CN110350272A - 一种传输型小型化90°移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种传输型小型化90°移相器，包括主路微带线与扼流结构；主路微带线包括介质层板、主路微带传输线与金属背板，主路微带传输线连接在介质层板的一面，金属背板连接在介质层板的另一面，主路微带传输线与金属背板之间并联有两个PIN二极管；扼流结构的一端与主路微带传输线相连，扼流结构的另一端与外部直流稳压电源的正极相连，金属背板与外部直流稳压电源的负极相连。可实现输出相位差90°，移相误差小于5°，传输幅度差小，调控响应时间短，能耗低，功耗小于1mW，状态切换速度可达到ns级别，能够与数字信号处理，相控阵雷达通信系统等结合，在军事及民用领域具有极高的应用价值。本发明应用于移相器技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及移相器技术领域，尤其涉及一种传输型小型化90°移相器。
背景技术
移相器作为一种可以控制信号相位变化的器件，是微波工程领域常用的重要模块之一，在通信、雷达系统、仪表仪器等领域有着广泛应用，尤其是在相控阵雷达、相位调制通信系统和智能无线移动通信系统。随着相控阵天线系统的发展，基于对雷达系统的精确性、灵敏度、多功能、多目标以及重量体积等多方面的性能需求，移相器作为天线馈电网络的核心部件其性能要求日益提升。
传统的相控阵是由许多发射/接收单元按照阵列形式排布构成的扫描天线，每个单元结构都是经由计算机控制的移相器进行馈电，因此移相器的性能就体现了T/R组件的性能，进而体现了相控阵雷达系统的性能。工作频率、相移量和插入损耗是移相器的三个主要的性能指标，除此之外还要综合考虑如重量、体积、功率容量、温度特性、可控性和可靠性等多种因素。移相器的成本也会成为整个雷达系统成本高低的决定因素之一。
移相器一般可分成模拟式和数字式两类，其中数字式移相器从材料上可简单分为铁氧体和半导体移相器两类。相较而言，铁氧体移相器功率容量小、插入损耗小，相移量也较大，但是要求控制电路复杂，体积重量太大。半导体PIN二极管是发展最早也是目前应用最广泛的一种数字式移相器，这类型的移相器可以通过数字信号控制，工作速度快，但是功耗大，功率容量较小，对PIN二极管的性能依赖性强。因此在满足频率和精度要求的同时，制造出工艺简单、性能可靠、体积小、重量轻、成本低和可控性强的移相器作为T/R组件是移相器设计的一大难点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、成本低、可控性强以及能耗低的传输型小型化90°移相器。
其采用的技术方案是：
一种传输型小型化90°移相器，包括主路微带线与扼流结构；
所述主路微带线包括介质层板、主路微带传输线与金属背板，所述主路微带传输线连接在介质层板的一面，所述金属背板连接在介质层板的另一面，所述主路微带传输线与金属背板通过导流结构相连，所述导流结构包括至少两个并联的PIN二极管；
所述扼流结构的一端与主路微带传输线相连，所述扼流结构的另一端与外部直流稳压电源的一个电极相连，所述金属背板与外部直流稳压电源的另一个电极相连。
进一步优选的,所述PIN二极管位于介质层板上对应主路微带传输线的一面上，所述PIN二极管的正极与主路微带传输线的焊盘相连，所述PIN二极管的负极通过短路枝节与金属背板相连。
进一步优选的,所述短路枝节为板状结构且位于介质层板上对应主路微带传输线的一面上，所述短路枝节的一端与PIN二极管的负极相连，所述短路枝节的一端设有连接件，所述连接件的一端与短路枝节相连，所述连接件的另一端穿过介质层板后与金属背板相连。
进一步优选的,所述主路微带传输线和短路枝节的阻抗均设为45～55Ω。
进一步优选的,所述扼流结构包括电感与接地电容，所述电感为经过多次90度往返折弯而形成的多弯折结构，所述电感的一端与主路微带传输线相连，所述电感的另一端与外部直流稳压电源的电极相连，所述接地电容连接在电感上且靠近电感连接外部直流稳压电源一端的位置。
进一步优选的,所述接地电容为容值为8～12pF的贴片电容。
进一步优选的,所述电感包括若干相互垂直的长边段与第二短边段，所述长边段的长度为9～12mm，所述短边段的长度为10～14mm。
进一步优选的,所述电感的总长度为移相器工作的中心频率所对应的四分之一波长。
进一步优选的,所述主路微带传输线为金属条带结构，所述金属背板为正方形板体结构。
本发明的有益技术效果：
本发明在主路微带传输线与金属背板之间并联两个PIN二极管，通过控制PIN二极管在“导通”和“断开”之间状态的切换，即可实现输出相位差90°，且移相误差小于5°，传输效率在75％以上，传输幅度差小于1dB；
根据PIN二极管的响应特性可知，PIN二极管调控响应时间短，状态切换速度可达到ns级别，能耗低，功耗小于1mW，并使移相器的整体尺寸小于中心频率对应的四分之一波长，有利于实现T/R组件小型化，相较于现有的半导体移相器而言削减了PIN二极管的数量，从而减少了至少一半制造成本；
本发明的移相器能够与数字信号处理，相控阵雷达通信系统等结合，在军事及民用领域具有极高的应用价值。
附图说明
图1是本实施例中移相器的结构示意图；
图2是本实施例中短路枝节与金属背板的连接结构剖视图；
图3是本实施例中移相器的俯视结构图；
图4是本实施例中分别在PIN二极管“导通”和“断开”两种偏置状态下的散射系数在数值仿真中的结果示意图；
图5是本实施例中由图4的数值仿真结果推导得出的移相效果示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1所示的一种传输型小型化90°移相器，包括主路微带线与扼流结构，主路微带线包括介质层板1、主路微带传输线2与金属背板3，主路微带传输线2连接在介质层板1的一面，金属背板3连接在介质层板1的另一面，主路微带传输线2与金属背板3之间并联有两个PIN二极管4。本实施例中,主路微带传输线2为金属条带结构，介质层板1设置为相对介电常数3.38，损耗角正切值0.001，厚度为0.254mm的罗杰斯Rogers RO4003基板，金属条带与金属背板3的材料优选为经过表面沉金处理的铜材，防止氧化，提高使用寿命，另外，作为本实施例中的较佳实施方案，底部金属背板3设置为正方形板体结构，便于该结构在电路系统中的安装，当然在本发明中，并不限定底部金属背板3的具体形状，优选规则形状的外观结构，满足系统的安装即可。
PIN二极管4位于介质层板1上对应主路微带传输线2的一面上，PIN二极管4的正极与主路微带传输线2的焊盘焊接相连，PIN二极管4的负极通过短路枝节5与金属背板3相连。其中，短路枝节5为金属材质的板状结构且位于介质层板1上对应主路微带传输线2的一面上，短路枝节5的一端与PIN二极管4的负极相连，短路枝节5的一端设有连接件8，连接件8的一端与短路枝节5相连，连接件8的另一端穿过介质层板1后与金属背板3相连。在本实施例中，参考图2，为方便短路枝节5与底部金属背板3连接，中间介质层板1上开有贯通板体的两个通孔，两个通孔与两个短路枝节5的尾端相对应，在通孔内设置连接件8，连接件8为金属杆或金属筒；连接件8的上下端分别连接短路枝节5的尾端与底部金属背板3，进一步地，为提高移相精度，二极管控制线路设置为两路，两路二极管控制线路并联连接在主路微带传输线2与底部金属背板3之间，并且PIN二极管4在主路微带传输线2与短路枝节5之间均匀分布。
扼流结构的一端与主路微带传输线2相连，扼流结构的另一端与外部直流稳压电源的正极相连，金属背板3与外部直流稳压电源的负极相连，一并形成直流通路，直流稳压电源主要为PIN二极管4提供控制电压。
其中，扼流结构包括电感6与接地电容7，电感6为经过多次90度往返折弯而形成的多弯折结构，电感6的一端与主路微带传输线2相连，电感6的另一端为偏置线端且与外部直流稳压电源的正极相连，接地电容7连接在电感6上且靠近电感6连接外部直流稳压电源一端的位置。本实施例中的多弯折结构包括多个90度折弯段，90度折弯段包括相互垂直的横边段与纵边段，其中横边段为与主路微带传输线2平行的边段，纵边段为与主路微带传输线2垂直的边段；横边段的长度优选设置为9-12mm，纵边段的长度优选设置为10-14mm，多弯折电感6的总长度约为移相器工作的中心频率所对应的的四分之一波长。实际应用中，电感6为细长的条形的金属带，其充当大电感6；扼流结构对直流控制信号而言是通路，但是对射频信号而言相当于是开路状态，所以直流偏压信号可以通过扼流结构加载在PIN二极管4上，而在主路微带传输线2中传输的射频信号无法通过扼流结构泄露至直流控制端，从而既起到防止射频能量泄漏的作用又保护了直流控制设备。
进一步优选的,主路微带传输线2和短路枝节5的阻抗均设为45～55Ω，本实施例中主路微带传输线2和短路枝节5的阻抗均设为50Ω，以便于整体移相器与现行电路系统连接并配套使用。
进一步优选的,接地电容7为容值为8～10pF的贴片电容，本实施例中接地电容7为容值为10pF的贴片电容，从而防止射频信号进入直流控制设备，起到保护直流设备的目的。
进一步优选的,电感6的总长度为移相器工作的中心频率所对应的四分之一波长，从而能够造成射频信号在中心频点处开路，从而起到扼制射频信号通过的作用，可以有效地防止射频信号泄露至直流控制端。
在实际控制过程中，通过控制直流稳压电源输出的电压值可以控制PIN二极管4的导通与断开，进而可以对移相器进行编码调控，具体为，当直流稳压电源输出的直流偏压为0v或直流稳压源为开路时，PIN二极管4处于断开状态，此时主路微带传输线2中的射频信号传至两个并联的短路枝节5处相当于是开路状态，即射频信号不经过短路枝节5而仅在主路微带传输线2中传输。当直流偏压大于0.8v时，PIN二极管4处于导通状态，在微波段短路枝节5被接入传输通路中，射频信号可以通过短路枝节5，相较于PIN二极管4断开状态，在通过短路枝节5后，传输通路中的射频信号实现了90°相移。而后续则通过FPGA控制系统的编码控制，实现PIN二极管4通断状态的快速切换，进而可以对移相器实现动态调控，实现实时快速调相过程。
参考图3，下面通过CST微波工作室中的optimizer软件进行移相器整体尺寸参数的优化，令并联短路枝节5长度为l，两路并联短路枝节5的间隔为p，令中层介质层板1的厚度为h，令上层的主路微带传输线2和短路枝节5的线宽为a，令金属条带、底部金属背板3、细折线以及短路枝节5的厚度均为t，令主路微带传输线2与短路枝节5间的缝隙宽度即PIN二极管4的正负极引脚间距为s，PIN二极管4的焊盘宽度为d，令扼流结构的细折线的线宽为w，细折线横边段长度为l1，纵边段长度为l2。上述参数经仿真软件优化后的值如下：l＝2.42mm，p＝2.66mm，h＝0.254mm，a＝0.6mm，t＝0.018mm，s＝0.4mm，d＝0.2mm，w＝0.12mm，l1＝1.0mm,l2＝0.3mm，细金属折线的总长为7.8mm。
采用上述优化后的移相器参数进行仿真实验，移相器在控制PIN二极管4不同偏置状态下的传输效果以及数值仿真结果如图4所示。当二极管偏置电压大于5mA时，二极管为导通状态；当二极管偏置电流为0mA时，二极管为断开状态。数值仿真结果表示：该移相器在8.3-8.7GHz的频带范围内对应PIN二极管4“导通”\“断开”两种工作状态产生90°移相效果。
而由图4仿真结果可以得出图5移相器在移相前后的相移量和幅度差。在两种工作状态下，移相器输出信号的相位差基本在90°左右，在8.3-8.7GHz范围内90°，移相误差小于5°。并且在PIN二极管4“导通”\“断开”两种工作状态下移相器的传输系数差值小于1dB，射频信号能量传输效率维持在75％以上。
上述实验结果表明，该移相器满足移相精度要求，具备良好的调控能力。通过数字信号编码，能够实现快速相位调控效果，从而对雷达系统进行相位编码馈电。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (9)
1.一种传输型小型化90°移相器，其特征在于,包括主路微带线与扼流结构；
所述主路微带线包括介质层板、主路微带传输线与金属背板，所述主路微带传输线连接在介质层板的一面，所述金属背板连接在介质层板的另一面，所述主路微带传输线与金属背板通过导流结构相连，所述导流结构包括两个并联的PIN二极管；
所述扼流结构的一端与主路微带传输线相连，所述扼流结构的另一端与外部直流稳压电源的一个电极相连，所述金属背板与外部直流稳压电源的另一个电极相连。
2.根据权利要求1所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述PIN二极管位于介质层板上对应主路微带传输线的一面上，所述PIN二极管的正极与主路微带传输线的焊盘相连，所述PIN二极管的负极通过短路枝节与金属背板相连。
3.根据权利要求2所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述短路枝节为板状结构且位于介质层板上对应主路微带传输线的一面上，所述短路枝节的一端与PIN二极管的负极相连，所述短路枝节的一端设有连接件，所述连接件的一端与短路枝节相连，所述连接件的另一端穿过介质层板后与金属背板相连。
4.根据权利要求2或3所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述主路微带传输线和短路枝节的阻抗均设为45～55Ω。
5.根据权利要求1或2或3所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述扼流结构包括电感与接地电容，所述电感为经过多次90度往返折弯而形成的多弯折结构，所述电感的一端与主路微带传输线相连，所述电感的另一端与外部直流稳压电源的电极相连，所述接地电容连接在电感上且靠近电感连接外部直流稳压电源一端的位置。
6.根据权利要求5所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述接地电容为容值为8～12pF的贴片电容。
7.根据权利要求5所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述电感包括若干相互垂直的横边段与第二纵边段，所述横边段的长度为9～12mm，所述纵边段的长度为10～14mm。
8.根据权利要求5所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述电感的总长度为移相器工作的中心频率所对应的四分之一波长。
9.根据权利要求1或2或3所述传输型小型化90°移相器，其特征在于,所述主路微带传输线为金属条带结构，所述金属背板为正方形板体结构。
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