CN112768853B

CN112768853B - 基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器

Info

Publication number: CN112768853B
Application number: CN202011589460.4A
Authority: CN
Inventors: 刘凌云; 刘云
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112768853A

Abstract

本发明公开了基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，属于基本电气元件的技术领域。该移相器由上层微带结构、中间层介质板、下层金属板组成。上层微带结构由一条50Ω主传输线和分支微带传输线加载网络组成，通过开关的通断实现分支微带传输线加载网络是否接入。每一个分支微带传输线加载网络由三段微带传输线和三个PIN二级管开关构成，PIN二极管开关被并联加载到分支微带传输线，可以实现较低的插入损耗。设计的基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器的移相单元电路中只通过一条主传输线和2^N‑1个分支微带传输线加载网络实现了N比特移相功能，与传统的多比特移相器比较，该移相器单元具有体积小、损耗低的优点。

Description

基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器

技术领域

本发明公开了基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

移相器作为一种幅相控制器件，对微波信号的相位进行控制以满足系统的需求。移相器在雷达系统、通信系统、仪器仪表等众多技术领域都有着十分广泛的应用，其中最主要的是用于相控阵雷达。每部相控阵雷达需要上千个移相器控制天线孔径面上千个辐射单元的相位变化，进而实现对监视跟踪目标的快速扫描。移相器是相控阵雷达T/R（Transimitter and Recevier）组件的关键部件，T/R组件的性能、可靠性、成本将直接关系到相控阵雷达系统的成败，而移相器又是相控阵雷达T/R组件的关键部件，因此设计制作出尺寸更紧凑、插入损耗更低的移相器对提高相控阵雷达系统的性能有着十分重要的意义。

铁氧体移相器与其它移相器相比，铁氧体移相器拥有更大的功率容量，与此同时也意味着电路更复杂、体积更大，而且铁氧体移相器的相位变化缓慢，容易受外界环境影响。传统的开关式移相器利用二极管的开关状态在两个不同的路径之间切换信号，只能简单地实现两种不同相位状态，如果需要大量相位状态，移相器体积会更大。对于加载型移相器来说，这种移相电路只适用于小相位的实现，但它产生相移的同时还会引入不小的反射波，如果只关注相移量而忽略每一个单电抗元器件的反射波组合，可能会导致电路失配，电压驻波比和插入损耗都很大，以致于无法预计相移量。本申请旨在提出一种结构紧凑且损耗低的单电路多比特移相器。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，通过单个移相单元实现了多比特移相功能，解决了现有小相位移相器电路失配、电压驻波比大和损耗大的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明通过一条主传输线和N个分支微带传输线加载网络构成N比特移相器，主传输线的输入端为该单电路多比特移相器的输入端口，主传输线的输出端为该单电路多比特移相器的输出端口，通过PIN二极管开关的通断实现分支微带传输线加载网络的接入。N比特移相器的主传输线被N个分支微带传输线加载网络重复使用，实现了2^N种相位状态，避免了每种相位状态对主传输线的需要。每个分支微带传输线加载网络包含2^N-1段微带传输线和2^N-1个PIN二极管开关，2^N-1段微带传输线等间距分布，2^N-1段微带传输线分别通过2^N-1个PIN二极管开关加载到主传输线，2^N-1段微带传输线所连接的PIN二极管开关受控于同一信号，各分支微带传输线加载网络中接入主传输线的微带传输线对称分布。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明公开的基于主传输线共享策略的单电路N比特移相器，通过PIN二极管开关的通断实现N个分支微带传输线加载网络是否加载到主传输线，每个分支微带传输线加载网络中所包含的2^N-1段微带线分别通过一个PIN二极管开关接入主传输线，采用共计N(2^N-1)个开关实现N个分支微带传输线加载网络重复使用主传输线，实现2^N种小相位移相状态，避免了每种相位状态对主传输线的需要，因此，能够在总长度可选的主传输线上通过一个移相单元实现N个移相比特，降低了主传输线的长度和电路面积，有效降低移相器尺寸，相较于由多个移相单元级联而成的N位数字式移相器具有结构更加紧凑的优势。

（2）本发明公开的基于主传输线共享策略的单电路N比特移相器，每个分支微带传输线加载网络包含2^N-1段微带传输线和2^N-1个PIN二级管开关，对应于同一移相量的微带传输线所连接的PIN二极管开关受控于同一信号，当每个分支微带传输线加载网络中对应于同一移相量的微带传输线接入主传输线时，移相器呈现倒“E”结构，在不同开关状态组合下实现小相位移相功能的同时实现电路匹配并降低插入损耗，相较于由多个单元级联而成的N位数字式移相器具有损耗低以及成本低的优势。

附图说明

图1（a）至图1（d）为本申请基于主传输线共享策略的单电路单比特移相器的工作原理图，图1（e）为本申请基于主传输线共享策略的单电路单比特移相器的通用电路图。

图2为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器的框图。

图3为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器的电路图。

图4为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器相移量图。

图5（a）至图5（h）为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器在八种状态下的S参数图。

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。

图1为本申请公开的基于主传输线共享策略的单电路单比特移相器的工作原理图。如图1（e）所示，本申请公开的基于主传输线共享策略的单电路单比特移相器由一条50 Ω的主传输线和N个分支微带传输线加载网络构成，每个分支微带传输线加载网络都包括 2^N-1段微带传输线，第一段微带传输线、第二段微带传输线、……、第M段微带传输线、第2^N-1 段微带传输线分别通过第一个PIN二级管、第二个PIN二级管、……、第M个PIN二级管、第个 2^N-1个PIN二级管与主传输线连接，1≤M≤2^N-1，各分支微带传输线加载网络中用于调节同一移相量的微带线所连接的PIN二极管受控于同一电压，例如，第一个PIN二极管受控于V₁，第M个PIN二极管受控于V_M, 第个2^N-1个PIN二级管受控于

。当N=3时，三个PIN二极管开关断开时的单电路单比特移相器相当于主传输线，其特性阻抗为Z₀，等效电长度为θ₀，电路的相位为ϕ0，如图1（a）、图1 （b）所示；当N=3时，三个PIN二极管开关闭合时的单电路单比特移相器相当于三段传输线加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ_e的微带传输线，电路的相位为ϕe，如图1（c）、图1（d）所示。可以利用奇偶模分析法根据需要设计的移相器的相移量计算出主传输线和三段加载的传输线的特性阻抗和电长度。

图2为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器的框图。三个电压V₁，V₂，V₃为3-8译码器的输入信号，3-8译码器可以输出三位二进制码，共八种状态组合，V_S0-V_S7为输出端，可译出八个单输出信号。利用3-8译码器的输出信号控制基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器中分支微带传输线加载网络的加载。

图3为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器的电路图。基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器由一条主传输线和三个分支微带传输线加载网络构成。根据基于主传输线共享策略的单电路单比特移相器的工作原理图，可以分别计算出三个分支微带传输线加载网络中各段微带传输线的参数。V_S0=1，其它七个电压均为0，三个分支微带传输线加载网络均未加载到主传输线上，该电路相当于主传输线，其特性阻抗为Z₀，等效电长度为θ₀，电路的相位为ϕ0。V_S1=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₁₁、jB₁₂、jB₁₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络1加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₁的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ1。V_S2=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₂₁、jB₂₂、jB₂₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络2加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₂的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ2。V_S3=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₃₁、jB₃₂、jB₃₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络3加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₃的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ3。V_S4=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₄₁、jB₄₂、jB₄₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络4加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₄的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ4。V_S5=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₅₁、jB₅₂、jB₅₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络5加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₅的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ5。V_S6=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₆₁、jB₆₂、jB₆₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络6加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₆的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ6。V_S7=1，其它七个电压均为0，该电路相当于jB₇₁、jB₇₂、jB₇₁三段传输线构成的分支微带传输线加载网络7加载在主传输线上，该电路等效为一条特性阻抗为Z₀、等效电长度为θ₇的微带传输线，电路的相位为ϕ0+ϕ7。

在本实施例中，设计了一款中心频率为2.4GHz基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器，设计带宽为300MHz。图4为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器相移量图。V_S0=1的状态，设为OFF状态；V_S1=1的状态，设为state1；V_S2=1的状态，设为state2；V_S3=1的状态，设为state3；V_S4=1的状态，设为state4；V_S5=1的状态，设为state5；V_S6=1的状态，设为state6；V_S7=1的状态，设为state7。相移量为statei(i=1,2,3,4,5,6,7)状态下的相位与OFF状态的相位差ϕi。在中心频率2.4GHz时，ϕ1=11.25°，ϕ2=22.5°，ϕ3=33.75°，ϕ4=45°，ϕ5=56.25°，ϕ6=67.5°，ϕ7=78.75°。由图4可知，在300MHz带宽内，11.25°的相位误差在±0.8°内；22.5°的相位误差在±1.9°内；33.75°的相位误差在±3.6°内；45°的相位误差在±4.4°内；56.25°的相位误差在±6°内；67.5°的相位误差在±5.6°内；78.75°的相位误差在±7.8°内。

图5为基于主传输线共享策略的单电路三比特移相器的S参数图，其中，图5(a)为OFF状态的S参数图，图5 (b)为state1的S参数图，图5 (c)为state2的S参数图，图5 (d)为state3的S参数图，图5 (e)为state4的S参数图，图5 (f)为state5的S参数图，图5 (g)为state6的S参数图，图5 (h)为state7的S参数图。实线为仿真插入损耗S₂₁，虚线为仿真回波损耗S₁₁，由图5可以看出，基于“倒E”拓扑结构的单电路三比特移相器具有较低的插入损耗。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，其特征在于，包括主传输线和N个分支微带传输线加载网络，每个分支微带传输线加载网络包含2^N-1段微带传输线，各分支微带传输线加载网络用于控制同一移相量的微带传输线受控于同一控制信号，且接入主传输线的微带传输线与主传输线呈倒E结构，N为所述单电路多比特移相器的比特数；

当N为3时，每个分支微带传输线加载网络包含7段微带传输线，通过一个3-8译码器产生八个控制电压信号，其中一个控制电压信号用于表示所有分支微带传输线加载网络均不接入主传输线，其余七个控制电压信号接入每个分支微带传输线加载网络。

2.根据权利要求1所述基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，其特征在于，每个分支微带传输线加载网络中的各段微带传输线通过PIN二极管或其它形式的开关接入主传输线。

3.根据权利要求1所述基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，其特征在于，每个分支微带传输线加载网络中的微带传输线等间距分布。

4.根据权利要求1所述基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，其特征在于，各分支微带传输线加载网络中所包含的2^N-1段微带传输线等间距分布。

5.根据权利要求1所述基于主传输线共享策略的单电路多比特移相器，其特征在于，每个分支微带传输线加载网络中的微带传输线分布在主传输线的两侧或同一侧，各分支微带传输线加载网络用于控制同一移相量的微带传输线分布在主传输线的同一侧。