件进行仿真，结果如图5所示。从图中可以看出，其带宽可以达到4GHz，而损耗随电压的变化大约在0.5-1.5dB范围内。
本实施例还采用了安捷伦公司的网络分析仪对其进行了损耗和相位可调谐范围的测试，其工作频率为4GHz，如图6所示。由图6可以看出，其损耗随电压的变化约为0.5-1.5dB，与仿真结果一致。此外相位的可调谐范围随电压的变化(0-10v)可以达到了77°。
本实施例采用较为简单的结构，理论依据明确。通过高通滤波电路的实现和转化，设计实现新型的宽带相位调节器。其带宽达到了4GHz，而损耗相对较小，仅在0.5-1.5dB间变化，由于对变容二极管采用了背靠背的新型连接方法，提高了电压对变容二极管的控制能力和可调谐能力，其电压可调谐范围为0-10V，相位调节范围为77°。通过软件仿真和实际测量证明了这种新型设计方法的可行性，其带宽和动态可调谐范围高于同类的相位调节器。
Claims (4)
1、一种宽带高通相位调节器，包括第一变容二极管、第二变容二极管、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、两个电容，其特征在于：第二微带线连接所述宽带高通相位调节器的输入端，第二微带线另一端分别与第二变容二极管的阳极和第四微带线的一端相连接，第四微带线的另一端接地，第二变容二极管的阴极分别与第一变容二极管的阴极和第一微带线的一端连接，第一变容二极管和第二变容二极管采用背靠背的连接方法，第一微带线分别与直流电源和两个电容的一端相连接，两个电容的另一端接地，第一变容二极管的阳极分别与第三微带线和第五微带线的一端相连接，第五微带线的另一端接地，第三微带线的另一端接所述宽带高通相位调节器的输出。
2、根据权利要求1所述的宽带高通相位调节器，其特征是，所述第一微带线、第四微带线、第五微带线均为100欧姆微带线。
3、根据权利要求1所述的宽带高通相位调节器，其特征是，所述第二微带线、第三微带线均为50欧姆微带线。
4、根据权利要求1所述的宽带高通相位调节器，其特征是，所述相位调节器的的输入和输出分别接入振荡器和功率放大器的输出和输入，直流电源接在第一欧姆微带线的一端，通过调节直流电源，达到调节第一变容二极管和第二变容二极管可变电容的目的，整个电路的相位则随着变容二极管电容的变化而变化。
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