CN110011004B - 一种移相量分别可控的双频移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移相量分别可控的双频移相器，涉及双频移相器，属于基本电气元件的技术领域。该双频移相器由“口”字型传输线段组合、连接在输入端的加载短截线和连接在输出端的加载短截线、两个相同的用于移相量控制的双频电纳单元以及两个用于相位切换的开关组成。输入/输出端的加载短截线、双频电纳单元由终端短路或开路的短截线实现，短截线是两段或更多段的传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。该移相器使用微带线设计，可以实现在两个频点上任意设置移相量的功能，并具有损耗低、加工成本低、易于集成等优点。

Description

一种移相量分别可控的双频移相器
技术领域
本发明公开了一种移相量分别可控的双频移相器，涉及双频移相器，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
移相器是可以调整电磁波相位的器件，对于相控阵雷达天线相位的调控、射频通信信号相位的调制和测量系统相位的控制有着非常重要的作用。上世纪60年代，随着相控阵雷达的高速发展，其关键组件——移相器的重要性也日益凸显，之后，由于移相器在通信网络、导弹姿态控制、仪表仪器设计等领域也有重要应用，学界对它的研究经久不衰。
在通信技术高速发展的今天，通信设备的小型化趋势要求通信设备同时工作在两个频点甚至多个频点上进而减少空间成本，且天线技术发展至今，双频阵列天线和双频可重构天线等双频天线的提出对移相器的双频性能也提出了确切的要求。目前，还没有能够实现移相量分别可控的双频移相器，本发明旨在提出一种通过一个电压控制两个频点处的移相量。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种移相量分别可控的双频移相器，实现了双频移相器在两个频点上的移相量可控，解决了如何分别控制双频移相器在两个频点上移相量的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种移相量分别可控的双频移相器，包括：
由四段传输线首尾相连组成的“口”字型传输线组合，相对的两段传输线具有相同的电长度和特征阻抗，以该“口”字型传输线组合中的一段传输线的两端为输入端和输出端，
两段加载短截线，一段接在输入端，另一段接在输出端，
两个用于移相量控制的双频电纳单元，分别接在与输入端和输出端之间的传输线具有相同电长度和相同特征阻抗的传输线的两端，根据“口”字型传输线组合的阻抗特性、端口特征阻抗以及在两个频点上的移相量确定双频电纳单元在两个频点处的电纳值，
两个用于相位切换的PIN管，分别接在与输入端和输出端之间的传输线具有相同电长度和相同特征阻抗的传输线的两端。
作为移相量分别可控的双频移相器的进一步优化方案，加载短截线为终端短路或开路的短截线，所述短截线为两段或多段传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。
作为移相量分别可控的双频移相器的进一步优化方案，双频电纳单元为终端开路或短路的短截线，所述短截线为两段或多段传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。
作为移相量分别可控的双频移相器的进一步优化方案，“口”字型传输线组合中的各段传输线以及各段加载短截线可以是直传输线，也可以是一定程度弯曲或折叠的传输线，并不改变其属性。
作为移相量分别可控的双频移相器的进一步优化方案，双频电纳单元在两个频点处的电纳值为：
Figure GDA0002400913080000021
Figure GDA0002400913080000022
Bp(f1)、Bp(f2)分别为双频电纳单元在f1、f2处的电纳值，f1、f2为双频移相器的两个工作频点，m为频率比，m＝f2/f1，θα为“口”字型传输线段组合中一组相对的传输线的阻抗相角，θβ为“口”字型传输线段组合中另一组相对的传输线的阻抗相角，Z0为端口特征阻抗，
Figure GDA0002400913080000023
为双频移相器在f1、f2上的移相量。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本申请公开的中“口”字型传输线段组合、连接在输入端的加载短截线和连接在输出端的加载短截线的阻抗参数不随移相器频点的切换而变化，仅通过调节双频电纳单元的阻抗参数即可在两个频点上任意设置移相量。
(2)采用微带线实现移相器电路并采用PIN管实现用于切换相位的开关，损耗低、加工成本低、易于集成。
附图说明
图1为移相量分别可控的双频移相器的结构图。
图2为在0.95GHz处移相90°的各双频移相器相移曲线的仿真对比图。
图3为开路二阶阶梯阻抗短截线的结构图。
图4为在1.615GHz处移相90°的各双频移相器相移曲线的仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的双频移相器如图1所示，由“口”字型传输线段组合、连接在输入端的加载短截线和连接在输出端的加载短截线、两个相同的用于移相量控制的双频电纳单元以及两个用于相位切换的开关组成。“口”字型传输线段组合包含四段首尾相连的传输线段，两个相对且不相邻的传输线段具有相同的电长度和特征阻抗。输入/输出端的加载短截线终端可以是短路也可以是开路，并且短截线可以是两段或更多段的传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。双频电纳单元由终端短路或开路短截线实现，且短截线可以是两段或更多段的传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。
取端口特征阻抗Z0为经典值50Ω。设它的工作频点分别为f1、f2，频率比m＝f2/f1，移相量分别为
Figure GDA0002400913080000031
根据工作频点f1、f2设计开关关合时的相位及打开时的相位。
则图1中的具体参数可以通过以下公式求解：
Figure GDA0002400913080000032
Figure GDA0002400913080000033
其中，Zα、θα为“口”字型传输线段组合中一组相对的传输线的阻抗模值和阻抗相角，Zβ、θβ为“口”字型传输线段组合中另一组相对的传输线的阻抗模值和阻抗相角，θα、θβ满足超越方程：
Figure GDA0002400913080000034
Figure GDA0002400913080000035
该方程需要用数值法或者优化法进行求解。
输入端和输出端的加载短截线的输入电纳在两个频点处分别为：
Figure GDA0002400913080000041
Figure GDA0002400913080000042
加载短截线可以是开路或者短路短截线，其阻抗参数Zs、θs可以用数值法或者优化法来求解。
双频电纳单元的电纳值在两个频点处分别为：
Figure GDA0002400913080000043
Figure GDA0002400913080000044
可以用开路/短路的均匀短截线或者开路/短路的阶梯阻抗短截线来实现，短截线的阻抗参数Zp、θp可以用数值法或者优化法来求解。
设计实例1：
f1＝0.95GHz，f2＝1.615GHz，在f1上，
Figure GDA0002400913080000045
在f2上
Figure GDA0002400913080000046
分别为0°、30°、60°、90°、150°、180°。
对于不同的移相量，双频移相器的一部分电路参数值是不变的，如表1所示。
表1 双频移相器的公共参数值
Z<sub>α</sub> θ<sub>α</sub> Z<sub>β</sub> θ<sub>β</sub> Z<sub>s</sub> θ<sub>s</sub>
48.61Ω 133.33° 68.74Ω 133.33° 13.03Ω 66.66°
双频移相器的双频电纳单元在不同移相量时的电路参数值如表2所示。
表2 双频电纳单元的电路参数值
Figure GDA0002400913080000047
各双频移相器的相移曲线仿真对比图如图2所示。
设计实例2：
f1＝0.95GHz，f2＝1.615GHz，在f1上，
Figure GDA0002400913080000051
分别为0°、30°、60°、90°、150°、180°，在f2上
Figure GDA0002400913080000052
各种不同移相量的双频移相器，它们共同的电路参数也如表1所示，双频移相器的双频电纳单元的电路参数在不同移相量时的取值如表3所示。
表3 双频电纳单元的电路参数值
Figure GDA0002400913080000053
其中，当
Figure GDA0002400913080000054
时，双频电纳单元需要用开路的二阶阶梯阻抗短截线来实现，其结构如图3所示。其中Z1＝39.89Ω，Z2＝99.72Ω，θ＝57.69°。
设计实例2中各双频移相器的相移曲线仿真对比图如图4所示。
以上所有具有不同移相量的移相器电路均可以使用微带线实现，而其中的开关可以使用PIN管来实现。
由实施例1和实施例2可知，本申请公开的双频移相器中“口”字型传输线段组合、连接在输入端的加载短截线和连接在输出端的加载短截线的阻抗参数不随移相器频点的切换而变化，仅通过调节双频电纳单元的阻抗参数即可实现不同频点上的任意移相量，通过一个电压实现两个频点处的任意移相，采用微带线实现移相器电路并采用PIN管实现用于切换相位的开关，降低了损耗及加工成本，易于集成。

Claims (5)

1.一种移相量分别可控的双频移相器，其特征在于，包括：
由四段传输线首尾相连组成的“口”字型传输线组合，相对的两段传输线具有相同的电长度和特征阻抗，以该“口”字型传输线组合中的一段传输线的两端为输入端和输出端，
两段加载短截线，一段接在输入端，另一段接在输出端，
两个用于移相量控制的双频电纳单元，分别接在与输入端和输出端之间的传输线具有相同电长度和相同特征阻抗的传输线的两端，根据“口”字型传输线组合的阻抗特性、端口特征阻抗以及在两个频点上的移相量确定双频电纳单元在两个频点处的电纳值，
两个用于相位切换的PIN管，分别接在与输入端和输出端之间的传输线具有相同电长度和相同特征阻抗的传输线的两端。
2.根据权利要求1所述一种移相量分别可控的双频移相器，其特征在于，所述加载短截线为终端短路或开路的短截线，所述短截线为两段或多段传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。
3.根据权利要求1所述一种移相量分别可控的双频移相器，其特征在于，所述双频电纳单元为终端开路或短路的短截线，所述短截线为两段或多段传输线级联而成的阶梯阻抗短截线。
4.根据权利要求1所述一种移相量分别可控的双频移相器，其特征在于，“口”字型传输线组合中的各段传输线以及各段加载短截线为弯曲或折叠的传输线。
5.根据权利要求1所述一种移相量分别可控的双频移相器，其特征在于，双频电纳单元在两个频点处的电纳值为：
Figure FDA0002400913070000011
Figure FDA0002400913070000012
Bp(f1)、Bp(f2)分别为双频电纳单元在f1、f2处的电纳值，f1、f2为双频移相器的两个工作频点，m为频率比，m＝f2/f1，θα为“口”字型传输线段组合中一组相对的传输线的阻抗相角，θβ为“口”字型传输线段组合中另一组相对的传输线的阻抗相角，Z0为端口特征阻抗，
Figure FDA0002400913070000013
为双频移相器在f1、f2上的移相量。
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