CN111293394A - 超宽带正交可切换等功分电桥 - Google Patents

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张凯
熊文毅
杜明
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Abstract

本发明公开的超宽带正交可切换等功分电桥，旨在提供一种相位调制带宽和精准度优于固定电长度传输线方案的正交等功分电桥。本发明通过下述技术方案予以实现：微波毫米波信号通过等幅同相功率分配器上的射频公共口输入等幅同相功率分配器，形成两支路等幅同相功分信号，两支路信号等路径分别进入两侧0/90度1‑bit移相器，经过相位调制后分别输出至射频分支口，移相控制单元通过相位控制接口输入根据需要随机切换两支路信号的信号相位超前/滞后关系的相位控制信号；两侧0/90度1‑bit移相器的移相状态始终保持正交配置，并且移相状态同时受控于移相控制单元，实现任一时刻在射频分支口上的等幅且90度相差的射频三口网络电路拓扑。

Description

超宽带正交可切换等功分电桥
技术领域
本发明涉及在微波毫米波频段组件超宽带电路应用中，一种实现两支路射频功率等功分，同时满足90度相差的电桥实现方案。
背景技术
在微波毫米波组件中，多端口电桥是一种常见且广泛应用的电路结构，其中以两分支臂等功分且相差90度的形式居多。该电路结构以微波毫米波传输线网络理论为基础，根据传输线的种类不同采用波导小孔耦合、平面传输线形式的分支线/耦合线以及混合环等多种电路形式，构建四口网络，实现输入微波毫米波信号的直通、定向耦合和隔离等功能。特别的，通过调整电路参数实现直通端口和定向耦合端口功率相等，相位相差90度时，构成典型的正交等功分电桥功能电路。该电路形式在微波毫米波组件中被广泛应用，如I/Q混频器、平衡式放大器、移相器、限幅器、以及相控阵天线辐射单元实现电场左右旋圆极化配置等，均发挥着重要作用。
上述电路工作原理有一个共同特点，即均通过有限带宽频响特性的固定电长度传输线实现相移和阻抗匹配，如两分支/三分支线电桥、耦合环电桥、Lange耦合器等电路形式。受限于电路支节的频响带宽，这些电路的典型工作带宽在20％～25％左右，即使宽带Lange耦合器在考虑获得良好两支臂幅度均衡和相位均衡指标条件下，应用带宽通常也在2～3个倍频程左右。然而随着微波毫米波系统的发展，要求单一信道或孔径覆盖尽量宽的带宽，兼容尽量多的功能，原来多个相邻频段的信道或链路功能被综合成一个超宽带射频系统进行实现。在这样的发展趋势下，微波毫米波系统的工作带宽达到5个甚至更高倍频程的需求被提出，前述电路的带宽能力已远远满足不了超宽带系统的要求。如覆盖P/L/S波段应用的超宽带90度相差等功分电桥电路，Anaren公司的Xinger系列C0727J5003AHF3dB耦合90度相差超宽带耦合器，在700MHz～2700MHz带内幅度不平衡度达到3.6dB，相位不平衡近10度，这意味着工作频带内两分支臂功率电平相差达到一倍以上，这对于本来应该实现等功分特性的电桥器件来说已很难接受。
超宽带等功分正交分支线电桥的技术核心是在尽量宽的工作带宽内(如5个倍频程以上实现尽量低的等功分支臂幅度不平衡和相位不平衡、带内插损，同时满足轻小型化应用和批量一致性。如上分析，由于传统90度等功分电桥的电路拓扑限制，始终存在频率响应带宽的问题，超宽带幅度/相位平衡度很难同时满足应用要求。要突破上述技术瓶颈只有在电路实现拓扑上想办法，跳出传统电路的设计思路和限制，以等功分、90度移相(正交实现、高隔离、优良的幅度/相位平衡度为最终目标，采用全新的电路方案来实现。并且，如前所述的传统90度等功分电桥，电路方案一旦确定，两射频分支口的相位超前/滞后关系就已固定，不能随意调整。在很多微波毫米波电路系统中，往往需要在两支路正交信号相位的超前/滞后关系上做切换，如二维有源相控阵天线中，考虑到收发链路应用场景的不同，天线辐射单元激励信号的电场方向要求在不同极化状态下作切换，这时就需要90度等功分电桥的两分支臂间相位超前/滞后关系能做灵活切换。传统方案下的解决办法是在该电桥外部再增加一个单刀双掷开关，与电桥公共口和隔离口普通应用时加负载相连接，通过开关分时切换实现两分支臂的相位配置切换。这种办法不仅增加了电路复杂程度和实现成本，同时公共口和隔离口之间一般只能做到有限带宽有限程度的隔离，导通端和隔离端始终存在阻抗失配的影响。
发明内容
本发明针对传统正交等功分电桥在超宽带应用中的不足，提供一种能在微波毫米波频段，实现超宽带宽、性能优良的90度等功分电桥实现方案，其工作带宽和幅相平衡度均优于传统电路方案，且具有正交相位关系可切换的功能。
为实现上述目的，本发明通过以下措施来达到。一种超宽带正交可切换等功分电桥，包括：连接在等幅同相功率分配器1两侧的等幅可调式1-bit移相器，以及连接在该两个等幅可调式1-bit移相器之间的移相控制单元4，其特征在于：微波毫米波信号通过等幅同相功率分配器1上的射频公共口5输入等幅同相功率分配器1，沿传输线路确定方向将输入信号分为两个互为等幅且同相的信号，两支路信号等路径分别进入两侧等幅可调式1-bit移相器，经过相位调制后分别输出至它们各自的射频分支口6、射频分支口7；移相控制单元4通过它的相位控制接口8，根据需要输入用于切换两侧等幅可调式1-bit移相器相位超前/滞后关系的相位控制信号；当左侧等幅可调式1-bit移相器2为0度基态时，右侧等幅可调式1-bit移相器3配置为90度移相；当左侧等幅可调式1-bit移相器2为90度移相时，右侧等幅可调式1-bit移相器3配置为0度基态，即两侧等幅可调式1-bit移相器的移相状态始终保持正交配置，并且移相状态同时受控于移相控制单元4，实现任一时刻在射频分支口6和射频分支口7上的等幅且90度相差可切换的射频三口网络电路拓扑。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
本发明针对传统90度等功分电桥在超宽带应用中的不足，将信号功率等功分和90度相差分别通过超宽带的等幅同相功率分配器和一对1-bit移相器独立实现，并采用具有天然对称性的电路拓扑，通过移相器相位数字化配置，实现输入信号的功率等分和相位正交90度相差配置。在电路拓扑上，90度相差正交信号单独通过一对1-bit0/90度移相器实现，不存在正交信号形成和合成的过程，在超宽带应用中幅度/相位不平衡度所受的影响因素更小，相同带宽条件下，上述两项指标实现更优。如基于本发明方案实现的P/L/S频段超宽带正交可切换等功分电桥芯片，在5.5个倍频程内实现相位不平衡小于+/-5度，幅度不平衡小于+/-0.4dB的性能，远远优于Anaren公司的同类器件。本发明相比于采用固定电长度传输线进行移相匹配的传统90度等功分电桥电路，如两分支/三分支线电桥、耦合环电桥、Lange耦合器等电路形式，能在微波毫米波频段，实现超宽带宽、性能优良的90度等功分电桥功能，相位调制带宽和幅相平衡度均优于具有固定电长度传输线电桥能力。
本发明基于射频公共口5输入的微波毫米波信号，实现在射频分支口6和射频分支口7上的等幅90度相差的输出，且两支路信号的信号相位超前/滞后关系可根据需要随机切换，可以实现在任一时刻实现左右两射频分支口正交相位超前/滞后的随机配置，即射频分支口6和射频分支口7上的90度相差超前/滞后关系可根据需要进行灵活切换，提高了本发明的应用灵活度和适应性，克服了传统90度等功分电桥，电路方案一旦确定，两射频分支口的相位超前/滞后关系就已固定，不能随意调整的不足。
附图说明
图1是本发明一种超宽带正交可切换电桥实现方案拓扑图。
图中：1功率分配器，2左侧等幅可调式1-bit移相器，3右侧等幅可调式1-bit移相器，4移相控制单元，5射频公共口，6射频分支口，7射频分支口，8相位控制接口。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，一种超宽带正交可切换等功分电桥，包括：连接在等幅同相功率分配器1两侧的等幅可调式1-bit移相器，以及连接在该两个等幅可调式1-bit移相器之间的移相控制单元4。微波毫米波信号通过等幅同相功率分配器1上的射频公共口5输入等幅同相功率分配器1，沿传输线路确定方向将输入信号分为两个互为等幅且同相的信号，两支路信号等路径分别进入两侧等幅可调式1-bit移相器，经过相位调制后分别输出至它们各自的射频分支口6、射频分支口7；移相控制单元4通过它的相位控制接口8，根据需要输入用于切换两侧等幅可调式1-bit移相器相位超前/滞后关系的相位控制信号；当左侧等幅可调式1-bit移相器2为0度基态时，右侧等幅可调式1-bit移相器3配置为90度移相；当左侧等幅可调式1-bit移相器2为90度移相时，右侧等幅可调式1-bit移相器3配置为0度基态，即两侧等幅可调式1-bit移相器的移相状态始终保持正交配置，并且移相状态同时受控于移相控制单元4，实现任一时刻在射频分支口6和射频分支口7上的等幅且90度相差的射频三口网络电路拓扑。基于上述拓扑及相位配置方案，可以实现在任一时刻具有如下电气性能的射频三口网络电路拓扑：由射频公共口5输入的微波毫米波信号，实现在射频分支口6和射频分支口7上的等幅90度相差的输出，且两支路信号的信号相位超前/滞后关系可根据需要随机切换。
射频三口网络电路拓扑的实现方式包含多种形式，包含但不限于基于射频介质基板的混合集成电路、基于半导体加工工艺的微波毫米波单芯片集成电路等形式。以基于半导体集成工艺的微波毫米波裸芯片集成方式为例，在GaAs/Si基衬底上，以微带线形式设计实现宽带等幅同相功率分配器1。宽带等幅同相功率分配器1的两分支口通过微带线与左侧0/90度1-bit移相器和右侧0/90度1-bit移相器相连通，经过1-bit移相器的相位调制后形成等幅、相位相差90度的正交信号输出至射频分支口6和射频分支口7，两组移相器的相位配置通过相位控制接口8输入的数字信号进行控制，至此构成一套可工作在微波毫米波频段的宽带三口网络电路拓扑，网络具有如下特点：由射频公共口5输入的微波毫米波信号，实现在射频分支口6和射频分支口7上的等幅90度相差的输出，且两路信号的信号相位超前/滞后关系可根据需要随机切换。从射频信号流向角度看，该方案构成射频三口网络，且具有如下特性：由射频公共口5输入的微波毫米波信号，实现在射频分支口6和射频分支口7上的等幅90度相差的输出。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超宽带正交可切换等功分电桥，包括：连接在等幅同相功率分配器(1)两侧的等幅可调式1-bit移相器，以及连接该两个等幅可调式1-bit移相器的移相控制单元(4)，其特征在于：微波毫米波信号通过等幅同相功率分配器(1)上的射频公共口(5)输入等幅同相功率分配器(1)，沿传输线路确定方向将输入信号分为两个互为等幅且同相的功分信号，两支路信号等路径分别进入两侧等幅可调式1-bit移相器，经过相位调制后分别输出至它们各自的射频分支口(6)、射频分支口(7)；移相控制单元(4)通过它的相位控制接口(8)，根据需要输入用于切换两侧等幅可调式1-bit移相器相位超前/滞后关系的相位控制信号；当左侧等幅可调式1-bit移相器(2)为0度基态时，右侧等幅可调式1-bit移相器(3)配置为90度移相；当左侧等幅可调式1-bit移相器(2)为90度移相时，右侧等幅可调式1-bit移相器(3)配置为0度基态，即两侧等幅可调式1-bit移相器的移相状态始终保持正交配置，并且移相状态同时受控于移相控制单元(4)，实现任一时刻在射频分支口(6)和射频分支口(7)上的等幅且90度相差的射频三口网络电路拓扑。
2.如权利要求1所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：射频三口网络射频信号由射频公共口(5)输入的微波毫米波频段信号，实现在射频分支口(6)和射频分支口(7)上等幅且90度相差的输出。
3.如权利要求1所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：射频分支口(6)和射频分支口(7)上信号始终保持90度相差，且相互间的相位超前/滞后关系可切换。
4.如权利要求1所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：功率分配器(1)实现射频公共口(5)输入信号的等幅同相功率分配。
5.如权利要求1所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：左侧等幅可调式1-bit移相器(2)和右侧等幅可调式1-bit移相器(3)是完全相同的等幅调相电路单元，其相位配置通过相位控制接口(8)馈入的数字信号来控制。
6.如权利要求1或5所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：左侧等幅可调式1-bit移相器(2)和右侧等幅可调式1-bit移相器(3)为0/90度1-bit移相器。
7.如权利要求6所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：射频分支口(6)和射频分支口(7)两分支口通过微带线等表面传输线与左侧0/90度1-bit移相器和右侧0/90度1-bit移相器相连通。
8.如权利要求1所述的超宽带正交可切换等功分电桥，其特征在于：射频三口网络电路拓扑的实现包含：基于射频介质基板的混合集成电路、基于半导体工艺的微波毫米波单芯片集成电路的实现方式。
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