CN114744384A - 基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器 - Google Patents
基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于移相器技术领域，具体地说，是一种基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，包括输入端口、输出端口、输入匹配微带线单元、输出匹配微带线单元、输入匹配短路枝节线、输出匹配短路枝节线、输入T形节、输出T形节、单刀双掷开关、三块独立金属通孔接地金属条带设定为第一到第三接地金属条带、四对平行耦合传输线设定为第一到第四平行耦合传输线、一对几字形带连接线设定为第一几字形带连接线和第二几字形带连接线、一块介质基片、一块金属地平面，本发明由于开关数量减半，可以有效降低开关引起的插入损耗；在0°和180°工作状态下拥有完全相同的传输函数和端口反射系数，无需后续电路的幅度处理；具有超宽带工作的特性。
Description
技术领域
本发明属于移相器技术领域，具体地说，是一种基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器。
背景技术
移相器是一种对电磁波信号的相位进行调控的电子元件，在鉴相器、波束成形网络、功率分配器、功放线性化和相控阵天线中有大量应用。对移相器的关键性能评估指标主要包括插入损耗、切换速度、工作频率和相对工作带宽等参数。
在数控移相器的体系架构中，比特单元的移相是通过利用一对单刀双掷开关在两个具有不同导波行程的传输组件间进行切换而实现的。两个传输组件间的波程差即为对应的移相量。在微波频段，单刀双掷开关多采用固态集成电路实现。由于物理材料的限制，开关自身在微波频段引入的损耗是不可忽略的。由于经典架构中每个移相单元中均包含两个独立开关，由此累计引入的开关插入损耗非常可观。在所有的移相单元中，180°单元的移相范围最大，内嵌分布式结构的电磁波行程最长，带来的传输线插入损耗也最高。此外，由于信号在0°和180°两种相位状态下传输的路径长度差异较大，还会引起移相器损耗在不同相位状态下的不平衡，将对后级电路的工作带来不利影响。综上所述，如何设计制作具有低损耗的、具有幅度平衡的宽带移相器，是微波射频领域中一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明旨在解决传统切换式移相器带宽窄、插入损耗大和状态损耗不平衡的问题。
为了达到上述目的，本发明披露了一种基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，具体技术方案如下：
一种基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，包括输入端口、输出端口、输入匹配微带线单元、输出匹配微带线单元、输入匹配短路枝节线、输出匹配短路枝节线、输入T形节、输出T形节、单刀双掷开关、三块独立金属通孔接地金属条带设定为第一到第三接地金属条带、四对平行耦合传输线设定为第一到第四平行耦合传输线、一对几字形带连接线设定为第一几字形带连接线和第二几字形带连接线、一块介质基片、一块金属地平面。
在上述技术方案中，输入匹配微带线单元和输入匹配短路枝节线通过输入T形节实现电气连接；输入匹配短路枝节线通过金属接地孔与金属地板实现电气连接；所述输出匹配微带线单元和输出匹配短路枝节线通过输出T形节实现电气连接；输出匹配短路枝节线通过金属接地孔与金属地板实现电气连接；四对平行耦合传输线设定为第一到第四平行耦合传输线的物理结构完全相同且对称分成两组，第一平行耦合传输线与第二平行耦合传输线为一组，第三平行耦合传输线与第四平行耦合传输线为一组为另一组，两组平行耦合传输线之间利用第二接地条带实现空间隔离；第一平行耦合传输线与第二平行耦合传输线之间利用第一接地条带实现空间隔离；第三平行耦合传输线与第四平行耦合传输线之间利用第三接地条带实现空间隔离；第一到第三接地金属条带上具有多个金属化通孔与金属地板实现电气连接，其中，金属化通孔可以是空心的、也可以是实心的，为满足充分接地的要求，金属化通孔的数量越多越好；每组平行耦合传输线组和之间没有耦合或耦合小到可以忽略。
本发明的进一步改进，四对平行耦合传输线可以是均匀阻抗的直线型分布，也可采用曲线的小型化分布，上述四对平行耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗和相同的电长度；第一平行耦合传输线的四个连接点分别顺时针与输入T形节、几字形微带连接线、平行耦合传输线和接地通孔依次相连接；第二平行耦合传输线的前三个连接点分别顺时针与接地通孔、平行耦合传输线和几字形微带连接线依次相连接，最后一个连接点开路；第三平行耦合传输线的四个连接点分别顺时针与几字形微带连接线、开关第二分支节点、接地通孔和平行耦合传输线依次相连接；第四平行耦合传输线的四个连接点分别顺时针与平行耦合传输线、接地通孔、开关第一分支节点和几字形微带连接线依次相连接。
本发明的进一步改进，单刀双掷开关的主连接点与输出T形节相连接，开关第一分支节点与第四平行耦合传输线相连接，开关第二分支节点与第三平行耦合传输线相连接。
本发明的进一步改进，单刀双掷开关可以为MEMS、机械式、PIN管或FET管。
本发明的进一步改进，输入匹配短路枝节线和输出匹配短路枝节线可以设计成为具有相同电长度的、末端具有短路通孔的多条传输线的并联以降低阻抗。
本发明通过类似的拓扑结构映射，适用于带状线和同轴线等TEM传输线系统。
通过合理设置各个微带传输线元件的阻抗值，本发明能得到一种低损耗单开关宽带微波180度移相器，其两种相位状态通过切换单刀双掷开关的连接状态进行控制，两种相位状态的传输幅度函数完全相同，相位严格相差180°。
本发明采用以上技术方案与传统滤波器相比，具有以下技术效果：由于开关数量减半，可以有效降低开关引起的插入损耗；在0°和180°工作状态下拥有完全相同的传输函数和端口反射系数，无需后续电路的幅度处理；具有超宽带工作的特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为仿真得到的实施实例1中移相器状态1时的宽带传输系数和反射系数图。
图3为仿真得到的实施实例1中移相器状态2时的宽带传输系数和反射系数图。
图4为仿真得到的实施实例1中移相器状态1和状态2的传输相位图，其中实线为状态1时的传输相位；虚线为状态2时的传输相位。
图中，1-输入端口，2-输出端口，3-输入匹配微带线单元，4-输出匹配微带线单元，5a-输入匹配短路枝节线，5b-输入匹配短路枝节线短路过孔，6a-输出匹配短路枝节线，6b-输入匹配短路枝节线短路过孔，7-输入T形节，8-输出T形节，9a-单刀双掷开关主连接点，9b-单刀双掷开关第一分支节点，9c-单刀双掷开关第二分支节点，9d-单刀双掷开关，10a-第一独立金属通孔接地金属条带，10b-第二独立金属通孔接地金属条带，10c-第三独立金属通孔接地金属条带，11a-第一平行耦合传输线，11b-第一平行耦合传输线末端短路过孔，12a-第二平行耦合传输线，12b-第二平行耦合传输线末端短路过孔，13a-第三平行耦合传输线，13b-第三平行耦合传输线末端短路过孔，14a-第四平行耦合传输线，14b-第四平行耦合传输线末端短路过孔，15a-几字形带连接线，15b-几字形带连接线，16-介质基片，17-金属地平面。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例，如图1所示，一种基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，包括输入端口（1）、输出端口（2）、输入匹配微带线单元（3）、输出匹配微带线单元（4）、输入匹配短路枝节线（5a）、输出匹配短路枝节线（6a）、输入T形节（7）、输出T形节（8）、单刀双掷开关（9d）、三块独立金属通孔接地金属条带设定为第一独立金属通孔接地金属条带（10a）、第二独立金属通孔接地金属条带（10b）和第三独立金属通孔接地金属条带（10c）、四对平行耦合传输线设定为第一平行耦合传输线（11a）、第二平行耦合传输线（12a）、第三平行耦合传输线（13a）和第四平行耦合传输线（14a）、一对几字形微带连接线设定为第一几字形微带连接线（15a）和第二几字形微带连接线（15b），一块介质基片（16）、一块金属地平面（17）；输入匹配微带线单元（3）和输入匹配短路枝节线（5a）通过输入T形节（7）实现电气连接；输入匹配短路枝节线（5a）通过金属接地孔（5b）与金属地板17实现电气连接；输出匹配微带线单元（4）和输出匹配短路枝节线（6a）通过输出T形节（8）实现电气连接；输出匹配短路枝节线（6a）通过金属接地孔（6b）与金属地板（17）实现电气连接；
四对平行耦合传输线的物理结构完全相同且对称分成两组，其中第一平行耦合传输线（11a）与第二平行耦合传输线（12a）为一组，第三平行耦合传输线（13a）与第四平行耦合传输线（14a）为另一组，两组之间利用第二接地条带（10b）实现空间隔离；第一平行耦合传输线（11a）与第二平行耦合传输线（12a）之间利用第一接地条带（10a）实现空间隔离；第三平行耦合传输线（13a）与第四平行耦合传输线（14a）之间利用第三接地条带（10c）实现空间隔离；接地金属条带上具有多个密排的金属化通孔与金属地板（17）实现电气连接；
第一平行耦合传输线（11a）的四个连接点分别顺时针与输入T形节（7）、第一几字形微带连接线（15a）、第三平行耦合传输线（13a）和接地通孔（11b）依次相连接；
第二平行耦合传输线（12a）的前三个连接点分别顺时针与接地通孔（12b）、第四平行耦合传输线（14a）和第一几字形微带连接线（15a）依次相连接，最后一个连接点开路；
第三平行耦合传输线（13a）的四个连接点分别顺时针与几字形微带连接线（15b）、开关第二分支节点（9c）、接地通孔（13b）和第一平行耦合传输线（11a）依次相连接；
第四平行耦合传输线（14a）的四个连接点分别顺时针与第二平行耦合传输线（12a）、接地通孔（14b）、开关第一分支节点（9b）和第二几字形微带连接线（15b）依次相连接；
单刀双掷开关（9d）的主连接点（9a）与输出T形节（8）相连接，开关第一分支节点（9b）与第四平行耦合传输线（14a）相连接，开关第二分支节点（9c）与平行耦合传输线（13a）相连接。
本实施例中输入端口（1）和输出端口（2）阻抗取值为50Ohm；输入匹配微带线单元（3）和输出匹配微带线单元（4）特性阻抗取值为35.7Ohm，电长度在1GHz时为90°；输入匹配短路枝节线（5）和输入匹配短路枝节线（6） 特性阻抗取值为60.4Ohm，电长度在1GHz时为90°；四对平行耦合传输线的奇模特性阻抗为24.1815 Ohm，偶模特性阻抗为230.141Ohm，电长度在1GHz时为90°。
利用ADS仿真软件，对上述电路原理图进行模拟仿真。根据开关的工作状态，定义状态1时，主连接点（9a）与开关第二分支节点（9c）相连；状态2时，主连接点（9a）与开关第一分支节点（9b）相连。在状态1时，仿真得到的S参数曲线如图2所示。图中虚线为S11，即反射系数，实线S21为传输系数。从图2中可以看出，曲线S21呈现出良好的宽带传输特性，工作带宽为0.3-1.7GHz，带内反射系数接近-15dB，匹配良好；在状态2时，仿真得到的S参数曲线如图3所示。可以发现状态2与状态1的反射系数和传输系数幅度完全相同，验证了本结构传输时不同状态下幅度传输的平衡性；图4为仿真得到的两种状态下的传输相位，其中实线为状态1时的传输相位；虚线为状态2时的传输相位。可以观察到两种状态下相位差在任意频点处均严格为180°。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，在一块介质基片之上设置有输入端口、输出端口、输入匹配微带线单元、输出匹配微带线单元、输入匹配短路枝节线、输出匹配短路枝节线、输入T形节、输出T形节、单刀双掷开关、三块独立金属通孔接地金属条带、四对平行耦合传输线、一对几字形带连接线和一块金属地平面。
2.根据权利要求1所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述输入匹配微带线单元和输入匹配短路枝节线通过输入T形节实现电气连接；所述输入匹配短路枝节线通过金属接地孔与金属地板实现电气连接；所述输出匹配微带线单元和输出匹配短路枝节线通过输出T形节实现电气连接；输出匹配短路枝节线通过金属接地孔与金属地板实现电气连接。
3.根据权利要求2所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述四对平行耦合传输线的物理结构完全相同且对称设定为第一到第四平行耦合传输线，所述四对平行耦合传输线分成两组，其中第一平行耦合传输线与第二平行耦合传输线为一组，第三平行耦合传输线与第四平行耦合传输线为另一组，两组之间利用接地条带实现空间隔离；每组两个平行耦合传输线之间利用接地条带实现空间隔离。
4.根据权利要求3所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述接地金属条带上具有多个金属化通孔与金属地板实现电气连接。
5.根据权利要求4所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述第一平行耦合传输线的四个连接点分别顺时针与输入T形节、几字形微带连接线、平行耦合传输线和接地通孔依次相连接；所述第二平行耦合传输线的前三个连接点分别顺时针与接地通孔、平行耦合传输线和几字形微带连接线依次相连接，最后一个连接点开路；所述第三平行耦合传输线的四个连接点分别顺时针与几字形微带连接线、开关第二分支节点、接地通孔和平行耦合传输线依次相连接；所述第四平行耦合传输线的四个连接点分别顺时针与平行耦合传输线、接地通孔、开关第一分支节点和几字形微带连接线依次相连接。
6.根据权利要求5所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述单刀双掷开关的主连接点与输出T形节相连接，所述开关第一分支节点与第四平行耦合传输线相连接，开关第二分支节点与第三平行耦合传输线相连接。
7.根据权利要求6所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述单刀双掷开关为MEMS、机械式、PIN管或FET管。
8.根据权利要求7所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述四对平行耦合传输线均匀阻抗的直线型分布或采用曲线的小型化分布，所述四对平行耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗和相同的电长度。
9.根据权利要求8所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，其特征在于，所述接地金属条带上的金属化通孔为空心的或实心的。
10.根据权利要求9所述的基于微带线结构的低损耗单开关宽带微波180度移相器，所述输入匹配短路枝节线和输出匹配短路枝节线设计成为具有相同电长度的、末端具有短路通孔的多条传输线的并联以降低阻抗。
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| CN114744384B (zh) | 2023-12-01 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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