CN105720328B - 一种集成化微波调配器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成化微波调配器，其特征是：至少包括:可调电容直流偏置电路（1）、传输线（2）、微波开关控制电路（3）、微波开关（4）、可调电容（5）；微波开关（4）和可调电容（5）串联连接在传输线（2）和地电位之间形成支路，多个支路并联在传输线（2）和地电位之间；支路中的可调电容（5）采用不同容值，每个支路中的微波开关（4）控制端与微波开关控制电路（3）电连接；在传输线（2）与地电位之间接有可调电容直流偏置电路（1）。本发明具有体积小、操作控制简单，便于安装使用等特点。

Description

一种集成化微波调配器
技术领域
本发明涉及一种结构简单，易于调节的集成化微波调配器。
背景技术
负载牵引、源牵引技术是微波元器件设计、测试的重要方法。如振荡器的输出频率、相位噪声牵引、低噪声放大器的噪声系数、功率放大器的输出功率、大功率放大器的交调参量等。负载牵引技术和源牵引技术也是微波测试系统的重要组成部分。目前根据不用的频段和接口需求，往往选择同轴线调配器或者波导调配器，而且调配器结构主要是在传输线上或者波导内部插入滑块来实现的，滑块的移动和插入导致传输线产生了不连续性，在不连续处可以等效为电抗元件，从而实现阻抗调配的功能。在实际应用中，调配器的位置位于被测器件的源或者负载处，通过调节调配器，使被测器件输出不同的结果，从而找到自己想要的结果。调配器位于源和负载处的工作网络框图如图3示：
调配器的工作原理就是单枝节匹配原理，单枝节匹配是在传输线和负载合理的距离处接入一段定长的终端开路或者终端短路的均匀传输线来实现匹配的。假设负载的导纳为：YL＝gl+j*bl，在距离负载d处，负载导纳的值为：Yin′＝1+j*bl，改变并联传输线的长度l使其值恰好为Yin″＝-j*bl，在输入端，负载导纳为Yin＝Yin′+Yin″＝1+j*bl-j*bl＝1，实现匹配，同样也可以调节负载阻抗或者源阻抗实现任意值。结构如下图4示：
但是现阶段的调配器结构，往往是在外部增加一段传输线或者波导，通过控制步进电机，利用电机的运动来调节滑块的水平位置和插入深度，这种结构体积比较大，使用起来不方便；并且在使用过程中，必须对被测器件增加夹具，各种转接结构等，使系统庞大、冗余；而且传输线长度的增加必然会带来损耗的增加，随着长度的增加，损耗也会越来越大，这将严重影响调配器的调配指标和测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、操作控制简单，便于安装使用的集成化微波调配器。
本发明的目的是这样实现的，一种集成化微波调配器，其特征是：至少包括:可调电容直流偏置电路、传输线、微波开关控制电路、微波开关、可调电容；微波开关和可调电容串联连接在传输线和地电位之间形成支路，多个支路并联在传输线和地电位之间；支路中的可调电容采用不同容值，每个支路中的微波开关控制端与微波开关控制电路电连接；在传输线与地电位之间接有可调电容直流偏置电路。
所述的传输线，特性阻抗为50欧姆，传输线的长度依据以下公式设计，l≥λ/2；工作频段的不同设置不同的长度，保证在该频段内，反射系数的相位可以在-180°–180°范围内变化。
所述的传输线可以在PCB基板上加工，也可以集成在硅衬底上。
所述的微波开关控制电路，控制传输线上微波开关的导通和关断，通过微波开关控制电路控制并联支路的连接和断开，通过可调直流偏置电路提供的电压来调节可调电容的电容值，使连接支路上的电容值实现变化；通过改变并联支路的位置得到不同的反射系数的相位，通过改变可调电容的电容值得到不同的反射系数的绝对值。
所述的微波开关是PIN二极管或者RF MEMS开关。
所述的可调电容可以用变容二极管来实现，通过调节施加在变容二极管两端的电压，改变串联到地的电容值。
所述的可调电容采用RF MEMS技术制造，使可调电容能够直接与传输线以及RFMEM开关集成在同一芯片内，实现射频系统的片内高集成。
所述的微波开关和可调电容串联连接在传输线和地电位之间形成支路,其中各串联支路间的间隔距离可调，通过调节间隔距离的大小和电容个数，使调配器指标得到连续。
本发明的优点是：
1.体积小，可以集成在芯片内部，直接焊接在电路板上，缩小设备整体的体积，提高空间利用率；同时，体积的减小有利于信号损耗的降低，增加系统的效率；
2.便于控制，设备集成后，通过引脚相连接，可以直接单片机控制内部开关的导通和关断；
3.可以减少测量系统中的转接、夹具等设备，提高测量的精度，或者，测量时可以将被测量器件与新型调配集成在一个芯片内部；
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1调配器阻抗调配部分结构示意图；
图2调配器整体结构框图；
图3调配器使用示意图；
图4单枝节调配原理图；
图5是ADS仿真模型；
图6是ADS仿真结构示意图。
图中，1、可调电容直流偏置电路；2、传输线；3、微波开关控制电路；4、微波开关；5、可调电容；6、微波开关闭合；7、微波开关断开。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明涉及一种集成化微波调配器，至少包括:可调电容直流偏置电路1、传输线2、微波开关控制电路3、微波开关4、可调电容5；微波开关4和可调电容5串联连接在传输线2和地电位之间形成支路，多个支路并联在传输线2和地电位之间；支路中的可调电容5采用不同容值，每个支路中的微波开关4控制端与微波开关控制电路3电连接；在传输线2与地电位之间接有可调电容直流偏置电路1。
所述的传输线2，特性阻抗为50欧姆，传输线的长度依据工作频段的不同设置不同的长度，l≥λ/2，保证在该频段内，反射系数的相位可以在-180°–180°范围内变化，传输线可以在PCB基板上加工，也可以集成在硅衬底上。
所述的微波开关控制电路3是单片机，单片机通过I/O端口控制传输线并联支路上微波开关的导通和关断，每一个支路开关的闭合会影响阻抗反射系数的相位，通过微波开关控制电路3控制并联支路的闭合，所述的可调电容直流偏置电路是电压连续可调的电压源，其电压输出小于可调电容的最大电压值。通过可调电容直流偏置电路1提供不同的直流电压值，来调节对应支路可调电容的电容值，得到不同的反射系数绝对值和反射系数相位，实现负载阻抗的调配。
所述的微波开关4，微波开关模块可以选择PIN二极管作为开关，也可以选择RFMEMS开关，在低频段可以选择固态电子开关，固态电子开关便宜、低损耗、易于集成，可以直接应用在PCB基板设计的调配器上，高频段，可以采用RFMEMS开关，在高频段损耗特别低，而且可以和传输线同时集成在硅衬底上，提高集成化；
可调电容可以用变容二极管来实现，通过调节施加在变容二极管两端的电压，改变串联到地的电容值，此时需要在调配器的输入端和输出端增加隔直电容，防止直流偏置电源对测试仪器造成损害，通过微波开关的关断和导通来控制串联到传输线上变容二极管的具体位置，实现对阻抗的调配功能。
所述的可调电容5采用RFMEMS技术来实现，变容二极管体积比较大，不便于集成，在相对较大的结构中可以采用，采用RF MEMS技术制造的可调电容能够直接与传输线以及RFMEM开关集成在同一芯片内，实现射频系统的片内高集成。
在传输线上间隔固定由微波开关和可调电容组成的串联支路，串联支路间隔距离可调，间隔距离的大小和电容个数决定调配器指标的连续性。
为了减小体积，使用射频微机电系统(RFMEMS)来实现调配器结构中使用到的微波开关、可调电容等结构，使用射频微机电系统(RFMEMS)结构可以降低调配器的体积，降低损耗，增加调配器的集成化。
仿真验证时，在ADS建立调配器的模型如图5所示，2处代表信号传输线，特性阻抗为50欧姆，6处表示此并联支路的微波开关闭合，7处表示此并联支路的微波开关未闭合，5处表示电容值根据需要来调节具体值，仿真和实际加工时并联支路的个数，传输线的长度和宽度根据不同工作频段设置不同的值或者根据指标的要求来设置需求的值。
当①处并联支路连接到传输线，其他支路断开时，调配器输入端反射系数的模值会随着并联电容值的变化而变化，其仿真结果如下表：
表1并联电容位于①处，电容值变化时S11(m)的值的变化
当③处并联支路连接到传输线，其他支路断开时，调配器输入端反射系数的模值随并联电容值变化的结果如表2
表2并联电容位于③处，电容值变化时S11(m)的值的变化
当电容值固定不变时，仿真时设定并联电容值为0.5pF，然后改变并联电容连接到传输线的位置，分别使①、②、③、④、⑤的电容连接到传输线上，此时反射系数的相位变化如表3所示
表3电容值固定c＝0.5pF,位置改变时S11相位的变化
本发明中，仿真和实际加工时并联支路的个数，传输线的长度和宽度根据不同工作频段设置不同的值或者根据指标的要求来设置需求的值。
图5的说明，Term1，Term2分别代表调配器输入端源阻抗和输出端负载阻抗，仿真时分别设置为50欧姆，图5中标注2处代表传输线，其中TL1～TL6代表信号传输线，TL7～TL11代表安装开关以及可调电容时带来的传输线，将该传输线的特性阻抗设置为50欧姆。在实际加工制作时，传输线的特性阻抗与工作频段、介质的介电常数以及介质板材的厚度等相关因素有关，所以实际应用中的传输线长度和宽度根据实际需求来加工。仿真时，选择每段长度为1.082mm，宽度为1mm。图5中标注6处代表微波开关闭合，图5中标注7处表示微波开关断开，断开处表示该并联支路未连接，闭合处代表并联支路并联到传输线上；图5中标注5处表示可调电容，在设计时采用变容二极管或者RF MEMS技术来实现，电容的变化范围可以根据实际需求来设置；仿真时，电容C1～C5的变化范围为0.1pF～1.5pF。
图6说明，对调配器建模仿真，在不同频率的条件下，获得调配器各种参数随电容值变化或者并联支路位置变化的数据。首先，仿真调配器反射参数模值的变化规律，闭合图6标注①处的开关，②③④⑤处开关断开，固定仿真频率，改变电容C1的值，获得不同频率条件下调配器反射参数模值随电容值变化的数据，测量结果见表1；然后闭合图6标注的③的开关，其他四处开关断开，固定仿真频率，改变电容C3的值，获得不同频率条件下调配器反射参数模值随电容值变化的数据，测量结果见表2；然后测量并联支路位置的变化对反射参数相位的影响，仿真时，固定可调电容的电容值，使其分别等于0.5pF，然后分别闭合图6中标注的①②③④⑤的开关，然后固定仿真频率，获得并联支路位置变化时，不同频率条件下的相位变化数据，测量结果见表3。
负载牵引法是一种利用自动调配器调配源和负载阻抗的与阻抗相关的测量技术，反映的是对与频率相关的负载阻抗所进行的测量。这种测量技术的原理是在给定输入功率的情况下，通过改变源阻抗或者负载阻抗，测量输入、输出以及功率附加效率等参数，同时记录对应的源阻抗或者负载阻抗的数值,经过适当的数据处理后以获得最大输出功率或者最高功率附加效率等状态下所需的最佳源阻抗和负载阻抗，以此得到输入/输出匹配网络的最佳设计方案。
微波调配器即为可以加在微波芯片、微波晶体管、微波器部件的源或负载端来大范围、方便、准确的改变被测件的源或者负载阻抗的电路结构。

Claims (6)

1.一种集成化微波调配器，其特征是：至少包括:可调电容直流偏置电路（1）、传输线（2）、微波开关控制电路（3）、微波开关（4）、可调电容（5）；微波开关（4）和可调电容（5）串联连接在传输线（2）和地电位之间形成支路，多个支路并联在传输线（2）和地电位之间；支路中的可调电容（5）采用不同容值，每个支路中的微波开关（4）控制端与微波开关控制电路（3）电连接；在传输线（2）与地电位之间接有可调电容直流偏置电路（1）；所述的传输线（2），特性阻抗为50欧姆，传输线的长度依据以下公式设计，l≥λ/2；工作频段的不同设置不同的长度，保证在该频段内，反射系数的相位可以在–180°- 180°范围内变化；所述的传输线（2）在PCB基板上加工，或者集成在硅衬底上。
2.根据权利要求1所述的一种集成化微波调配器，其特征是：所述的微波开关控制电路（3），控制传输线并联支路上微波开关的导通和关断，通过微波开关控制电路（3）控制支路的连接和断开，通过可调直流偏置电路（1）提供的电压来调节可调电容的电容值，使连接支路上的电容值实现变化；通过改变并联支路的位置得到不同的反射系数的相位，通过改变可调电容的电容值得到不同的反射系数的绝对值。
3.根据权利要求1所述的一种集成化微波调配器，其特征是：所述的微波开关（4）是PIN二极管或者RF MEMS开关。
4.根据权利要求1所述的一种集成化微波调配器，其特征是：所述的可调电容( 5 )可以用变容二极管来实现，通过调节施加在变容二极管两端的电压，改变串联到地的电容值。
5.根据权利要求1所述的一种集成化微波调配器，其特征是：所述的可调电容（5）采用RF MEMS技术制造，使可调电容能够直接与传输线以及RFMEM开关集成在同一芯片内，实现射频系统的片内高集成。
6.根据权利要求1所述的一种集成化微波调配器，其特征是：所述的微波开关（4）和可调电容（5）串联连接在传输线（2）和地电位之间形成支路,其中各串联支路间的间隔距离可调，通过调节间隔距离的大小和电容个数，使调配器指标得到连续。
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