CN114759323B - 一种集成可重构滤波与幅度控制的移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集成可重构滤波与幅度控制的无源移相器，包括级联的三个开口谐振环型的谐振器；其中，第一谐振器与第三谐振器在横轴方向相对设置，第二谐振器位于第一和第三谐振器的下方，三个谐振器的开口朝向互不相同，并形成沿纵轴对称的轴对称结构；谐振器的开口处均加载有两个背靠背方式连接的变容二极管，它们的阴极共同连接于同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压；第一谐振器与第三谐振器上均形成有一抽头，抽头通过微带馈电线分别连接一个端口。本发明提供的无源移相器，可在单一器件中同时实现连续360°相位控制，10dB幅度控制以及中心频率连续可调的带通滤波功能，为小型化低成本相控阵的设计与实现提供一条新思路。

Description

一种集成可重构滤波与幅度控制的移相器
技术领域
本发明涉及无线通信系统中的天线技术，尤其是一种集成了可重构滤波功能与幅度控制功能的移相器。
背景技术
随着现代无线通信技术的飞速发展，相控阵技术已逐步成为现代通信系统中应用最为广泛的关键技术之一，其可通过控制各阵列单元间的相对幅度与相对相差实现波束成形与波束扫描，从而实现更高的有效辐射功率。
在典型的相控阵系统中，移相器和衰减器(或可变增益放大器)是分别实现阵列中各信号通路相位控制与幅度控制的关键器件；另一方面，滤波器作为通信系统中不可或缺的重要器件，其保证了系统正常工作不受杂乱信号干扰。将滤波器与移相器结合在一起，可实现滤波移相多功能的融合。
然而，现有技术中融合了移相器和衰减/放大器功能的设计方案，或者融合了滤波器和移相器的设计方案，通常采用的是单个功能器件分别独立设计完成后再级联在一起，这一方面会导致系统整体面积过大，另一方面可能会因为器件之间的阻抗失配引入额外损耗。而利用集成设计方法将移相功能和幅度控制功能集成在单一器件中，或者将滤波器与移相器结合在一起，可有效缩减系统尺寸，降低系统成本。然而，目前的集成设计方案依然存在电路结构设计复杂，控制不便捷、高效的问题，并且器件面积虽然有所减小，但是依据不能满足如今小型化的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于至少部分的解决上述现有技术问题，提供一种集成可重构滤波与幅度控制的移相器。
本发明的目的之一是这样实现的：一种集成可重构滤波与幅度控制的移相器，包括级联的第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，三个谐振器均为开口谐振环型谐振器；第一谐振器与第三谐振器在横轴方向相对设置，第二谐振器位于第一谐振器和第三谐振器的下方，三个谐振器形成沿纵轴对称的轴对称结构；
第一谐振器的开口位于该谐振器左侧，第三谐振器的开口位于该谐振器右侧，第二谐振器的开口位于该谐振器下侧，三个谐振器的开口处均加载有两个背靠背方式连接的变容二极管，两个变容二极管的阴极共同连接于同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压；
第一谐振器与第三谐振器上均形成有一抽头，抽头通过微带馈电线分别连接一个端口。
优选的，每两个谐振器之间均通过两个背靠背方式连接的变容二极管连接，两个变容二极管的阴极共同连接在同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压。
优选的，每个谐振器上开口的一侧分别连接有一条并联支路，所述并联支路上加载有一对变容二极管和两个定值电阻R1，且每条并联支路上分别外接有偏置电压，用以对变容二极管进行控制。
优选的，所述微带馈电线上加载有变容二极管和定值电容，微带馈电线上还外接有用于控制变容二极管的偏置电压。
优选的，所述微带馈电线上还加载有一个短路谐振支节，所述短路谐振支节上加载有变容二极管和定值电容，短路谐振支节上还外接有用于控制变容二极管的偏置电压。
优选的，每个谐振器上均连接有一个接地电阻R2，用以实现变容二极管的直流接地。
优选的，每个偏置电压的通路上均连接有一个100k欧姆的定值电阻R3。
优选的，每个谐振器均配置为由金属微带线围成的开口矩形谐振环，其中，第一谐振器和第三谐振器的长度均为L1=12mm, 宽度均为L2=8mm，第三谐振器的宽度L3=3mm, 金属微带线的宽度W1=1mm,第一谐振器和第三谐振器之间的间隔S1=1.5mm , 第一谐振器和第三谐振器与第二谐振器之间的间距均为S2=1mm。
优选的，由第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器实现中心频率在0.75 GHz-0.95GHz范围内的连续可调的带通滤波功能。
本发明的有益效果体现在：
相比于现有的移相器，本发明提出的一种同时集成可重构滤波功能与幅度控制功能的无源移相器，可在单一器件中同时实现连续360°相位控制，10dB幅度控制以及中心频率在0.75 GHz-0.95GHz连续可调的带通滤波功能，为小型化低成本相控阵的设计与实现提供一条新思路。
附图说明：
图1为本申请无源移相器实施例的电路结构示意图；
图2为本申请无源移相器实施例的电路尺寸示意图；
图3为本申请实施例的无源移相器在不同工作频率下的S参数幅度与相位测试结果；
图4为本申请实施例的无源移相器在0.85GHz工作频率下的幅度调节测试响应曲线图；
图5为本申请实施例的无源移相器的实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5所示，本发明提供的具体实施例如下：
参阅图1所示，提供一种集成可重构滤波与幅度控制的移相器，包括级联的第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，三个谐振器均为开口谐振环型的谐振器；第一谐振器与第三谐振器在横轴方向相对设置，第二谐振器位于第一谐振器和第三谐振器的下方，三个谐振器形成沿纵轴对称的轴对称结构；
第一谐振器的开口位于该谐振器左侧，第三谐振器的开口位于该谐振器右侧，第二谐振器的开口位于该谐振器下侧，三个谐振器的开口处均加载有两个背靠背方式连接的变容二极管，两个变容二极管的阴极共同连接于同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压；具体的，第一谐振器开口处加载有变容二极管CV111和变容二极管CV112，变容二极管CV111和变容二极管CV112的阳极分别连接在第一谐振器开口处的两个端面上，变容二极管CV111和变容二极管CV112的阴极共同连接在同一焊盘上，该焊盘上还加载有偏置电压V1；第二谐振器开口处加载有变容二极管CV161和变容二极管CV162，变容二极管CV161和变容二极管CV162的阳极分别连接在第二谐振器开口处的两个端面上，变容二极管CV161和变容二极管CV162的阴极共同连接在同一焊盘上，该焊盘上还加载有偏置电压V5；第三谐振器开口处加载有变容二极管CV141和变容二极管CV142，变容二极管CV141和变容二极管CV142的阳极分别连接在第三谐振器开口处的两个端面上，变容二极管CV141和变容二极管CV142的阴极共同连接在同一焊盘上，该焊盘上还加载有偏置电压V3；作为可选择的，偏置电压V1、V3、V5连接焊盘的通路上还分别连接有电阻R3；
第一谐振器和第三谐振器上均形成有一抽头，第一谐振器的抽头通过微带馈电线连接第一端口，第三谐振器的抽头通过微带馈电线连接第二端口，所述第一端口和第二端口中，但一个端口作为输入时，另一端口则作为输出。
可以理解的是，上述方案中，两个相邻的开口谐振环型谐振器之间的开口方向决定了它们之间的耦合类型，第一谐振器1与第三谐振器3的开口方向相反，可在它们之间形成纯净磁耦合，而第一谐振器1与第二谐振器2的开口方向设置则可确保在它们之间形成电磁混合耦合。利用三个开口谐振环型的谐振器相级联，形成了三阶交叉耦合滤波拓扑结构，可形成较为良好的可重构滤波性能。
作为优选的，在一些实施例中，每两个谐振器之间均通过两个背靠背方式连接的变容二极管连接，两个变容二极管的阴极共同连接在同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压。具体的，第一谐振器与第三谐振器之间通过变容二极管CV131和变容二极管CV132连接，变容二极管CV131的阳极与第一谐振器连接，变容二极管CV132的阳极与第三谐振器连接，变容二极管CV131和变容二极管CV132的阴极连接在同一焊盘上，该焊盘上还外接有偏置电压V7；第一谐振器与第二谐振器之间通过变容二极管CV181和变容二极管CV182连接，变容二极管CV181的阳极与第一谐振器连接，变容二极管CV182的阳极与第二谐振器连接，变容二极管CV181和变容二极管CV182的阴极连接在同一焊盘上，该焊盘上还外接有偏置电压V8；第二谐振器与第三谐振器之间通过变容二极管CV191和变容二极管CV192连接，变容二极管CV191的阳极与第三谐振器连接，变容二极管CV192的阳极与第二谐振器连接，变容二极管CV191和变容二极管CV192的阴极连接在同一焊盘上，该焊盘上还外接有偏置电压V9；作为可选择的，为了防止射频信号从偏置电压网络中泄露，偏置电压V7、V8、V9连接焊盘的通路上分别加载有一个100k欧姆的定值电阻R3。
可以理解的是，上述方案中，通过偏置电压V7可控制变容二极管CV131和变容二极管CV132的容值大小，从而改变第一谐振器与第三谐振器之间的耦合强度；通过偏置电压V8可控制变容二极管CV181和变容二极管CV182的容值大小，从而控制第一谐振器与第二谐振器之间的耦合强度；通过偏置电压V9可控制变容二极管CV191和变容二极管CV192的容值大小，从而控制第二谐振器与第三谐振器之间的耦合强度。由此，可在谐振器之间形成可控的电磁混合耦合。在本实施例中，基于三阶交叉耦合滤波拓扑结构，在形成良好滤波性能的同时可在其内部产生两路相位差为90°的正交信号，两路正交信号的幅度比通过改变谐振器间的耦合强度来实现，进而可通过调节两路正交信号的幅度比实现对输出信号相位的有效调节。本实施例中通过巧妙的融合设计将可重构滤波功能和移相功能直接集成在单个器件中，在大幅缩减器件面积的同时，有效避免了额外损耗的引入，具有切实的与实用价值。
作为进一步优选的，在一些实施例中，每个谐振器上开口的一侧分别连接有一条并联支路，所述并联支路上加载有一对变容二极管和两个定值电阻，且每条并联支路上分别外接有偏置电压。具体的，参阅图1中所示，第一谐振器上连接的并联支路包括变容二极管CV121、变容二极管CV122以及两个相同的定值电阻R1，变容二极管CV121的阳极连接在第一谐振器上开口一侧的上部，变容二极管CV122的阳极连接在第一谐振器上开口一侧的下部，变容二极管CV121和变容二极管CV122的阴极分别通过一个定值电阻R1连接在同一焊盘上，该焊盘上还连接有偏置电压V2；第二谐振器上连接的并联支路包括变容二极管CV171、变容二极管CV172以及两个相同的定值电阻R1，变容二极管CV171的阳极连接在第二谐振器上开口一侧的上部，变容二极管CV172的阳极连接在第二谐振器上开口一侧的下部，变容二极管CV171和变容二极管CV172的阴极分别通过一个定值电阻R1连接在同一焊盘上，该焊盘上还连接有偏置电压V6；第三谐振器上连接的并联支路包括变容二极管CV151、变容二极管CV152以及两个相同的定值电阻R1，变容二极管CV151的阳极连接在第三谐振器上开口一侧的上部，变容二极管CV152的阳极连接在第三谐振器上开口一侧的下部，变容二极管CV151和变容二极管CV152的阴极分别通过一个定值电阻R1连接在同一焊盘上，该焊盘上还连接有偏置电压V4；作为可选择的，为了防止射频信号从偏置电压网络中泄露，偏置电压V2、V4、V6连接焊盘的通路上还分别加载有一个100k欧姆的定值电阻R3。
可以理解的是，上述方案中，通过偏置电压V2实现对变容二极管CV121和变容二极管CV122的容值大小的调节，通过偏置电压V4实现对变容二极管CV151和变容二极管CV152的容值大小的调节，通过偏置电压V6实现对变容二极管CV171和变容二极管CV172的容值大小的调节。而通过调节CV121、CV122、CV151、CV152、CV171、CV172电容值大小可改变谐振器的等效品质因数，谐振器的等效品质因数降低时，滤波器插入损耗就会随之变高，反之，谐振器的等效品质因数提高时，滤波器插入损耗就会随之变低。由此，本实施中通过加载的并联支路实现对谐振器品质因数与谐振频率的灵活控制，在滤波及移相功能的基础上进一步实现信号幅度调节功能，从而进一步增强了器件的集成度，降低系统损耗。进而采用外接偏置电压来控制变容二极管的容值大小，通过合理设定各个变容二极管的偏置状态，可实现对输出信号相位、中心频率和幅度的灵活控制，实现了滤波器与移相器的融合设计，有效缩减了系统尺寸，降低系统成本。
作为优选的，在一些实施例中，连接第一谐振器抽头的微带馈电线上加载有变容二极管CV201和定值电容CF112，变容二极管CV201的阳极连接抽头，阴极通过一段微带馈电线连接定值电容CF112，微带馈电线上还通过一个定值电阻R3外接有偏置电压V10；连接第三谐振器抽头的微带馈电线上加载有变容二极管CV202和定值电容CF113，变容二极管CV202的阳极连接抽头，阴极通过一段微带馈电线连接定值电容CF113，微带馈电线上还通过一个定值电阻R3外接有用于控制变容二极管CV202的容值大小的偏置电压V11。可以理解的是，本实施例中，通过偏置电压V10控制变容二极管CV201的容值大小，以及偏置电压V11控制变容二极管CV202的容值大小，从而控制谐振器输入/输出外部耦合的强度。
作为优选的，在一些实施例中，在连接第一谐振器的微带馈电线上加载有一个短路谐振支节，该短路谐振支节上加载有变容二极管CV211和定值电容CF111，该短路谐振支节上还通过一个定值电阻R3连接有偏置电压V12；在连接第三谐振器的微带馈电线上加载有另一个短路谐振支节，该短路谐振支节上加载有变容二极管CV212和定值电容CF114，该短路谐振支节上还通过一个定值电阻R3连接有偏置电压V13。可以理解的是，本实施例中，通过偏置电压V12控制变容二极管CV211的容值大小，以及通过偏置电压V13控制变容二极管CV212的容值大小，从而实现对第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器所构成的滤波器的传输零点的位置的控制。
作为优选的，在一些实施例中，每个谐振器上均连接有一个接地电阻R2，用以实现连接在谐振器上的变容二极管的直流接地。
作为优选的，在一些实施例中，每个谐振器均配置为由金属微带线围成的开口矩形谐振环，其中，第一谐振器和第三谐振器的长度均为L1=12mm, 宽度均为L2=8mm，第三谐振器的宽度L3=3mm, 金属微带线的宽度W1=1mm,第一谐振器和第三谐振器之间的间隔S1=1.5mm , 第一谐振器和第三谐振器与第二谐振器之间的间距均为S2=1mm。
作为优选的，由第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器实现中心频率在0.75 GHz-0.95GHz范围内的连续可调的带通滤波功能。
下面，给出基于以上实施例移相器的测试例，组成实施例移相器的电路被设置在一个基板上，基板材料为罗杰斯6010，厚度为1.27mm。二极管CV111、CV112、CV141、CV142、CV161、CV162、CV212选用MACOM公司的MA46H201型号变容二极管，二极管CV121、CV122、CV151、CV152、CV171、CV172选用MACOM公司的MAVR-000120-1411 型号变容二极管，二极管CV131、CV132、CV181、CV182、CV191、CV192、CV201、CV202选用MACOM公司的MA46H202型号变容二极管，二极管CV211选用MACOM公司的MA46H204型号变容二极管。电容CF111、CF112、CF113、CF114选用封装型号0402的贴片电容。参阅图2中所示为实施例的移相器的尺寸设计示意图，经过仿真优化设计后得到的优选电路尺寸参数为：L1=12mm, L2=8mm, L3=3mm, L4=11.55mm, W1=1mm, W2=1.17mm, S1=1.5mm, S2=1mm。图5为本申请一种实施例的移相器的实物图。
参阅图3所示，展示了本申请实施例的移相器在不同工作频率下的S参数（S-parameters）幅度与相位（insertion phase）测试结果，图3中 a处与b处为工作频率0.75GHz下的测试结果，图3中c处与d处为工作频率0.85GHz下的测试结果，图3中e处与f处为工作频率0.95GHz下的测试结果。可以看出，在中心频率0.75GHz-0.95 GHz范围内，移相器可以在维持良好滤波性能的同时实现连续360°范围的相位控制，所有调谐状态的平均插入损耗处于5.27dB-6.62dB范围，回波损耗始终优于13.5dB。图4展示了本申请实施例的移相器在0.85GHz工作频率下的幅度衰减特性，可以看出，在滤波移相功能的基础上，通过本申请实施例的移相器同时也可实现有效的幅度控制功能，幅度调节范围可达10dB。上述结果验证了通过本申请实施例的移相器可实现对输出信号相位、幅度以及中心频率的灵活控制，表明了本申请实施例移相器设计的正确性与优越性。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种集成可重构滤波与幅度控制的无源移相器，其特征在于，包括：级联的第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，三个谐振器均为开口谐振环型谐振器；第一谐振器与第三谐振器在横轴方向相对设置，第二谐振器位于第一谐振器和第三谐振器的下方，三个谐振器形成沿纵轴对称的轴对称结构；
第一谐振器的开口位于该谐振器左侧，第三谐振器的开口位于该谐振器右侧，第二谐振器的开口位于该谐振器下侧，三个谐振器的开口处均加载有两个背靠背方式连接的变容二极管，两个变容二极管的阴极共同连接于同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压；
第一谐振器与第三谐振器上均形成有一抽头，抽头通过微带馈电线分别连接一个端口；
每两个谐振器之间均通过两个背靠背方式连接的变容二极管连接，两个变容二极管的阴极共同连接在同一焊盘上，并在该焊盘上外接有偏置电压；
每个谐振器上开口的一侧分别连接有一条并联支路，所述并联支路上加载有一对变容二极管和两个定值电阻R1，且每条并联支路上分别外接有偏置电压，用以对变容二极管进行控制。
2.根据权利要求1所述的无源移相器，其特征在于，所述微带馈电线上加载有变容二极管和定值电容，微带馈电线上还外接有用于控制变容二极管的偏置电压。
3.根据权利要求2所述的无源移相器，其特征在于，所述微带馈电线上还加载有一个短路谐振支节，所述短路谐振支节上加载有变容二极管和定值电容，短路谐振支节上还外接有用于控制变容二极管的偏置电压。
4.根据权利要求1所述的无源移相器，其特征在于，每个谐振器上均连接有一个接地电阻R2，用以实现变容二极管的直流接地。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的无源移相器，其特征在于，每个偏置电压的通路上均连接有一个100k欧姆的定值电阻R3。
6.根据权利要求1所述的无源移相器，其特征在于，每个谐振器均配置为由金属微带线围成的开口矩形谐振环，其中，第一谐振器和第三谐振器的长度均为L1=12mm, 宽度均为L2=8mm，第三谐振器的宽度L3=3mm, 金属微带线的宽度W1=1mm,第一谐振器和第三谐振器之间的间隔S1=1.5mm , 第一谐振器和第三谐振器与第二谐振器之间的间距均为S2=1mm。
7.根据权利要求1所述的无源移相器，其特征在于，由第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器实现中心频率在0.75 GHz-0.95GHz范围内的连续可调的带通滤波功能。
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