CN114883763B - 一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器 - Google Patents

一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器 Download PDF

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CN114883763B CN202210400004.3A CN202210400004A CN114883763B CN 114883763 B CN114883763 B CN 114883763B CN 202210400004 A CN202210400004 A CN 202210400004A CN 114883763 B CN114883763 B CN 114883763B
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Abstract

本发明公开了一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器，通过对传统差分移相器主线和参考线的调整，提高了差分移相器的移相性能，缩小了尺寸，在一定程度上改善了单路反射型移相器的平坦度，使移相器的各个指标达到了一个良好的状态。具体方案为：相位可调反射型移相器和相位固定反射型移相器。所述相位可调反射型移相器作为主通路，包括第一电容加载耦合双线、短路线加载可调负载和第一输入输出50欧姆传输线；所述第一电容加载耦合双线包括第一耦合双线、第二耦合双线、第三耦合双线、第四耦合双线、第一跨接电容、第二跨接电容、第三跨接电容和第四跨接电容。

Description

一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器
技术领域
本发明涉及一种射频电路与微波通信技术领域，尤其涉及一种紧凑型可调差分移相器。
背景技术
移相器作为一种控制信号相位变化的微波器件，已经被广泛应用在相控阵天线系统、波束成形网络、相位调制通信系统以及新兴的宽带无线移动通信智能天线系统中。近些年随着相控阵技术的迅速发展，对移相器的性能指标有了更高的要求。因此，为了适应现代通信技术的发展，研究宽相移、相位平坦、小型化的高性能移相器是非常有意义的。
然而目前发展较为迅速的为数字移相器，当相控阵系统需要大量的相位状态时，它会很快变得笨重，影响波束形成质量。可调移相器因为具有相位灵活可调特性，在不增加系统复杂度的前提下提高波束数量和覆盖范围，有着十分广阔的应用前景。在以往的相关研究中，最常见的结构为单路反射型移相器。虽然可以在频带范围内实现很大的相移，但同时在带内的相位也非常不平坦。差分移相器虽然相位平坦，但相位固定不可调。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器，通过对传统差分移相器主线和参考线的调整，提高了差分移相器的移相性能，缩小了尺寸，在一定程度上改善了单路反射型移相器的平坦度，使移相器的各个指标达到了一个良好的状态。具体方案为：相位可调反射型移相器和相位固定反射型移相器。
进一步地，所述相位可调反射型移相器作为主通路，包括第一电容加载耦合双线、短路线加载可调负载和第一输入/输出50欧姆传输线；
进一步地，所述第一电容加载耦合双线包括第一耦合双线、第二耦合双线、第三耦合双线、第四耦合双线、第一跨接电容、第二跨接电容、第三跨接电容和第四跨接电容；
进一步地，所述第一耦合双线、第二耦合双线、第三耦合双线、第四耦合双线依次连接且尺寸相同；所述第一跨接电容位于第一耦合双线左端、第二跨接电容位于第一耦合双线右端、第三跨接电容位于第四耦合双线左端、所述第四跨接电容位于第四耦合双线右端；
进一步地，所述短路线加载可调负载包括结构相同的第一短路线加载可调负载和第二短路线加载可调负载；所述第一短路线加载可调负载与第一电容加载耦合双线的左下端连接；所述第二短路线加载可调负载与第一电容加载耦合双线的右下端连接；
进一步地，所述第一短路线加载可调负载包括第一变容二极管、第二变容二极管和第一终端短路线；所述第一变容二极管的负极、第二变容二极管的负极、第一终端短路线上端相互连接；所述第一变容二极管的正极、第二变容二极管的正极、第一终端短路线下端接地；
进一步地，所述第一输入/输出50欧姆传输线包括第一传输线和第二传输线；所述第一传输线的左端与端口1连接、右端与第一电容加载耦合双线的左上端连接；所述第二传输线的右端与端口2连接、左端与第一电容加载耦合双线的右上端连接；
进一步地，所述相位固定反射型移相器作为参考通路，包括第二电容加载耦合双线、短路线加载固定负载和第二输入/输出50欧姆传输线；
进一步地，所述第二电容加载耦合双线的结构与第一电容加载耦合双线的结构相同；所述短路线加载固定负载包括结构相同的第一短路线加载固定负载和第二短路线加载固定负载；所述第一短路线加载固定负载与第二电容加载耦合双线的左下端连接；所述第二短路线加载固定负载与第二电容加载耦合双线的右下端连接；
进一步地，所述第一短路线加载固定负载包括电感元件和第二终端短路线；所述电感元件的右端与第二终端短路线的上端连接；所述电感元件的左端与第二终端短路线的下端接地；
进一步地，所述第二输入/输出50欧姆传输线包括第三传输线和第四传输线；所述第三传输线的左端与端口3连接、右端与第二电容加载耦合双线的左上端连接；所述第四传输线的右端与端口4连接、左端与第二电容加载耦合双线的右上端连接；
进一步地，所述第一耦合双线、第二耦合双线、第三耦合双线、第四耦合双线的尺寸相同；所述第一跨接电容与第四跨接电容容值相同；所述第二跨接电容与第三跨接电容的容值相同；所述第一变容二极管、第二变容二极管的型号及供电电压相同；所述第一终端短路线和第二终端短路线的尺寸不同；
进一步地，通过调节所述第一变容二极管和第二变容二极管的供电电压，改变所述差分移相器的相位，获得平坦的相位差。
进一步地，所述第一变容二极管和第二变容二极管容值的调节范围受限于所述第一终端短路线的阻抗和电长度。
由于采用了以上方案，本发明提出的一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器具有宽相移，低带内误差、小尺寸，中等插入损耗的优势，此外还具有结构简单，便于加工、成本低等优点，可以广泛应用于无线通信系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请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(a)是本发明所述紧凑型可调差分移相器的主通路结构示意图；
图1(b)是本发明所述紧凑型可调差分移相器的参考通路结构示意图；
图2是本发明所述紧凑型可调差分移相器的电路分析图；
图3是本发明所述紧凑型可调差分移相器的相位差性能曲线；
图4是本发明所述紧凑型可调差分移相器的回波损耗曲线；
图5是本发明所述紧凑型可调差分移相器的插入损耗曲线。
图中：1、第一电容加载耦合双线，11、第一耦合双线，12、第二耦合双线，13、第三耦合双线，14、第四耦合双线，15、第一跨接电容，16、第二跨接电容，17、第三跨接电容，18、第四跨接电容，2、短路线加载可调负载，21、第一短路线加载可调负载，211、第一变容二极管，212、第二变容二极管，213、第一终端短路线，22、第二短路线加载可调负载，3、第一输入/输出50欧姆传输线，31、第一传输线，32、第二传输线。4、第二电容加载耦合双线，5、短路线加载固定负载，51、第一短路线加载固定负载，511、电感元件，512、第二终端短路线，52、第二短路线加载固定负载，6、第二输入/输出50欧姆传输线，61、第三传输线，62、第四传输线。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明进一步详细描述。应该理解，这些描述只是示例性的，并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。
图1为本发明一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器结构示意图，本实例的可调差分移相器可以包括：具体方案为：相位可调反射型移相器和相位固定反射型移相器。
进一步地，所述相位可调反射型移相器作为主通路，包括第一电容加载耦合双线1、短路线加载可调负载2和第一输入/输出50欧姆传输线3。
进一步地，所述第一电容加载耦合双线1包括第一耦合双线11、第二耦合双线12、第三耦合双线13、第四耦合双线14、第一跨接电容15、第二跨接电容16、第三跨接电容17和第四跨接电容18；
进一步地，所述第一耦合双线11、第二耦合双线12、第三耦合双线13、第四耦合双线14依次连接且尺寸相同；所述第一跨接电容15位于第一耦合双线11左端、第二跨接电容16位于第一耦合双线11右端、第三跨接电容17位于第四耦合双线14左端、所述第四跨接电容18位于第四耦合双线14右端；
进一步地，所述短路线加载可调负载2包括结构相同的第一短路线加载可调负载21和第二短路线加载可调负载22；所述第一短路线加载可调负载21与第一电容加载耦合双线1的左下端连接；所述第二短路线加载可调负载22与第一电容加载耦合双线1的右下端连接；
进一步地，所述第一短路线加载可调负载21包括第一变容二极管211、第二变容二极管212和第一终端短路线213；所述第一变容二极管211的负极、第二变容二极管212的负极、第一终端短路线213上端相互连接；所述第一变容二极管211的正极、第二变容二极管212的正极、第一终端短路线213下端接地；
进一步地，所述第一输入/输出50欧姆传输线3包括第一传输线31和第二传输线32；所述第一传输线31的左端与端口1连接、右端与第一电容加载耦合双线1的左上端连接；所述第二传输线32的右端与端口2连接、左端与第一电容加载耦合双线1的右上端连接；
进一步地，所述相位固定反射型移相器作为参考通路，包括第二电容加载耦合双线4、短路线加载固定负载5和第二输入/输出50欧姆传输线6；
进一步地，所述第二电容加载耦合双线4的结构与第一电容加载耦合双线1的结构相同；所述短路线加载固定负载5包括结构相同的第一短路线加载固定负载51和第二短路线加载固定负载52；所述第一短路线加载固定负载51与第二电容加载耦合双线4的左下端连接；所述第二短路线加载固定负载52与第二电容加载耦合双线4的右下端连接；
进一步地，所述第一短路线加载固定负载51包括电感元件511和第二终端短路线512；所述电感元件511的右端与第二终端短路线512的上端连接；所述电感元件511的左端与第二终端短路线512的下端接地；
进一步地，所述第二输入/输出50欧姆传输线6包括第三传输线61和第四传输线62；所述第三传输线61的左端与端口3连接、右端与第二电容加载耦合双线4的左上端连接；所述第四传输线62的右端与端口4连接、左端与第二电容加载耦合双线4的右上端连接；
进一步地，所述第一耦合双线11、第二耦合双线12、第三耦合双线13、第四耦合双线14的尺寸相同；所述第一跨接电容15与第四跨接电容18容值相同；所述第二跨接电容16与第三跨接电容17容值相同；所述第一变容二极管211、第二变容二极管212的型号及供电电压相同；所述第一终端短路线213和第二终端短路线512的尺寸不同；
进一步地，通过调节所述第一变容二极管211和第二变容二极管212的供电电压，改变所述差分移相器的相位，获得平坦的相位差。
进一步地，所述第一变容二极管211和第二变容二极管212容值的调节范围受限于所述第一终端短路线213的阻抗和电长度。
由图2可以计算整个电路的反射系数，得到本发明中差分可调移相器的设计公式，求解步骤如下：
步骤1：对相位可调反射型移相器进行分析。如图2(a)和(b)可知，从第一电容加载耦合双线1的左下端和右下端看进去的阻抗均为Z0、短路线加载可调负载2的端口阻抗设置为ZL1。ZL1可视为ZⅠ、ZII、ZIII三个阻抗的并联。其中ZⅠ是第一终端短路线213的等效阻抗、ZII是第一变容二极管211的等效阻抗、ZⅢ是第二变容二极管212的等效阻抗。将第一终端短路线213的电长度设置为θ1、阻抗设置为Z0，则ZⅠ＝jZ0 tan(θ1)。由于第一变容二极管211和第二变容二极管212可等效为寄生电阻Rs和可变电容CV的串联,则
Figure GDA0004189473950000061
其中，f为中心频率。
步骤2：将短路线加载可调负载2的阻抗ZL1和从第一电容加载耦合双线1的左下端和右下端看进去的阻抗Z0带入反射系数表达式
Figure GDA0004189473950000062
中，可得相位可调反射型移相器的相移为/>
Figure GDA0004189473950000063
插入损耗为
Figure GDA0004189473950000064
其中T1＝Z0(1-2πfCvRscotθ1)；
T2＝Z0(2πfCvRS-4πfCvZ0+cotθ1)；
T3＝Z0(1+2πfCvRscotθ1)；
T4＝Z0(2πfCvRS+4πfCvZ1-cotθ1)；
步骤3：对相位固定反射型移相器进行分析。如图2(a)和(c)可知，从第二电容加载耦合双线4的左下端和右下端看进去的阻抗均为Z0、短路线加载固定负载5的端口阻抗设置为ZL2，且
Figure GDA0004189473950000065
其中，L1为电感元件511的感值，Z2是第二终端短路线512的特性阻抗，θ2为第二终端短路线512的电长度。
步骤4：将短路线加载固定负载5的阻抗ZL2和从第一电容加载耦合双线1的左下端和右下端看进去的阻抗Z0带入反射系数表达式
Figure GDA0004189473950000066
中，得到相位固定反射型移相器的相移为/>
Figure GDA0004189473950000067
插入损耗为|S34|＝|Γ2|2＝1；
步骤5：将相位固定反射型移相器的相移减去相位可调反射型移相器的相移，得到该差分移相器的相位差Δφ为|φ2-φ1|。
步骤6：根据差分移相器相位差Δφ和相位可调反射型移相器插入损耗|S21|的表达式，画出当第一终端短路线213电长度θ1取不同值时，Δφ和|S21|随第一变容二极管211和第二变容二极管212的电容值CV的变化曲线。选取适合的θ1的取值，确保Δφ最大、|S21|最小。
步骤7：确定第一终端短路线213的电长度θ1后，画出电感元件512的感值L1、第二终端短路线512的特性阻抗Z2和电长度θ2取值不同时，差分移相器相位带宽随频率的变化曲线。选取适合的电路参数，确保相位带宽最宽、相位曲线最平坦。
在本发明的具体实施例中，该差分移相器的中心频率为2.0GHz，电容加载耦合双线耦合度为3dB。根据上述设计公式和求解步骤，可以得到该实施例的电路参数的数值，如表1所示
表1该实施例的具体电路参数数值
Figure GDA0004189473950000071
根据表1该实施例所得的阻抗值、电长度以及集总电容值，设计本发明基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器。
本实施例采用的技术指标如下：
中心频率：2.0GHz；
实现可调相移：。>180°；
带内回波损耗：>10dB。
插入损耗：<2dB
相位带宽：>10％
输出相位误差：<10°
如图3所示，本发明提出的基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器在示例中心频率2.0GHz处，当电压值从0V调节到20V，此时电容的变化范围为0.35pF～3.2pF时，相移可以达到251°；输出相位误差小于10°的频率范围为1.85GHz～2.13GHz(14％)。如图4所示,在调谐过程中，|S11|≤-10dB带宽为1.75GHz～2.15GHz(20％)，并且在中心频率处回波损耗始终大于16.5dB。由图5可以看出，在中心频率处，插入损耗最大值为1.5dB，且在整个工作频段，插入损耗始终小于2.4dB。说明本发明提出的可调差分移相器具有宽平稳相移范围、较宽的带宽和良好的回波损耗以及插入损耗。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器，其特征在于包括：相位可调反射型移相器和相位固定反射型移相器；
所述相位可调反射型移相器作为主通路，包括第一电容加载耦合双线(1)、短路线加载可调负载(2)和第一输入输出50欧姆传输线(3)；
所述第一电容加载耦合双线(1)包括第一耦合双线(11)、第二耦合双线(12)、第三耦合双线(13)、第四耦合双线(14)、第一跨接电容(15)、第二跨接电容(16)、第三跨接电容(17)和第四跨接电容(18)；所述第一耦合双线(11)、第二耦合双线(12)、第三耦合双线(13)、第四耦合双线(14)依次连接且尺寸相同；所述第一跨接电容(15)位于第一耦合双线(11)左端、第二跨接电容(16)位于第一耦合双线(11)右端、第三跨接电容(17)位于第四耦合双线(14)左端、所述第四跨接电容(18)位于第四耦合双线(14)右端；
所述短路线加载可调负载(2)包括结构相同的第一短路线加载可调负载(21)和第二短路线加载可调负载(22)；所述第一短路线加载可调负载(21)与第一电容加载耦合双线(1)的左下端连接；所述第二短路线加载可调负载(22)与第一电容加载耦合双线(1)的右下端连接；所述第一短路线加载可调负载(21)包括第一变容二极管(211)、第二变容二极管(212)和第一终端短路线(213)；所述第一变容二极管(211)的负极、第二变容二极管(212)的负极、第一终端短路线(213)上端相互连接；所述第一变容二极管(211)的正极、第二变容二极管(212)的正极、第一终端短路线(213)下端接地；
所述第一输入输出50欧姆传输线(3)包括第一传输线(31)和第二传输线(32)；所述第一传输线(31)的左端与端口1连接、第一传输线(31)的右端与第一电容加载耦合双线(1)的左上端连接，所述第二传输线(32)的右端与端口2连接、第二传输线(32)的左端与第一电容加载耦合双线(1)的右上端连接；
所述相位固定反射型移相器作为参考通路，包括第二电容加载耦合双线(4)、短路线加载固定负载(5)和第二输入输出50欧姆传输线(6)；所述第二电容加载耦合双线(4)的结构与第一电容加载耦合双线(1)的结构相同；所述短路线加载固定负载(5)包括结构相同的第一短路线加载固定负载(51)和第二短路线加载固定负载(52)；所述第一短路线加载固定负载(51)与第二电容加载耦合双线(4)的左下端连接；所述第二短路线加载固定负载(52)与第二电容加载耦合双线(4)的右下端连接；所述第一短路线加载固定负载(51)包括电感元件(511)和第二终端短路线(512)；所述电感元件(511)的右端与第二终端短路线(512)的上端连接；所述电感元件(511)的左端与第二终端短路线(512)的下端接地；
所述第二输入输出50欧姆传输线(6)包括第三传输线(61)和第四传输线(62)；所述第三传输线(61)的左端与端口3连接、右端与第二电容加载耦合双线(4)的左上端连接；所述第四传输线(62)的右端与端口4连接、左端与第二电容加载耦合双线(4)的右上端连接。
2.根据权利要求1所述的基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器，其特征在于：所述第一耦合双线(11)、第二耦合双线(12)、第三耦合双线(13)、第四耦合双线(14)的尺寸相同；所述第一跨接电容(15)与第四跨接电容(18)容值相同；所述第二跨接电容(16)与第三跨接电容(17)的容值相同；所述第一变容二极管(211)、第二变容二极管(212)的型号及供电电压相同；所述第一终端短路线(213)和第二终端短路线(512)的尺寸不同。
3.根据权利要求1所述的基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器，其特征在于：通过调节所述第一变容二极管(211)和第二变容二极管(212)的供电电压，改变所述差分移相器的相位获得平坦的相位差。
4.根据权利要求1所述的基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器，其特征在于：所述第一变容二极管(211)和第二变容二极管(212)容值的调节范围受限于所述第一终端短路线(213)的阻抗和电长度。
5.一种如权利要求1-4任意所述的基于电容加载耦合双线的紧凑型可调差分移相器的设计方法，包括以下步骤：
S1：对相位可调反射型移相器进行分析：从第一电容加载耦合双线(1)的左下端和右下端看进去的阻抗均为Z0、短路线加载可调负载(2)的端口阻抗设置为ZL1，ZL1视为ZI、ZⅡ、ZⅡI三个阻抗的并联，其中ZI是第一终端短路线(213)的等效阻抗，ZⅡ是第一变容二极管(211)的等效阻抗，ZⅢ是第二变容二极管(212)的等效阻抗；将第一终端短路线(213)的电长度设置为θ1、阻抗设置为Z0，则ZI＝jZ0 tan(θ1)，由于第一变容二极管(211)和第二变容二极管(212)可等效为寄生电阻Rs和可变电容CV的串联,则
Figure FDA0004194760910000031
其中f为中心频率；
S2：将短路线加载可调负载(2)的阻抗ZL1和从第一电容加载耦合双线(1)的左下端和右下端看进去的阻抗Z0带入反射系数表达式
Figure FDA0004194760910000032
中，获得相位可调反射型移相器的相移为/>
Figure FDA0004194760910000033
插入损耗为|S21|＝|Γ1|2＝(T1T3+T2T4)2+(T2T3-T1T4)2/(T3 2+T4 2)2；
其中T1＝Z0(1-2πfCvRscotθ1)；
T2＝Z0(2πfCvRS-4πfCvZ0+cotθ1)；
T3＝Z0(1+2πfCvRscotθ1)；
T4＝Z0(2πfCvRS+4πfCvZ1-cotθ1)；
S3：对相位固定反射型移相器进行分析:从第二电容加载耦合双线(4)的左下端和右下端看进去的阻抗均为Z0、短路线加载固定负载(5)的端口阻抗设置为ZL2，且
Figure FDA0004194760910000034
其中L1为电感元件(511)的感值，Z2是第二终端短路线(512)的特性阻抗，θ2为第二终端短路线(512)的电长度；
S4：将短路线加载固定负载(5)的阻抗ZL2和从第一电容加载耦合双线(1)的左下端和右下端看进去的阻抗Z0带入反射系数表达式
Figure FDA0004194760910000035
中，得到相位固定反射型移相器的相移为/>
Figure FDA0004194760910000036
插入损耗为|S34|＝|Γ2|2＝1；
S5：将相位固定反射型移相器的相移减去相位可调反射型移相器的相移，得到该差分移相器的相位差Δφ为|φ2-φ1|；
S6：根据差分移相器相位差Δφ和相位可调反射型移相器插入损耗|S21|的表达式，获得当第一终端短路线(213)电长度θ1取不同值时，Δφ和|S21|随第一变容二极管(211)和第二变容二极管(212)的电容值CV的变化曲线，选取适合的θ1的取值，确保Δφ最大、|S21|最小；
S7：确定第一终端短路线(213)的电长度θ1后，画出电感元件(511)的感值L1、第二终端短路线(512)的特性阻抗Z2和电长度θ2取值不同时、差分移相器相位带宽随频率的变化曲线，选取适合的电路参数，确保相位带宽最宽、相位曲线最平坦。
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用于智能天线测试的低成本可调功分移相电路设计;李婵娟等;电子测量技术;第39卷(第4期);101-104 *

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