CN106450598B - 一种宽带宽移相范围反射型可调移相器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带宽移相范围反射型可调移相器及其设计方法，该可调移相器由垂直安装平面电路以及两条分别并联两个变容二极管的四分之一波长线组成，垂直安装平面电路是由垂直耦合基片和水平电路板组成的三维结构，在保证宽移相范围的同时提高了可调移相器的工作带宽；该移相器结构紧凑，尺寸小，采用微带线结构成本低廉，结构简单、易于加工，易于与其他器件或设备集成。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领领域，更具体地，涉及一种宽带宽移相范围反射型可调移相器及其设计方法。
背景技术
作为一种能够控制信号相位变化的器件，移相器在通信、雷达系统、仪器仪表领域有着广泛的应用。尤其随着相控阵天线系统的发展，移相器作为其关键的核心部件，得到了迅速的发展和使用。而在无线通信系统中，能够同时满足宽带宽、宽移相范围以及小电路尺寸等条件的移相器成为当前的迫切需要,然而传统的移相器不能够同时满足这些条件。
为了改善移相器的相位可调范围，目前已经出现了很多技术来实现。其中包括采用两个变容二极管和四分之一波长线级联作为反射负载的方式，可达到360°的移相范围；一种含有3个变容二极管的π型网络被提出以达到385°的移相范围，一种采用具有阻抗变换功能的正交耦合器的方式则可以达到240°范围内的移相。但是所有的这些方法仅仅只能够在10％的带宽下工作。为了改善移相器的带宽，一种短耦合线方式的移相器被提出以实现36％带宽范围内的移相，但是该移相器需要在两条短耦合线之间加载集总电容，这将增加了电路的复杂性。更宽的工作带宽往往能够适应更多的通信标准，同时能够实现更高的数据传输速率。
之前的可调移相器的改善主要是集中在可调移相范围方面，考虑到实际应用方面，从来没有提出一种方法能够同时满足宽带宽、宽可调移相范围以及小尺寸的要求。
发明内容
本发明提供一种在较窄的带宽内实现较宽的移相范围的宽带宽移相范围反射型可调移相器。
本发明的又一目的在于提供一种宽带宽移相范围反射型可调移相器的设计方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种宽带宽移相范围反射型可调移相器，包括水平电路板和垂直耦合基片，所述水平电路板包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为第一微带电路单元，第二层为第一基板，第三层为金属地层；所述垂直耦合基片包括从上到下依次排布的三层结构：第一层为第二微带电路单元，第二层为第二基板，第三层为第三微带电路单元。
进一步地，所述垂直耦合基片由两条位置相互对称的耦合微带线D1-D2构成，且与水平电路板垂直放置。
进一步地，水平电路板上由两条端口线A1-A2，两条匹配线C1-C2以及两个反射负载组成，两条端口线A1-A2是信号的输入输出端口线，两条匹配线C1-C2用于使电路匹配效果好，降低电路的回波损耗，所述反射负载由直流偏置单元和四分之一波长线B1-B2组成。
进一步地，所述直流偏置单元由隔直电容、扼流电阻和变容二极管组成，隔直电容加载在与垂直耦合基片连接的四分之一波长线和变容二极管之间，直流电压通过导线加载在扼流电阻一端，扼流电阻的另一端接在隔直电容和变容二极管之间，变容二极管正极与金属地层相连。
进一步地，耦合微带线D1-D2的形状大小均一致；两条端口线A1-A2形状大小均一致；两条匹配线C1-C2形状大小均一致。
进一步地，所述移相器接地均采用金属化过孔方式，金属化过孔采用微带工艺固定在第一基板上，第一基板为介质材料基板，其中水平电路板采用的介质材料厚度为0.813mm的Rogers RO4003C材料，其介电常数为3.38，其中垂直耦合基片采用的介质材料厚度为0.508mm的Rogers RT/duroid 5880材料，其介电常数为2.2；所述金属地层为铺满良导体的金属地层。
一种宽带宽移相范围反射型可调移相器的设计方法，包括以下步骤：
1)、根据已知的等效电路模型推导出移相器回波损耗S11和插入损耗S21的等效公式，根据所需要的中心频率，在控制变量的情况下扫描得到最优的垂直耦合基片的电长度以及耦合因子C，确定耦合基片的长度；
2)、利用全波电磁仿真软件HFSS扫描不同垂直耦合基片的厚度以及宽度情况下的奇偶模，在垂直耦合基片的厚度一定的情况下得到有最优性能的耦合基片的宽度；
3)、把得到的耦合基片的长度和宽度参数输入到全波电磁仿真软件HFSS中进行仿真，通过微调完成设计。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明首次提出了一种宽带宽移相范围反射型可调移相器，在保证宽移相范围的同时提高了可调移相器的工作带宽；该移相器结构紧凑，尺寸小，采用微带线结构成本低廉，结构简单、易于加工，易于与其他器件或设备集成。
附图说明
图1为本发明实施例侧面结构示意图；
图2为本发明实施例三维模型整体结构以及尺寸标注图；
图3为本发明实施例在不同偏置电压下测试的S参数图；
图4为本发明实施例在不同偏置电压下测试的相位变化图；
图5为本发明实施例在偏置电压在1V的情况下仿真测试的S参数以及相位对比图；
图6为本发明实施例在偏置电压在28V的情况下仿真测试的S参数以及相位对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-2所示，一种宽带宽移相范围反射型可调移相器，包括水平电路板和垂直耦合基片组成。水平电路板特征是：包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为第一微带电路单元101，第二层为第一基板102，第三层为金属地层103，垂直耦合基片特征是：包括从上到下依次排布的三层结构：第一层为第二微带电路单元201，第二层为第二基板202，第三层为第三微带电路单元203。
垂直耦合基片由两条关于基片对称的耦合微带线D1、D2构成，且与水平电路板垂直放置。常规的窄边耦合线很难在两条相邻微带下得到强耦合，通过垂直耦合基片能够很容易得到强耦合，因此能够实现宽带特性。
水平电路板上由两条端口线A1、A2，两条匹配线C1、C2以及两个反射负载组成。其中，两条端口线A1、A2是信号的输入输出端口线，两条匹配线C1、C2的作用是使电路匹配效果更好，降低电路的回波损耗。反射负载由直流偏置单元和四份之一波长线B1、B2组成。
直流偏置单元由隔直电容、扼流电阻和变容二极管组成。隔直电容加载在与垂直耦合基片连接的四分之一波长线和变容二极管之间，直流电压通过导线加载在扼流电阻一端，扼流电阻的另一端接在隔直电容和变容二极管之间，变容二极管正极通过金属过孔与金属地层103相连。
垂直耦合基片对称的耦合微带线D1、D2形状大小均一致，均为宽W1，长度为L1。
两条端口线A1、A2形状大小均一致，均为宽W2，长度为L2。两条匹配线C1、C2形状大小均一致，均为宽Ws，长度为Ls。
变容二极管为BB833变容二极管(Infineon公司)。
移相器接地均采用金属化过孔方式，金属化过孔采用微带工艺固定在第一基板102上，第一基板102为介质材料基板，其中水平电路板采用的介质材料厚度为0.813mm的Rogers RO4003C材料，其介电常数为3.38。其中垂直耦合基片采用的介质材料厚度为0.508mm的Rogers RT/duroid 5880材料，其介电常数为2.2。
金属地层103为铺满良导体的金属地层103。
本发明的移相器能够在1GHz到2GHz的频段内实现大于280°的移相的同时实现66.7％的带宽。电路结构紧凑，尺寸只有0.26λg*0.37λg。
本发明还提供了一种宽带宽移相范围反射型可调移相器的设计方法：
首先根据已知的等效电路模型可以推导出回波损耗S11和插入损耗S21的等效公式，根据所需要的中心频率，在控制变量的情况下扫描可以得到最优的垂直耦合基片的电长度以及耦合因子C，即可确定耦合基片的长度。再利用全波电磁仿真软件HFSS扫描不同垂直耦合基片的厚度以及宽度情况下的奇偶模，可以在垂直耦合基片的厚度一定的情况下得到有最优性能的耦合基片的宽度。再把得到的参数带入到HFSS模型中进行仿真，通过微调即可完成设计。
本发明的移相器在1GHz到2GHz频带范围内工作参数为：L1＝34mm,W1＝2.5mm,L2＝15.7mm，W2＝1.8mm，Ls＝3mm,Ws＝2mm。Chip capacitor容值为10nF，RF choke阻值为10KΩ。其中各个参数在不同频率移相器中数字不同。
参照图3(本发明实施例所提出的在不同偏置电压下测试的S参数图)，此时，所提出的一种宽带宽移相范围反射型可调移相器能够在整个频带范围内保持回波损耗小于-14dB，同时插入损耗小于5.8dB,同时在中心频率1.5GHz处，插入损耗保持在1dB-2.6dB区间之内。
参照图4(本发明实施例所提出的在不同偏置电压下测试的相位变化图)，此时，所提出的一种宽带宽移相范围反射型可调移相器能够在整个频带范围内实现大于280°的移相，移相范围为280°-407°。
参照图5、图6，通过仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高。
通过所测得的良好结果，表明本发明的方案切实可行。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种宽带宽移相范围反射型可调移相器，其特征在于，包括水平电路板和垂直耦合基片，所述水平电路板包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为第一微带电路单元（101），第二层为第一基板（102），第三层为金属地层（103）；所述垂直耦合基片包括从上到下依次排布的三层结构：第一层为第二微带电路单元（201），第二层为第二基板（202），第三层为第三微带电路单元（203）；
所述垂直耦合基片由第一耦合微带线和第二耦合微带线（D1-D2）构成，且与水平电路板垂直放置，第一耦合微带线（D1）形成第二微带电路单元（201），第二耦合微带线（D2）形成第三微带电路单元（203）；
第一微带电路单元（101）由第一端口线和第二端口线（A1-A2），第一匹配线和第二匹配线（C1-C2）以及第一反射负载和第二反射负载组成，两条端口线（A1-A2）是信号的输入输出端口线，两条匹配线（C1-C2）用于使电路匹配效果好，降低电路的回波损耗，所述反射负载由直流偏置单元和四分之一波长线（B1-B2）组成；
所述直流偏置单元由隔直电容、扼流电阻和变容二极管组成，隔直电容加载在与垂直耦合基片连接的四分之一波长线和变容二极管之间，直流电压通过导线加载在扼流电阻一端，扼流电阻的另一端接在隔直电容和变容二极管之间，变容二极管正极与金属地层（103）相连；
所述两条耦合微带线（D1-D2）的形状大小均一致；两条端口线（A1-A2）形状大小均一致；两条匹配线（C1-C2）形状大小均一致；
所述移相器接地均采用金属化过孔方式，金属化过孔采用微带工艺固定在第一基板（102）上，第一基板（102）为介质材料基板，其中第一基板采用介质材料厚度为0.813 mm的Rogers RO4003C的材料，其介电常数为3.38，其中第二基板采用介质材料厚度为0.508 mm的Rogers RT/duroid 5880的材料，其介电常数为2.2；所述金属地层（103）为铺满良导体的金属地层；
第一端口线（A1）、第一匹配线（C1）、第一反射负载与第一耦合微带线（D1）连接；第二端口线（A2）、第二匹配线（C2）、第二反射负载与第二耦合微带线（D2）连接；
第一匹配线（C1）与第一耦合微带线（D1）的连接点位于第一端口线（A1）与第一耦合微带线（D1）的连接点和第一反射负载与第一耦合微带线（D1）的连接点之间；第二匹配线（C2）与第二耦合微带线（D2）的连接点位于第二端口线（A2）与第二耦合微带线（D2）的连接点和第二反射负载与第二耦合微带线（D2）的连接点之间；
第一端口线（A1）与第一耦合微带线（D1）的连接点的位置与第二反射负载与第二耦合微带线（D2）的连接点的位置相对；第一匹配线（C1）与第一耦合微带线（D1）的连接点的位置与第二匹配线（C2）与第二耦合微带线（D2）的连接点的位置相对；第一反射负载与第一耦合微带线（D1）的连接点的位置与第二端口线（A2）与第二耦合微带线（D2）的连接点的位置相对。
2.一种如权利要求1所述的宽带宽移相范围反射型可调移相器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、根据已知的等效电路模型推导出移相器回波损耗S11和插入损耗S21的等效公式，根据所需要的中心频率，在控制变量的情况下扫描得到最优的垂直耦合基片的电长度以及耦合因子C，确定耦合基片的长度；
2）、利用全波电磁仿真软件HFSS扫描不同垂直耦合基片的厚度以及宽度情况下的奇偶模，在垂直耦合基片的厚度一定的情况下得到有最优性能的耦合基片的宽度；
3）、把得到的耦合基片的长度和宽度参数输入到全波电磁仿真软件HFSS中进行仿真，通过微调完成设计。
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