CN105514539A - 基于容性负载的超宽带定值移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于容性负载的超宽带定值移相器，包括物理分离的N路移相单元，每路移相单元中，包括正交耦合器、第一和第二传输线，以及第一和第二容性负载，其中所述正交耦合器包括输入端、耦合端、直通端和隔离端，所述第一传输线的一端作为该移相单元的信号输入端，另一端与正交耦合器的输入端连接，所述第二传输线一端作为该移相单元的信号输出端，另一端与正交耦合器的隔离端连接；第一容性负载的一端与正交耦合器的耦合端连接，另一端接地；第二容性负载的一端与正交耦合器的直通端连接，另一端接地。其结构紧凑，占用面积小，插入损耗小，不需额外的供电及逻辑控制，可广泛推广应用。

Description

基于容性负载的超宽带定值移相器
技术领域
本发明涉及一种移相器，具体涉及一种超宽带定值移相器。
背景技术
随着宽带有源相控阵雷达的不断发展，人们对天线波束控制的需求不断提高，对控制电路的研究也更加深入。
移相器作为波束控制的关键器件，由于其工作状态及技术指标较多，占用面积大，性能要求高，设计和制作难度大，一直是天线收发组件中关键的器件之一。相控阵雷达的发展对移相器的带宽，移相精度和集成面积等方面提出了更高的要求，因此，对宽带以及超宽带高性能移相器的研究具有重要的意义及实际应用价值。
然后，在通信系统中实际应用移相器时，往往存在一些非理想的因素。例如，在实际的多通道系统(例如相控阵)中，由于布板时通路传输线长度差异、键合金丝长度差异、芯片本身相位特性的差异性，导致各个通道中相位并不一致，存在一定差异。因此十分有必要研究出一种易于系统调试，能够校正宽带系统相位的宽带定值移相器。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足，本专利提供一种基于容性负载的超宽带定值移相器。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器：
包括物理分离的N路移相单元，通过接入不同移相单元的信号输入端与信号输出端，实现N-1种移相状态。
每路移相单元中，包括正交耦合器、第一和第二传输线，以及第一和第二容性负载，其中所述正交耦合器包括输入端、耦合端、直通端和隔离端，所述第一传输线的一端作为该移相单元的信号输入端，另一端与正交耦合器的输入端连接，所述第二传输线一端作为该移相单元的信号输出端，另一端与正交耦合器的隔离端连接；第一容性负载的一端与正交耦合器的耦合端连接，另一端接地；第二容性负载的一端与正交耦合器的直通端连接，另一端接地。
优选的，所述各移相单元中分别与正交耦合器耦合端和直通端连接的第一和第二容性负载为纯电容元件。优选的，分别与正交耦合器输入端和隔离端连接的第一和第二传输线的特性阻抗均为50欧姆。
优选的，所述N路移相单元中采用完全相同的正交耦合器。
进一步优选的，所述正交耦合器为由螺旋形电感耦合单元级联而成超宽带正交耦合器；每级螺旋形电感耦合单元包括相互耦合的两个螺旋电感；相邻两级的螺旋形电感耦合单元通过前一级的两个螺旋电感分别与后一级的两个螺旋电感之一串联实现前后级级联；
该耦合器中级联连接的第一级螺旋形电感耦合单元中的其中一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的耦合端，另一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的输入端；该耦合器中最后一级螺旋形电感耦合单元中的其中一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的直通端，另一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的隔离端；
从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减。
进一步优选的，所述螺旋形电感耦合单元通过其两个螺旋电感位于同层金属并采用边际耦合实现相互耦合，或所述螺旋形电感耦合单元通过其两个螺旋电感位于不同层金属，结合边际耦合和上下层耦合实现相互耦合。
作为进一步优选的，所述各螺旋形电感耦合单元中的两个螺旋电感位于同一侧的端口之间跨接有跨接电容，所述跨接电容的两端分别通过接地电容接地。
作为优选的，所述耦合器的电路结构左右对称，上下对称，且均为集总元件。
有益效果：本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器，其具有如下优点：
1、容性负载的使用，避免了传统电容电感串/并联形式的负载中的大尺寸螺旋电感的使用，减小了电路尺寸，降低成本；另一方面，避免引入传统结构中螺旋电感的额外损耗，使得移相器整体插入损耗更小。
2、每路移相单元电路中，在正交耦合器电路设计完成后，通过调整第一、第二容性负载的容值大小，通过调整第一、第二传输线的电长度大小，即可获得不同的移相值，大大简化移相器的设计。进一步的，本发明可采用完全相同的正交耦合器作为移相器的核心电路，进一步简化移相器的设计。
3、容性负载不会恶化移相器的带宽，即移相器的工作带宽主要由正交耦合器的工作带宽决定。
4、包含多个移相单元电路，不需要供电和逻辑控制电路，选择不同的移相单元电路，即可进行系统通道内相位的校正，非常易于在系统调试中使用。
5、进一步地，移相单元电路中配合采用由螺旋形耦合电感级联构成的超宽带正交耦合器，可以使得在正交耦合器的带宽范围内保持良好的相位平坦度，获得更为优异的超宽带移相性能。
总体而言，本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器，其结构紧凑，设计方法简单，插入损耗小，不需要额外的供电及逻辑控制，可以广泛应用在宽带有源相控阵雷达系统调试中。
附图说明
图1为本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器的原理示意框图；
图2为实施例1中举例的4路理想元器件构成的超宽带定值移相器提供30度、45度以及60度相移下的相移仿真结果；
图3为实施例2提供的4路超宽带定值移相器的结构示意框图；
图4为实施例2提供的4路超宽带定值移相器提供20度、40度以及60度相移下的相移测试结果；
图5为实施例2提供的4路超宽带定值移相器提供20度、40度以及60度相移下的相移误差测试结果；
图6为实施例2提供的4路超宽带定值移相器的插入损耗测试结果；
图7为实施例2提供的4路超宽带定值移相器的回波损耗测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以下实施例对本发明不构成限定。
本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器，可以用较小的电路面积实现较宽的工作带宽，具有良好的相移平稳度。如图1所示，本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器，包括N路移相单元，这N路移相单元是物理分离的，且通过接入不同移相单元的信号输入端与信号输出端，物理切换不同的移相单元，可实现N-1种移相状态，其中N≥2。以第N路移相单元为例说明，包括正交耦合器N、第一传输线θNC、第二传输线θND，以及第一容性负载CNA和第二容性负载CNB，其中所述正交耦合器包括输入端C、耦合端A、直通端B和隔离端D，所述第一传输线θNC的一端作为该移相单元的信号输入端，用于作为输入N接收一输入信号，另一端与正交耦合器的输入端C连接，所述第二传输线θND一端作为该移相单元的信号输出端，用于作为输出N输出一输出信号，另一端与正交耦合器的隔离端D连接；第一容性负载CNA的一端与正交耦合器的耦合端A连接，另一端接地；第二容性负载CNB的一端与正交耦合器的直通端B连接，另一端接地。即：正交耦合器的耦合端通过第一容性负载接地，正交耦合器的直通端通过第二容性负载接地。
上述各路移相单元中可以采用完全相同的正交耦合器。
实施例1：
图1给出了本发明提供的包含N路移相单元的超宽带定值移相器的原理示意图，其中N≥2，本实施例提供基于容性负载的超宽带定值移相器的原理仿真：
以N＝4时的包括四路移相单元的超宽带定值移相器为例来仿真，仿真所采用的正交耦合器其任意频率都为理想响应，即输出端和耦合端幅度相等，相位差90度；隔离端口完全隔离。容性负载采用理想电容元件(品质因数无限大)，传输线是特征阻抗50欧姆的理想传输线。具体电路参数如表1所示。
表1四路理想定值移相器电路参数(电容:pF,电长度:deg30GHz)
C1A C1B θ1C θ1D C2A C2B θ2C θ2D
0.3 0.3 0 0 0.47 0.47 8.95 8.95
CBA C3B θ3C θ3D C4A C4B θ4C θ4D
0.6 0.6 13.9 13.9 0.79 0.79 19.4 19.4
上述四路理想定值移相器的移相特性仿真结果如图2所示，在频率5-30GHz范围内，实现30度、45度和60度移相。由于采用了理想元器件仿真，因此其传输特性和回波特性都是理想的，及传输系数＝1，驻波系数＝1。通过上述理想元器件的仿真实验，证明了该结构原理上可在6倍频程内实现较小的相移波动。
实施例2：
实际应用中，本发明中采用的正交耦合器的实现方法有很多种，例如分支线耦合器，基于分布式耦合传输线的直接耦合器，或者是将分布式效应通过集总元件实现的集总耦合器等。本实施例2提供了一种基于容性负载的超宽带定值移相器，其移相单元的结构与上述结构描述一致，不再赘述，其采用的正交耦合器为由螺旋形电感耦合单元级联而成超宽带正交耦合器。该正交耦合器具有小型化、低插损及高隔离度的优势。
图3给出了本实施例2提供的以包含4路移相单元电路为例的超宽带定值移相器的结构示意框图，本实施例2提供的基于容性负载的超宽带定值移相器可以实现3种移相状态。分别对应N＝1,2,3,4的这4路移相单元的结构与上述移相单元结构描述一致，不再赘述。
如图3所示，本实施例2中采用的超宽带正交耦合器由电感耦合单元电路及耦合电容等集总元件实现，以减小电路尺寸；为增加正交耦合器的工作带宽，该超宽带正交耦合器由多级螺旋形电感耦合单元级联而成，每级螺旋形电感耦合单元包括相互耦合的两个螺旋电感；在本实施例2中，为增加正交耦合器的工作带宽，各路移相单元中的超宽带正交耦合器由4个螺旋形电感耦合单元级联而成，此处以此实施例为例介绍本发明进一步提供的超宽带正交耦合器的具体实施方式：
如图3所示，各螺旋形电感耦合单元电路结构形式相同，选取第1路移相单元中宽带耦合器1的第1级螺旋形电感耦合单元为例来说明，包括该级电路中相互耦合的第一螺旋电感L11和第二螺旋电感L12，第一、第二电感同位于左侧的端口之间跨接有跨接电容C0，第一、第二电感同位于右侧的端口之间跨接有跨接电容C2，所述跨接电容C0的两端分别通过接地电容C01、C02接地，所述跨接电容C2的两端分别通过接地电容C21、C22接地。上下两个紧耦合的螺旋电感提供电感耦合，在螺旋形电感耦合单元中通过其两个螺旋电感位于同层金属并采用边际耦合实现相互耦合，或所述螺旋形电感耦合单元通过其两个螺旋电感位于不同层金属，结合边际耦合和上下层耦合实现相互耦合。四个接地电容C01、C02、C21、C22以及两个螺旋电感间的跨接电容C0、C2用来提供合适的奇偶模阻抗，共同实现耦合功能。
各级螺旋形电感耦合单元之间通过后级单元的左侧端口和前级单元的右侧端口连接，实现多级级联。相邻两级的螺旋形电感耦合单元通过前一级的两个螺旋电感分别与后一级的两个螺旋电感之一串联实现前后级级联。具体的，相邻级的螺旋形电感耦合单元之间通过前一级的第一螺旋电感串联后一级的第一螺旋电感，及前一级的第二螺旋电感串联后一级的第二螺旋电感实现前后级级联，或相邻级的螺旋形电感耦合单元之间通过前一级的第一螺旋电感串联后一级的第二螺旋电感，及前一级的第二螺旋电感串联后一级的第一螺旋电感实现前后级联。前后级螺旋形电感耦合单元电路之间，合并且共用跨接电容及其两端的接地电容。
为简化电路设计，该正交耦合器电路结构上下对称，左右对称，即：C01＝C02＝C81＝C82；C21＝C22＝C61＝C62；C41＝C42；C0＝C8；C2＝C6；L11＝L12＝L71＝L72；L31＝L32＝L51＝L52；此外，M1、M3、M5、M7分别表示第一、第二、第三、第四级螺旋形电感耦合单元中两个紧耦合的螺旋电感的耦合系数，因为电路结构的对称性，所以M1＝M7，M3＝M5。
该耦合器中级联连接的第一级螺旋形电感耦合单元中的其中一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的耦合端，另一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的输入端；该耦合器中最后一级螺旋形电感耦合单元中的其中一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的直通端，另一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的隔离端；具体在本实施例的各耦合器中，位于第一级的电感耦合单元的左上和左下端口分别为耦合器的耦合端A和输入端C；位于最后一级的电感耦合单元的右上端口和右下端口分别为耦合器的直通端B和隔离端D。
同时，本例耦合器中位于外部的两个螺旋形电感耦合单元，即第1级和第4级螺旋形电感耦合单元中相互耦合的两个螺旋电感的间距较大，耦合系数较小，而相对位于中心内部的两个螺旋形电感耦合单元，即第2级和第3级螺旋形电感耦合单元中相互耦合的两个螺旋电感的间距较小，实现紧密耦合，耦合系数较大，从而有M1＝M7<M3＝M5。这种耦合器结构，从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距逐渐递减，实现了耦合系数由外部到内部的渐变，从而实现耦合器的超宽带耦合。
当然，上述实施例仅仅为本发明的举例，本发明中基于容性负载的超宽带定值移相器中可以采用各种形式的正交耦合器，当采用本发明进一步提供的超宽带正交耦合器时，根据实际需要，该超宽带正交耦合器由2级以上的多级螺旋形电感耦合单元级联而成，如2级、3级、4级、5级、6级、7级甚至更多，从外部到内部，各级螺旋形电感耦合单元的耦合系数可通过各自相互耦合的两个螺旋电感的耦合间距或微带线宽实现渐变可调，本发明进一步提供的超宽带正交耦合器中从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减。
在本发明提供的结构基础上，设置参考阻抗阻抗均为50欧姆的前提下，通过电磁仿真优化各螺旋形电感耦合单元的耦合间距以及电容容值，即可获得所需的超宽工作频带，直通端与耦合端输出的射频/微波信号频率与输入信号相同，实现3dB功率等分。相位上，直通端口与耦合端口的输出信号相差90度，实现了单端信号与正交信号之间转化的结构。
当然，上述实施例仅仅为本发明中所提供的超宽带正交耦合器的实施方式举例，以上实施列对本发明不构成限定。
该超宽带定值移相器中的第一容性负载和第二容性负载，分别连接在耦合器的耦合端A与直通端B，如图1所示。采用纯容性元件作为耦合器直通端口和耦合端口的负载，避免了品质因数较低的电感元件的使用，节省芯片尺寸的同时，又降低了芯片的损耗；不仅如此，纯容性元件作为负载不会恶化移相器的带宽，即移相器的带宽完全取决于正交耦合器的带宽。传统的LC串并联的负载，一方面是尺寸大、损耗高，另一方面其电感电容值的选取可能难于实现或者容易限制移相器的工作带宽。
该超宽带定值移相器中的第一传输线和第二传输线，分别连接在耦合器的输入端C与隔离端D，如图1所示。第一、第二传输线的作用主要有：1).配合容性负载的电容值选取，共同调整移相器的输入端口和输出端口的相位；2).传输线可以减小芯片中的多个移相单元电路输入端(或输出端)相距距离，使得移相器输入端(或输出端)更加紧凑，便于实际使用中键合。
本发明在完成正交耦合器的设计选取后，可根据实际需要进行各个移相单元电路中容性负载电容值以及传输线电长度的选取。以上述实施例2中举例说明的4路移相单元为例来继续举例说明，其移相单元电路中的传输线均采用50欧姆微带线实现，第一和第二传输线的特性阻抗均为50欧姆；移相单元电路中的容性负载均采用MMIC电容实现。通常地，首先确定参考移相单元电路1中的参数(C1A,C1B,θ1C,θ1D)。优选的，为简化设计复杂度，对称选取参数，即C1A＝C1B，θ1C＝θ1D。对于参考路1中第一、第二传输线的电长度可以任意选择，此处可令θ1C＝θ1D＝0；容性电容值的选取，需要兼顾如下问题：1).对于参考电路，容性电容值相对较小；2).过小的电容值将由于加工误差的影响导致参考路的相位参考偏差较大。在满足上述两个条件下，参考路1的容性负载电容值可以任意选取。随后，确定非参考移相单元电路N中的参数(CNA,CNB,θNC,θND)，N＝2,3,4；对于非参考路移相单元与参考路移相单元间的相位，通过增加电容值和电长度获得，最优值需要仿真优化。
通过在片实测，采用超宽带正交耦合器时，本发明提供的基于容性负载的超宽带定值移相器在所需工作带宽6-18GHz内的性能如图4～7所示。如图4所示，上述实施例2中举例的4路超宽带定值移相器能够提供3种移相状态，分别为20度、40度以及60度。如图5所示，该超宽带定值移相器的宽带移相误差变化较小，精度较高。如图6所示，该4路移相单元的插入损耗在6-18GHz宽带范围内小于3.5dB，小于数字移相器的损耗。如图7所示，该超宽带定值移相器的回波损耗特性优良。
本发明中，通过改变传输线电长度和负载电容值即可获得不同的移相状态，设计方便，移相性能优越，可达到良好的幅度一致性；而且所述N路移相单元的正交耦合器可以采用完全相同的设计，以简化设计；进一步的移相单元电路中配合采用本发明提供的由螺旋形耦合电感级联构成的超宽带正交耦合器，可以使得在正交耦合器的带宽范围内保持良好的相位平坦度，获得更为优异的超宽带移相性能，具有小型化、低插损及高隔离度的优势。此外，不同于传统的数控移相器，本设计不需要额外供电及逻辑电路，非常适于批量生产多通道系统时，在调试过程中进行相位校正。同时，该定值移相器如果在输入输出分别匹配相关的单刀N掷的开关选择电路，也可以作为标准数字移相电路使用，具有设计简洁，移相精确，附加幅度一致性高的优点。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：
包括物理分离的N路移相单元，通过接入不同移相单元的信号输入端与信号输出端，实现N-1种移相状态；
每路移相单元中，包括正交耦合器、第一和第二传输线，以及第一和第二容性负载，其中所述正交耦合器包括输入端、耦合端、直通端和隔离端，所述第一传输线的一端作为该移相单元的信号输入端，另一端与正交耦合器的输入端连接，所述第二传输线一端作为该移相单元的信号输出端，另一端与正交耦合器的隔离端连接；第一容性负载的一端与正交耦合器的耦合端连接，另一端接地；第二容性负载的一端与正交耦合器的直通端连接，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：所述各移相单元中分别与正交耦合器耦合端和直通端连接的第一和第二容性负载为纯电容元件。
3.根据权利要求1所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：分别与正交耦合器输入端和隔离端连接的第一和第二传输线的特性阻抗均为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：所述N路移相单元中采用完全相同的正交耦合器。
5.根据权利要求1所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：所述正交耦合器为由螺旋形电感耦合单元级联而成超宽带正交耦合器；每级螺旋形电感耦合单元包括相互耦合的两个螺旋电感；相邻两级的螺旋形电感耦合单元通过前一级的两个螺旋电感分别与后一级的两个螺旋电感之一串联实现前后级级联；
该耦合器中级联连接的第一级螺旋形电感耦合单元中的其中一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的耦合端，另一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的输入端；该耦合器中最后一级螺旋形电感耦合单元中的其中一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的直通端，另一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的隔离端；
从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减。
6.根据权利要求5所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：所述螺旋形电感耦合单元通过其两个螺旋电感位于同层金属并采用边际耦合实现相互耦合，或所述螺旋形电感耦合单元通过其两个螺旋电感位于不同层金属，结合边际耦合和上下层耦合实现相互耦合。
7.根据权利要求5所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：所述各螺旋形电感耦合单元中的两个螺旋电感位于同一侧的端口之间跨接有跨接电容，所述跨接电容的两端分别通过接地电容接地。
8.根据权利要求5所述的基于容性负载的超宽带定值移相器，其特征在于：所述耦合器的电路结构左右对称，上下对称，且均为集总元件。
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