具体实施方式
本发明微带开关型移相器中,通过开关选择不同的信号路径,可以使移相器的不同输出间得到所需的相对相移。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
在本发明的第一个示例性实施例中,提供了一种用于毫米波移动通信的微带开关型移相器。如图1所示,本实施例微带开关型移相器包括:第一路径选择开关S1、第二路径选择开关S2、参考分支电路和相移分支电路。其中,第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2协同工作以选择参考分支电路和相移分支电路其中之一作为信号传输通路。
请参照图1,参考分支电路包括第一微带传输线L1。相移分支电路包括:第二微带传输线L2、第三微带传输线L3和第四微带传输线L4,其中,第二微带传输线L2和第三微带传输线L3串联,第四微带传输线L4连接至第二微带传输线和第三微带传输线之间的节点A和地电平之间。
在参考分支电路中,第一微带传输线L1的特征阻抗和系统特征阻抗相同,为Z0;在中心频率ω0处其电长度为θr。此处,特征阻抗指的是与该微带开关型移相器相连接的其他器件的输入或输出阻抗,中心频率ω0为该微带开关型移相器在设计阶段给出的工作频段的中心频率。
在相移分支电路中,第二微带传输线L2和第三微带传输线L3的特征阻抗均为Z2,第四微带传输线L4的特征阻抗为Z1。而第二微带传输线L2、第三微带传输线L3、第四微带传输线L4在中心频率ω0处电长度均为90°。
本实施例中,四微带传输线L1~L4均为沿一个方向延伸的,宽度恒定的连续传输线,由于减少了由于微带线不连续处,如弯折、宽度变化等,所引入的寄生参量,使本实施例微带开关型移相器能够应用于高频场景下。
同样,请参照图1,第一路径选择开关S1的前端连接至信号输入端(IN),第二路径选择开关S2的后端连接至信号输出端(OUT),第一路径选择开关S1的后端和第二路径选择开关S2的前端受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。
从上述结构可以看出,本实施例微带开关型移相器结构简单,制造容易,成本低,因此非常适合于民用通信。
该第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2均为单刀双掷开关,两者协同工作,用于选择信号传输路径。信号通过参考分支电路和相移分支电路有不同的插入相位,二者间的相位差即为相对相移。相移分支电路在中心频率ω0处的插入相位固定为-π,与Z1和Z2无关,因而改变参考分支电路中第一微带传输线L1的电长度θr可在中心频率ω0处获得所需要的相对相移。并且,改变Z1和Z2的值可以改变相对相移随频率的变化情况。本实施例微带开关型移相器中各个参数的计算方法如下:
利用传输矩阵可计算出相移分支电路的插入相位:
其中: 为归一化频率, 和 为归一化特征阻抗,由(1)可以看出相移分支电路的插入相位在中心频率处为-π。
设为中心频率ω0处所需的相对相移,则参考分支电路中第一微带传输线L1的电长度进而参考分支电路的插入相位为:
由(1)和(2),可得到相对相移的表达式:
为了在中心频率附近得到最小的相位误差,应该满足下列方程组:
其中n=1,2…,并尽可能大。和可通过解方程组(4)得出。当n=1时:
由于则有又因故限制条件可简化为:
当n=2时,(4)恒成立,故考虑n=3时的情况:
联立(5),(6)和(7)便可解出和当n=4时,(4)也恒成立,即(4)中的n最大可以取到4,因而由上述方法解出的和能够使得相对相移在中心频率处对频率有直到四阶的0导数,即相对相移在中心频率附近非常平坦,该解即为本实施例所取的最佳解,对应该解的微带开关型移相器十分适用于高频场合。
至此,本发明第一实施例微带开关型移相器介绍完毕。
在本发明的第二个示例性实施例中,提出了一种移相模块。如图2A~图2D所示,该移相模块包括:功率分配器和2个第一实施例所给出的移相器-第一移相器PS1和第二移相器PS2。该两个移相器单元PS1和PS2在中心频率ω0处所需的相对相移也都为φ1。
该移相模块在工作时,信号由功率分配器分为两路,分别输入第一移相器PS1和第二移相器PS2。以下是该移相模块的四个工作状态:
状态1:
请参照图2A,在第一移相器PS1中,第一路径选择开关S1、第二路径选择开关S2均连接至参考分支电路,即选择参考分支电路作为信号传输路径,其输出第一路信号;在第二移相器PS2中,第一路径选择开关S1、第二路径选择开关S2均连接至相移分支电路,即选择相移分支电路作为信号传输路径,其输出第二路信号;第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差如图2A所示。
状态2:
请参照图2B,在第一移相器PS1中,选择相移分支电路作为信号传输路径,其输出第一路信号;在第二移相器PS2中,选择参考分支电路作为信号传输路径,其输出第二路信号;第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差
状态3:
请参照图2C,在第一移相器PS1中,选择相移分支电路作为信号传输路径,其输出第一路信号;在第二移相器PS2中,选择相移分支电路作为信号传输路径,其输出第二路信号;第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差0。
状态4:
请参照图2D,在第一移相器PS1中,选择参考分支电路作为信号传输路径,其输出第一路信号;在第二移相器PS2中,选择参考分支电路作为信号传输路径,其输出第二路信号;第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差0。
需要说明的是,第一移相器和第二移相器中参考分支电路的特征阻抗和功率分配器的特征阻抗一致,即为系统特征阻抗。关于第一移相器和第二移相器的详细内容,可参照第一实施例的相关说明,此处不再重述。
至此,本发明第二实施例移相模块介绍完毕。
在本发明的第三个示例性实施例中,提出了一种移相模块。如图3所示,该移相模块包括:功率分配器和4个第一实施例所给出的移相器-第一移相器PS1、第二移相器PS2、第三移相器PS3和第四移相器PS4。其中,第一移相器PS1和第二移相器PS2完全相同,它们在中心频率ω0处所需的相对相移为两者组成第一移相器串;第三移相器PS3和第四移相器PS4完全相同,它们在中心频率ω0处所需的相对相移为两者组成第二移相器串。其中,两移相器串的前端连接至功率分配器的两路输出,后端分别作为移相模块的一输出端。
在移相模块中,信号由一功率分配器分为两路,通过各开关选择不同信号路径实现两个输出间的多种相位差,具体工作方式如下表所示:
其中,输出1和输出2间的相位差即为输出2的相位减去输出1的相位的差。
需要说明的是,4个移相器中参考分支电路的特征阻抗和功率分配器的特征阻抗一致,即为系统特征阻抗。关于各移相器的详细内容,可参照第一实施例的相关说明,此处不再重述。
此外,本实施例由2路移相器串,并且每1路移相器串具有2个移相器为例进行说明,但在本发明其他实施例移相模块中,还可以是N路的移相器串,每一路移相器串包括M个串联的移相器,移相器串的末端作为移相模块的一个输出。为了设计方便,一般设计为N个移相器串中的第m个移相器为相同的移相器,m=1,2,……,M。其中,N≥2,M≥1。
至此,本发明第三实施例移相模块介绍完毕。
至此,已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述,本领域技术人员应当对本发明微带开关型移相器有了清楚的认识。
需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换,例如:
(1)关于第四微带线L4的接地方式,其可以采用金属过孔接地、金丝键合接地等;
(2)关于第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2,其可以采用PIN二极管开关,也可以采用晶体管开关等;
(3)该微带开关型移相器除了应用于毫米波移动通信领域之外,还可以用于雷达等行业中。
综上所述,本发明提供了一种微带开关型移相器,其通过开关选择不同的信号路径,可以使移相器的不同输出间得到所需的相对相移。该微带开关型移相器基于微带线,易于制造、成本低且结构简单,尽可能减小了高频率下的寄生参数;另外其相对相移在中心频率处对频率有直到四阶的0导数,这表明相对相移在中心频率附近非常平坦,因而十分适用于高频场合,具有较好的推广应用价值。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。