CN111555002B - 一种高频反射型移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频反射型移相器，包括由正交耦合器构成的第一部分电路(100)、由三谐振反射负载构成的第二部分电路(200)和第三部分电路(300)、由输入匹配网络构成的第四部分电路(400)、由输出匹配网络构成的第五部分电路(500)。本发明通过三谐振反射负载技术提升了移相范围，使用双电压控制技术拓展了移相带宽并降低了移相附加损耗，实现了宽带360°移相范围、低损耗、低移相附加损耗的反射型移相器。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种高频反射型移相器。
背景技术
近年来，基于6GHz以上的高频通信取得了广泛的关注，其较宽的频谱范围为毫米波5G通信、宽带卫星通信等应用提供了充足的带宽，缓解了sub-6GHz通信存在的频谱资源紧缺的状况。为了弥补高频通信引入的高损耗，相控阵技术被普遍采用。通过多天线阵列和波束赋形技术，相控阵系统可以实现更高的输出功率以克服传播损耗；同时，可以根据用户的实时需求，调节波束的收发方向，将有限的能量集中在所需的方向上，以实现高效率、低能耗的通信。
相控阵系统的每个阵元需要一个移相器来调节该阵元的信号相位，移相器的性能决定了相控阵系统进行波束赋形和波束扫描的性能。为实现宽带、高精度、低功耗的波束赋形以及简化相控阵系统的幅度、相位校准，移相器需要实现以下几点：(1)宽带360°的移相范围，(2)低功耗和低损耗，(3)低移相附加损耗，(4)稳定的输入和输出阻抗。与有源移相器相比，无源移相器具有零直流功耗和高线性度的优点。常用的无源移相器结构包括开关型和反射型结构。其中，开关型移相器通过级联多级移相单元可以实现360°的移相范围，但其信号链路中串联的多个开关导致了较高的插入损耗。此外，开关型移相器的输入和输出阻抗通常随着移相状态的切换而变化，不利于级间匹配电路的设计。相比之下，反射型移相器具有损耗低、输入和输出阻抗稳定的优势。
典型的反射型移相器由正交耦合器和反射负载构成，其移相范围主要由反射负载的调谐范围决定。现有的反射负载结构包括容性负载结构、电感-电容谐振负载结构以及电容-电感-电容的Π型负载结构。其中，容性负载结构易于实现且占用面积最小，但移相范围较小；电感-电容谐振负载结构和电容-电感-电容的Π型负载结构可以提高移相范围，但是受限于变容管的变容范围，通常小于360°。此外，反射型移相器呈现出天然窄带的特性，其反射负载是基于单个频点的调谐网络，只在中心频率处具有较好的性能。因此，现有的负载结构难以实现宽带、全360°范围、低损耗和低移相附加损耗的移相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频反射型移相器，能够实现宽带、全360°范围、低损耗、低移相附加损耗的移相。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高频反射型移相器，包括由正交耦合器构成的第一部分电路、由三谐振反射负载构成的第二部分电路和第三部分电路、由输入匹配网络构成的第四部分电路、由输出匹配网络构成的第五部分电路，所述由正交耦合器构成的第一部分电路分别接由三谐振反射负载构成的第二部分电路和第三部分电路、由输入匹配网络构成的第四部分电路、由输出匹配网络构成的第五部分电路。
进一步的是，所述由正交耦合器构成的第一部分电路包括第一电感和第二电感，所述的第一电感和第二电感之间存在耦合，构成一个3dB正交耦合器，所述3dB正交耦合器将输入端IN的信号转换为一对幅度相同、相位差为90°的正交信号从直通端THR和耦合端COU输出。
进一步的是，所述3dB正交耦合器的输入端IN和隔离端ISO分别连接由输入匹配网络构成的第四部分电路和由输出匹配网络构成的第五部分电路，直通端THR和耦合端COU连接两个相同的反射负载，所述3dB正交耦合器的直通端THR接由三谐振反射负载构成的第二部分电路，所述3dB正交耦合器的耦合端COU接由三谐振反射负载构成的第三部分电路。
进一步的是，所述由三谐振反射负载构成的第二部分电路由第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一变容管、第二变容管、第三电感、第四电感组成；所述的第一变容管与第三电感串联，其负端与第一电容和第一电阻相连；控制电压VC1通过第一电阻加在第一变容管的负端；所述的第二变容管与第四电感串联，其负端与第二电容和第二电阻相连；控制电压VC2通过第二电阻加在第二变容管的负端；
进一步的是，所述的第一变容管、第二变容管尺寸相同；所述的第一电容和第二电容用于提供直流隔离。
进一步的是，所述的第三电感和第四电感相连，并连接至第三电阻，参考电压VREF通过第三电阻加到第一变容管、第二变容管的正端。
进一步的是，所述的由三谐振反射负载构成的第三部分电路与所述的由三谐振反射负载构成的第二部分电路相同。
进一步的是，所述的第四部分电路由第三电容和第五电感组成，用于将输入的标准50欧姆阻抗匹配到3dB正交耦合器的特征阻抗。
进一步的是，所述的第五部分电路与所述的第四部分电路相同，用于将3dB正交耦合器的特征阻抗匹配到输出端的标准50欧姆阻抗。
本发明的有益效果是：本发明的一种高频反射型移相器，能够具有以下技术效果：
第一，本发明使用三谐振反射负载结构，可以确保反射型移相器能够实现360°的移相范围；
第二，本发明使用双电压控制技术，使得反射负载的阻抗调节更为灵活，一方面可以降低移相器的移相附加损耗，另一方面，可以实现比传统反射型移相器更加宽带的性能；
第三，基于三谐振反射负载结构，本发明优化了耦合器特征阻抗的取值，可以降低移相损耗以及移相附加损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种高频反射型移相器的电路结构示意图；
图2是27–31GHz移相器的移相性能的测试结果；
图3是27–31GHz移相器的移相误差的测试结果；
图4是27–31GHz移相器的S21的测试结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明的高频反射型移相器涉及的应用领域包括：卫星通信、毫米波5G通信、相控阵系统等。
实施例1，如图1所示，本发明实施例包括：本发明提供的一种高频反射型移相器包括由正交耦合器构成的第一部分电路100、由三谐振反射负载构成的第二部分电路200和第三部分电路300、由输入匹配网络构成的第四部分电路400、由输出匹配网络构成的第五部分电路500。
如图1所示，本发明中的由正交耦合器构成的第一部分电路100由第一电感101、第二电感102组成，形成3dB正交耦合器。3dB正交耦合器的输入端IN和隔离端ISO分别连接由输入匹配网络构成的第四部分电路400和由输出匹配网络构成的第五部分电路500，直通端THR和耦合端COU连接两个相同的由三谐振反射负载构成的第二部分电路200和第三部分电路300。
第一电感101、第二电感102分别使用工艺中顶部两层金属实现，以降低耦合器的损耗。
在本发明中，3dB正交耦合器的特征阻抗并非50欧姆，而是需要依据所接反射负载的阻抗特性而优化，以降低移相器整体的损耗以及移相附加损耗。
如图1所示，本发明中的由三谐振反射负载构成的第二部分电路200和第三部分电路300为相同的三谐振反射负载。由三谐振反射负载构成的第二部分电路200由第一电容201、第二电容202、第一电阻203、第二电阻204、第三电阻209、第一变容管205、第二变容管206、第三电感207、第四电感208组成。其中，第一变容管205与第三电感207串联，第二变容管206与第四电感208串联。参考电压VREF通过第三电阻209加到第一变容管205、第二变容管206的正端，控制电压VC1通过第一电阻203加到第一变容管205的负端，控制电压VC2通过第二电阻204加到第二变容管206的负端。第一变容管205、第二变容管206的负端通过隔直第一电容201、第二电容202接地。为实现三次谐振负载，第三电感207的值设置为与第一变容管205的最小电容在中心频率处形成串联谐振，第四电感208的值设置为与第二变容管206的最大电容在中心频率处形成串联谐振。当第一变容管205、第二变容管206的电容值介于最小和最大值之间时，第三电感207和第一变容管205的串联支路与第四电感208和第二变容管206的串联支路总可以形成一个并联谐振。因此，本发明的反射负载总共可以实现三次谐振，确保了360°的移相范围。
本发明的三谐振负载支持单电压和双电压控制方法，单电压控制指两个电压VC1和VC2取值相同，双电压控制指两个电压VC1和VC2相互独立。单电压控制的移相器存在移相附加损耗大、天然窄带的缺点，而双电压控制可以使三谐振负载的阻抗取值更为灵活，从而降低移相附加损耗，通过灵活的控制电压选择，还可以增加移相器的工作带宽。
3dB正交耦合器的特征阻抗需由三谐振负载的阻抗取值决定。基于本实施例中三谐振负载阻抗的取值，3dB正交耦合器的最优特征阻抗值约为26欧姆。为将3dB正交耦合器的特征阻抗匹配至标准的50欧姆阻抗，第四和第五部分电路被引入，如图1所示。其中，由输入匹配网络构成的第四部分电路400和由输出匹配网络构成的第五部分电路500电路结构相同。以由输入匹配网络构成的第四部分电路400的电路为例，第一电容401和第一电感402构成了50欧姆到26欧姆的C-L匹配网络。
图2为本发明的移相器在双电压控制下的移相测试结果，图中展示了27–31GHz优选的16个移相状态，覆盖了360°的移相范围。
图3为本发明的移相器的移相误差测试结果，在27–31GHz频段内，相位均方根误差小于3.2°。
图4为本发明的移相器的S21测试结果，在27–31GHz频段内，移相器的损耗平均值约为8.3dB，在28–31GHz频段内，移相附加损耗低于1dB，在29–31GHz频段内，移相附加损耗低于0.5dB。
本发明的一种高频反射型移相器，能够具有以下技术效果：
第一，本发明使用三谐振反射负载结构，可以确保反射型移相器能够实现360°的移相范围；
第二，本发明使用双电压控制技术，使得反射负载的阻抗调节更为灵活，一方面可以降低移相器的移相附加损耗，另一方面，可以实现比传统反射型移相器更加宽带的性能；
第三，基于三谐振反射负载结构，本发明优化了耦合器特征阻抗的取值，可以降低移相损耗以及移相附加损耗。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种高频反射型移相器，其特征在于，包括由正交耦合器构成的第一部分电路(100)、由三谐振反射负载构成的第二部分电路(200)和第三部分电路(300)、由输入匹配网络构成的第四部分电路(400)、由输出匹配网络构成的第五部分电路(500)，所述由正交耦合器构成的第一部分电路(100)分别接由三谐振反射负载构成的第二部分电路(200)和第三部分电路(300)、由输入匹配网络构成的第四部分电路(400)、由输出匹配网络构成的第五部分电路(500)；所述由三谐振反射负载构成的第二部分电路(200)由第一电容(201)、第二电容(202)、第一电阻(203)、第二电阻(204)、第三电阻(209)、第一变容管(205)、第二变容管(206)、第三电感(207)、第四电感(208)组成；所述的第一变容管(205)与第三电感(207)串联，其负端与第一电容(201)和第一电阻(203)相连；控制电压VC1通过第一电阻(203)加在第一变容管(205)的负端；所述的第二变容管(206)与第四电感(208)串联，其负端与第二电容(202)和第二电阻(204)相连；控制电压VC2通过第二电阻(204)加在第二变容管(206)的负端；控制电压VC1与控制电压VC2相互独立；第三电感( 207) 的值设置为与第一变容管( 205) 的最小电容在中心频率处形成串联谐振，第四电感( 208) 的值设置为与第二变容管( 206) 的最大电容在中心频率处形成串联谐振。
2.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述由正交耦合器构成的第一部分电路(100)包括第一电感(101)和第二电感(102)，所述的第一电感(101)和第二电感(102)之间存在耦合，构成一个3dB正交耦合器，所述3dB正交耦合器将输入端IN的信号转换为一对幅度相同、相位差为90°的正交信号从直通端THR和耦合端COU输出。
3.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述3dB正交耦合器的输入端IN和隔离端ISO分别连接由输入匹配网络构成的第四部分电路(400)和由输出匹配网络构成的第五部分电路(500)，直通端THR和耦合端COU连接两个相同的反射负载，所述3dB正交耦合器的直通端THR接由三谐振反射负载构成的第二部分电路(200)，所述3dB正交耦合器的耦合端COU接由三谐振反射负载构成的第三部分电路(300)。
4.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述的第一变容管(205)、第二变容管(206)尺寸相同；所述的第一电容(201)和第二电容(202)用于提供直流隔离。
5.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述的第三电感(207)和第四电感(208)相连，并连接至第三电阻(209)，参考电压VREF通过第三电阻(209)加到第一变容管(205)、第二变容管(206)的正端。
6.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述的由三谐振反射负载构成的第三部分电路(300)与所述的由三谐振反射负载构成的第二部分电路(200)相同。
7.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述的第四部分电路(400)由第三电容(401)和第五电感(402)组成，用于将输入的标准50欧姆阻抗匹配到3dB正交耦合器的特征阻抗。
8.根据权利要求1所述的一种高频反射型移相器，其特征在于：所述的第五部分电路(500)与所述的第四部分电路(400)相同，用于将3dB正交耦合器的特征阻抗匹配到输出端的标准50欧姆阻抗。
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Address after: No. 2106, 21st Floor, Building 10, No. 399 Fucheng Avenue West Section, Chengdu High tech Zone, China (Sichuan) Pilot Free Trade Zone, Chengdu, Sichuan Province 610095 Patentee after: Chengdu Tianrui Xingtong Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Patentee after: SOUTHEAST University Address before: No. 1403, 14th Floor, Building 10, No. 399 Fucheng Avenue West Section, China (Sichuan) Pilot Free Trade Zone, High tech Zone, Chengdu City, Sichuan Province Patentee before: CHENGDU T-RAY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China Patentee before: SOUTHEAST University |