CN103474724B - 高性能可调双频移相器及其双频通带调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高性能可调双频移相器，该移相器包含上下层叠设置的上层和底层；上层包含：耦合设置的比较传输线和参考传输线，该比较传输线和参考传输线之间的电长度之差为相移量；在比较传输线和参考传输线的两边分别设有一对长度相同的开路短截线和短路短截线；底层设有矩形环缺陷地，其与上层的开路短截线和短路短截线耦合设置，实现比较传输线和参考传输线之间双频移相；改变开路短截线和短路短截线与矩形环缺陷地的长、宽尺寸，实现双频通带可调；移相器的输入端和输出端设有匹配阻抗。本发明实现可调双频移相器设计，双频通带实现可调；使移相器各项指标得到较大改善，加工简单，易于与其它微波电路集成。

Description

高性能可调双频移相器及其双频通带调整方法

技术领域

本发明涉及微波电路设计领域，具体涉及一种高性能可调双频移相器及其双频通带调整方法。

背景技术

移相器是相控阵(T/R)系统中的一个关键器件，移相器的性能体现了整个(T/R)组件的性能。对于改善和提高移相器的性能有一些常用的方法，例如：采用全通滤波网络或者矢量附加等方法，但是这些方法都缺乏可调性。

目前，在可调移相器的研究方面，国内外也开展了一些研究。2011年，CarstenFritzsch等人用微机电系统(Micro-Electro-Mechanicalsystems,MEMS)技术实现移相器的可调功能，同时，2011年，丁扬和吴柯用可调二极管加载基片集成波导(SubstrateIntergratedWaveguide,SIW)技术来尝试实现移相器的可调性能,但是这些方法增加了电路的复杂性和设计难度。随着左右手材料的发展，2011年，NobumiMichishita采用复合左右手材料在移相器中实现可调移相器，然而，该方法增加了移相器的物理尺寸，并使插入和回波损耗增大，移相精度恶化。

随着现代通讯的飞速发展，多频带、多载波的通讯系统被要求，可调频带移相器将被大量需求。但是目前在双频带移相器的研究较少，开展双频带移相器的研究就显得非常重要。

缺陷地(DefectedGroundStructure，DGS)结构具有减小电路体积、抑制杂散和双频带等特点，该结构被广泛应用在滤波器、功分器、耦合器和放大器等微波器件中。应用DGS技术实现可调双频移相器将具有广阔的实用性。

发明内容

本发明提供一种高性能可调双频移相器及其双频通带调整方法，具有通带可调功能，容易加工，并且还能使插入和回拨损耗，以及相位精度得到改善。

为实现上述目的，本发明提供一种高性能可调双频移相器，其特点是，该移相器包含上下层叠设置的上层和底层；上述上层包含：

耦合设置的微带传输线，分别为比较传输线和参考传输线，微波信号由比较传输线转换至参考传输线或由参考传输线转换至比较传输线实现移相，该比较传输线和参考传输线之间的电长度之差为相移量；

开路短截线和短路短截线，在比较传输线和参考传输线的两边分别设有一对长度相同的开路短截线和短路短截线，该开路短截线和短路短截线用于扩展比较传输线和参考传输线之间相移的频带范围；

上述底层设有矩形环缺陷地，其与上层的开路短截线和短路短截线耦合设置，实现比较传输线和参考传输线之间双频移相；改变开路短截线和短路短截线与矩形环缺陷地的长、宽尺寸，实现双频通带可调；

上述移相器的输入端和输出端设有匹配阻抗。

上述比较传输线和参考传输线之间的相移量如式(1)：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}={\mathrm{\θ}}_r\×\frac{f}{f_0}-arctan\{\frac{Z_0}{2Z_s}\[tan({\mathrm{\θ}}_s\×\frac{f}{f_0})-cos({\mathrm{\θ}}_s\×\frac{f}{f_0})\]\}---\left(1\right)$

其中，θ_r是参考传输线在频率为f0时的电长度；θ_s为短截线在频率为f0时的电长度；Z_s为短截线的阻抗；Z₀为参考传输线阻抗。

上述微带传输线长度为λ/2，开路短截线和短路短截线长度为λ/8。

上述移相器的工作频段在2至4吉赫兹；开路短截线和短路短截线的长度范围为1至14毫米，宽度为2至6毫米。

上述移相器设有若干个矩形环缺陷地，各个矩形环缺陷地分别与各个微带传输线旁的开路短截线和短路短截线对应设置。

上述矩形环缺陷地的阻带的中心频率fx与单元间距d的关系如式(2)：

$f_x\≈\frac{c}{2d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(2\right)$

其中c为光速，ε_r为介质的相对介电常数。

上述移相器设有介质基板，所述上层和底层分别设置于该介质基板的两面，该介质基板的相对介电常数ε_r＝2～5，损耗角正切tgδ不大于10^-3。

上述介质基板的厚度h取0.254毫米。

一种上述高性能可调双频移相器的双频通带调整方法，开路短截线和短路短截线的长度为l，宽度为w；矩形环缺陷地的长度为a，宽度为b，间缝为c，两个矩形环缺陷地之间的间距为d；其特点是，该方法包含：

开路短截线和短路短截线长度变化可改变截止频率，短截线的长度l和宽度w越大，截止频率越小；反之长度l和宽度w越小，截止频率越大；

矩形环缺陷地长宽尺寸的调整可调节移相器的阻带特性；矩形环缺陷地的长度a越大，其阻带向低频段移动，同时频谱逐渐变宽和陡峭；矩形环缺陷地的宽度b越大，其阻带向高频段移动，同时频谱逐渐变宽和陡峭。

本发明高性能可调双频移相器及其双频通带调整方法和现有技术的移相器相比，其优点在于，本发明在传统的微带传输线两边加载开路和短路短截线，背面为矩形环缺陷地结构，实现可调双频移相器设计；在参考线的两端加载开路和短路短截线扩展通带频率；采用短截线(上层)与矩形环缺陷地(底层)耦合实现双频移相；改变短截线和矩形环缺陷地的长和宽的尺度，双频通带实现可调；输入、输出端的阻抗匹配与短截线结合，使移相器各项指标得到较大改善，加工简单，易于与其它微波电路集成，具有很强的实用性及应用前景。

附图说明

图1为本发明高性能可调双频移相器传输线加载开路和短路短截线单元示意图；

图2为本发明高性能可调双频移相器背面矩形环缺陷地单元示意图；

图3为一种45°移相器实施例的整体示意图；

图4为一种45°移相器实施例的正面加载短截线的示意图；

图5为一种45°移相器实施例的背面矩形环缺陷地的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开一种高性能可调双频移相器，该移相器包含上下层叠设置的上层和底层。

上层包含有用于微波移相转移的微带传输线以及设置于微带传输线旁的短截线。

微带传输线为耦合设置的比较传输线和参考传输线，微波信号由比较传输线转换至参考传输线或由参考传输线转换至比较传输线实现移相，该比较传输线和参考传输线之间的电长度之差为相移量。

短截线包含有开路短截线和短路短截线。在比较传输线和参考传输线的两边分别设有一对长度相同的开路短截线和短路短截线，该开路短截线和短路短截线用于扩展比较传输线和参考传输线之间相移的频带范围，并且加入短截线还能改变滤波功能的矩形特性。

优选的，微带传输线长度为λ/2，开路短截线和短路短截线长度为λ/8，λ为移相器工作频段的波长。

比较传输线和参考传输线之间的相移量如式(1)：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{\θ}}_r\×\frac{f}{f_0}-arctan\{\frac{Z_0}{2Z_s}\[tan({\mathrm{\θ}}_s\×\frac{f}{f_0})-\cot ({\mathrm{\θ}}_s\×\frac{f}{f_0})\]\}---\left(1\right)$

其中，θ_r是参考传输线在频率为f₀时的电长度；θ_s为短截线在频率为f₀时的电长度；Z_s为短截线的阻抗；Z₀为参考传输线阻抗。

同时为了扩展移相器的频率。采用在移相器的输入端和输出端设有匹配阻抗，此处引入反射系数г和在两个短截线的传播相关系数T，该反射系数г和传播相关系数T均与参考传输线阻抗Z₀成反比，与短截线的阻抗Z_s成正比。该方案的反射系数г和在两个短截线的传播相关系数T的具体数值可以通过公式(3)和(4)能得到。

$\mathrm{\Γ}=\frac{1-(1+jb)}{1+(1+jb)}=\frac{-jb}{2+jb},T=1+\mathrm{\Γ}=\frac{2}{2+jb}---\left(3\right)$

这里b为加载在传输线两端的短截线电纳，它可以通过下式(4)得到

$b=\frac{Z_0}{Z_s}\[tan({\mathrm{\θ}}_s\×\frac{f}{f_0})-\cot ({\mathrm{\θ}}_s\×\frac{f}{f_0})\]---\left(4\right)$

通过以上公式的计算，当移相器工作频段在2-4吉赫兹(GHz)左右，采用Rogers公司5880基片，短截线长度范围为6-14毫米(mm)，宽度为2-6毫米(mm)左右，经过优化处理，其通带最宽和性能最好时，短截线长度为7毫米，宽度为2毫米。

底层设有矩形环缺陷地(DGS)，其与上层的开路短截线和短路短截线耦合设置，实现比较传输线和参考传输线之间双频移相；改变开路短截线和短路短截线与矩形环缺陷地的长、宽尺寸，实现双频通带可调。

矩形环DGS具有明显的阻带特性，其阻带中心频率fx是单元间距d的函数，而单元尺寸则影响阻带的深度和宽度，矩形环缺陷地的阻带的中心频率fx与单元间距d的近似函数关系如式(2)：

$f_x\≈\frac{c}{2d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(2\right)$

其中c为光速，ε_r为介质的相对介电常数。

根据仿真结果，周期单元数越多，阻带特性越好，但是设计时也要兼顾电路的其它指标，合理进行设计。

本发明还公开一种高性能可调双频移相器的双频通带调整方法，通过改变短截线和矩形环DGS的长和宽的尺度，完成双频频段的变化。

如图1所示，开路短截线11和短路短截线12设置于微带传输线13的两边，其中开路短截线11和短路短截线12的长度为l，宽度为w。

如图2所示，矩形环缺陷地21的长度为a，宽度为b，间缝为c，两个矩形环缺陷地之间的间距为d。

该双频通带调整方法包含：

开路短截线11和短路短截线12长度变化可改变截止频率，短截线的长度l和宽度w越大，截止频率越小；反之长度l和宽度w越小，截止频率越大。

矩形环缺陷地21长宽尺寸的调整可调节移相器的阻带的位置，进而实现调节移相器的阻带特性，同时矩形环缺陷地21长宽尺寸对通带也有较大的影响。矩形环缺陷地21的长度a越大，其阻带向低频段移动，同时频谱逐渐变宽和陡峭；矩形环缺陷地的宽度b越大，其阻带向高频段移动，同时频谱逐渐变宽和陡峭。

如图3并结合图4、图5所示，公开一种高性能可调双频移相器的实施例，其为一种45°移相器。

该45°移相器包含有一个介质基板，该介质基板的相对介电常数一般的选择范围为：ε_r＝2～5之间，同时，损耗角正切应尽量小，一般取tgδ≤10^-3；由于移相器主要工作在2.8-3GHz和3.4-3.6GHz左右，则更大的tgδ值也可以。介质板厚度h的选择主要保证移相器性能，同时考虑便于与其它电路集成，取h为0.254mm左右。

该移相器包含上下层叠设置的上层和底层。该上层和底层分别设置于介质基板的正反两面上。

上层包含有用于微波移相转移的微带传输线以及设置于微带传输线旁的短截线。

如图3所示，设置两条可供选择的传输通路，即微带传输线为耦合设置的比较传输线31和参考传输线32。微波信号由比较传输线31转换至参考传输线32或由参考传输线32转换至比较传输线31实现移相，该比较传输线31和参考传输线32之间的电长度之差为相移量。

当微波信号由较短路径转换至较长路径时，电路附加的相位延迟如式(5)：

Δθ＝β(l2-l1)＝2π/λ_g(l2-l1)(5)

公式(5)中，λ_g为传输线导波波长，l₂和l₁分别为移相器中主传输线(二极管上部)和参考传输线(二极管下部)的长度。

如图3所示，在移相器的输出端和输入端设有正向二极管33和反向二极管34，该正向二极管33和反向二极管34分别通过供电线35电路连接电源36。这里通过电源36控制正向二极管33和反向二极管34的导通，来选择信号是通过比较传输线31还是参考传输线32进行传输，两者之差即相移量。

短截线包含有开路短截线38和短路短截线37。

在比较传输线31分别连接正向二极管33和反向二极管34的两端，分别设有一对长度相同的开路短截线38和短路短截线37。同时在参考传输线32分别连接正向二极管33和反向二极管34的两端，分别设有一对长度相同的开路短截线38和短路短截线37。该开路短截线和短路短截线用于扩展比较传输线和参考传输线之间相移的频带范围，并且加入短截线还能改变滤波功能的矩形特性。

移相器的输入端和输出端设有匹配阻抗，移相器端口阻抗与开路和短路短截线一起进行匹配优化设计，本实施例中特性阻抗可以根据设计需要为50Ω或其它阻抗值。

底层设有矩形环缺陷地(DGS)，其与上层的开路短截线和短路短截线耦合设置，实现比较传输线和参考传输线之间双频移相；改变开路短截线和短路短截线与矩形环缺陷地的长、宽尺寸，实现双频通带可调。

本实施例中，移相器设有四个矩形环缺陷地39结构，该四个矩形环缺陷地39分别与各个微带传输线旁的开路短截线38和短路短截线39对应耦合设置。即，比较传输线31与正向二极管33连接的一端处设置的一对开路短截线38和短路短截线37耦合设有一个矩形环缺陷地39结构；比较传输线31与反向二极管34连接的一端处设置的一对开路短截线38和短路短截线37耦合设有一个矩形环缺陷地39结构；参考传输线32与正向二极管33连接的一端处设置的一对开路短截线38和短路短截线37耦合设有一个矩形环缺陷地39结构；参考传输线32与反向二极管34连接的一端处设置的一对开路短截线38和短路短截线37耦合设有一个矩形环缺陷地39结构。通过上述矩形环DGS(底层)和短截线(上层)耦合来实现双频移相功能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高性能可调双频移相器，其特征在于，该移相器包含上下层叠设置的上层和底层；所述上层包含：

耦合设置的微带传输线，分别为比较传输线和参考传输线，微波信号由所述比较传输线转换至参考传输线或由参考传输线转换至比较传输线实现移相，该比较传输线和参考传输线之间的电长度之差为相移量；

开路短截线和短路短截线，在所述比较传输线的两边分别设有一对长度相同的开路短截线和短路短截线，在所述参考传输线的两边分别设有一对长度相同的开路短截线和短路短截线，这些开路短截线和短路短截线用于扩展比较传输线和参考传输线之间相移的频带范围；

所述底层设有矩形环缺陷地，其与所述上层的开路短截线和短路短截线耦合设置，实现比较传输线和参考传输线之间双频移相；改变开路短截线和短路短截线与矩形环缺陷地的长、宽尺寸，实现双频通带可调；

所述移相器的输入端和输出端设有匹配阻抗。

2.如权利要求1所述的高性能可调双频移相器，其特征在于，所述微带传输线长度为λ/2，开路短截线和短路短截线长度为λ/8。

3.如权利要求1或2所述的高性能可调双频移相器，其特征在于，所述移相器的工作频段在2至4吉赫兹；开路短截线和短路短截线的长度范围为1至14毫米，宽度为2至6毫米。

4.如权利要求1所述的高性能可调双频移相器，其特征在于，所述移相器设有若干个矩形环缺陷地，各个矩形环缺陷地分别与各个所述微带传输线旁的开路短截线和短路短截线对应设置。

5.如权利要求1所述的高性能可调双频移相器，其特征在于，所述移相器设有介质基板，所述上层和底层分别设置于该介质基板的两面，该介质基板的相对介电常数ε_r＝2～5，损耗角正切tgδ不大于10^-3。

6.如权利要求5所述的高性能可调双频移相器，其特征在于，所述介质基板的厚度h取0.254毫米。

7.一种如权利要求1所述高性能可调双频移相器的双频通带调整方法，所述开路短截线和短路短截线的长度为l，宽度为w；矩形环缺陷地的长度为a，宽度为b，间缝为c，两个矩形环缺陷地之间的间距为d；其特征在于，该方法包含：

开路短截线和短路短截线长度变化可改变截止频率，短截线的长度l和宽度w越大，截止频率越小；反之长度l和宽度w越小，截止频率越大；

矩形环缺陷地长宽尺寸的调整可调节移相器的阻带特性；矩形环缺陷地的长度a越大，其阻带向低频段移动，同时频谱逐渐变宽和陡峭；矩形环缺陷地的宽度b越大，其阻带向高频段移动，同时频谱逐渐变宽和陡峭。