CN115967369A - 一种基于带通滤波网络的超宽带移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带通滤波网络的超宽带移相器，包括第一～第二单刀双掷开关、参考态网络模块和移相态网络模块；参考态网络由多个T型带通滤波网络单元级联而成，移相态网络由多个改进型的磁耦合全通网络单元级联而成；第一单刀双掷开关输入端接移相器输入端口，第一输出端连接参考态网络模块输入端，第二输出端连接移相态网络模块输入端；第二单刀双掷开关输入端接移相器输出端口，第一输出端连接参考态网络模块输出端，第二输出端连接移相态网络模块输出端；通过第一～第二单刀双掷开关在参考态和移相态之间的进行信号通路切换，实现移相功能。本发明的移相器能覆盖9个倍频程以上的带宽，具有损耗小，占用面积少，移相角度大的优点。

Description

一种基于带通滤波网络的超宽带移相器

技术领域

本发明涉及移相器，尤其涉及一种基于带通滤波网络的超宽带移相器。

背景技术

近年来，通信及探测技术迅速发展，相控阵天线作为通信及探测的关键设备，所需带宽越来越宽，体积越来越小。移相器是相控阵天线及微波无线通讯系统中的关键元件之一，其工作带宽和体积直接制约着相控阵天线的性能，所以，探索更宽带宽，更低损耗，更小面积的移相器对提升相控阵系统的集成度有重要作用。

目前，实现单片集成的实现超宽带移相器的方法主要有有源和无源两种。有源方法功率线性度受限，且功耗较大，难以应用在对线性度要求较高的场合。无源方法有反射式和开关式两种。反射式的移相器损耗小，但带宽受限。开关切换式可采用全通网络实现超宽带。中国专利申请公开号CN 112271419A提出采用了磁耦合的全通网络结构实现的超宽带移相器，但需要多个全通或高低通网络结构级联实现180°移相，电路面积仍然较大，且损耗较高。中国专利申请公开号CN111082765A提出了可以覆盖九个倍频程的两位有源移相器，采用了差分放大器和有源巴伦结构，但由于采用了RC网络，功耗较大，且功率线性度会有较大限制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种具有移相带宽宽、损耗小、占用面积少、移相角度大的基于带通滤波网络的超宽带移相器。

技术方案：本发明的超宽带移相器，包括第一～第二单刀双掷开关、参考态网络模块和移相态网络模块；第一单刀双掷开关输入端接移相器输入端口，第一输出端连接参考态网络模块输入端，第二输出端连接移相态网络模块输入端；第二单刀双掷开关输入端接移相器输出端口，第一输出端连接参考态网络模块输出端，第二输出端连接移相态网络模块输出端；

通过第一～第二单刀双掷开关在参考态和移相态之间的切换，实现移相功能。

进一步，所述参考态网络模块为多个T型带通滤波单元级联组成，T型带通滤波单元的数量根据带宽需要增加或减少；

所述T型带通滤波单元由第一～第二串联网络和第一并联网络组成；第一～第二串联网络依序串联相接后，首尾两端分别与该T型带通滤波单元的输入端和输出端连接，第一并联网络第一端接入第一～第二串联网络之间的公共端点，另一端接地。

进一步，所述第一～第二串联网络为电感电容串联网络；所述第一并联网络为电感电容并联网络。

进一步，所述移相态网络模块由磁耦合网络基础上改进的带通滤波单元组成，所述带通滤波单元包括第三～第四串联网络、第二并联网络、第一～第二电感和第一电容；

所述第三串联网络的第一端连接带通滤波单元输入端口，第三串联网络第二端连接第一螺旋电感第一端；所述第四串联网络的第一端连接带通滤波单元输出端口，第四串联网络第二端连接第二螺旋电感第一端；所述第一螺旋电感与第二螺旋电感相互缠绕，形成负的互感系数，第一螺旋电感第二端与第二螺旋电感第二端相连，作为第三公共端口；所述第一电容串联在第一螺旋电感第一端和第二螺旋电感第一端之间，所述第二并联网络第一端连接第三公共端口，第二并联网络另一端接地。

进一步，所述第三～第四串联网络为电感电容串联网络；所述第二并联网络为电感电容并联网络。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明利用可拓展的T型滤波网络单元和全通网络单元结构，实现了不同带宽要求下结构的灵活变化，具有移相带宽宽，损耗小，占用面积少，移相角度大的特点；同时，采用无源结构，具备较高的功率线性度；

2、本发明通过电感电容带通网络与磁耦合网络的结合，使移相电路比单独使用磁耦合网络损耗降低，同时带宽进一步展宽，最宽可实现9个倍频程以上的频段；

3、本发明电路中的带通滤波单元的数量可根据带宽需求进行增加或者减少，结构灵活，设计方便，有利于电路的小型化设计，适用于工程实践。

附图说明

图1(a)为本发明的总电路原理图,

图1(b)为本发明的参考态网络模块电路原理图，

图1(c)为本发明的移相态网络模块电路原理图；

图2为本发明中实施例一的电路示意图；

图3为本发明中实施例二的电路示意图；

图4为本发明中实施例三的电路示意图；

图5为本发明中实施例二的输入输出驻波比仿真结果图；

图6为本发明中实施例二的参考态和移向态插入损耗仿真结果图；

图7为本发明中实施例二的移相精度的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图1(a)所示，本发明的超宽带移相器包括第一～第二单刀双掷开关SPDT1～SPDT2、参考态网络模块和移相态网络模块。第一单刀双掷开关SPDT1输入端接移相器输入端口，第一输出端连接参考态网络模块输入端，第二输出端连接移相态网络模块输入端；第二单刀双掷开关SPDT2输入端接移相器输出端口，第一输出端连接参考态网络模块输出端，第二输出端连接移相态网络模块输出端。通过第一～第二单刀双掷开关SPDT1～SPDT2在参考态和移相态两种状态间的切换，实现移相功能。

如图1(a)所示，参考态网络模块为多个T型带通滤波单元PSA级联组成，T型带通滤波单元PSA的数量可根据带宽需要增加或减小。如图1(b)所示，T型带通滤波单元PSA由第一～第二串联网络A1～A2和第一并联网络B1组成，第一～第二串联网络A1～A2依序串联相接，左右两端分别与单元输入端和输出端连接，第一并联网络B1第一端接入第一～第二串联网络A1～A2之间的公共端点，另一端接地。

第一～第二串联网络A1～A2由电感电容串联组成，第一并联网络B1由电感电容并联组成。这种电感电容并联或者串联连接方式，比单一使用电感或者电容可以产生更宽的频率通带，同时与移相态网络也可以形成更多的相位差变化率零点，可有效提高移相精度。

如图1(a)所示，移相态网络模块由多个磁耦合全通网络基础上改进的带通滤波单元PSB级联组成，单元数量可根据带宽需要增加或者减少。如图1(c)所示，带通滤波单元PSB包括第三～第四串联网络A3～A4、第二并联网络B2、第一～第二电感L1～L2和第一电容C1。第三串联网络A3的第一端连接带通滤波单元PSB输入端口，第三串联网络A3第二端连接第一螺旋电感L1第一端；第四串联网络A4的第一端连接带通滤波单元PSB输出端口，第四串联网络A4第二端连接第二螺旋电感L2第一端；第一螺旋电感L1与第二螺旋电感L2相互缠绕，形成负的互感系数，第一螺旋电感L1第二端与第二螺旋电感L2第二端相连，作为二者的公共端口；第一电容C1串联在第一螺旋电感L1第一端和第二螺旋电感L2第一端之间，第二并联网络B2第一端连接第一螺旋电感L1与第二螺旋电感L2的公共端口，第二并联网络B2另一端接地。

第三～第四串联网络A3～A4由电感电容串联组成，第二并联网络B2由电感电容并联组成。受电路寄生参数的影响，传统的磁耦合全通网络在实际使用时常表现为带通特性，使用带宽受到限制，串联网络A3～A4和并联网络B2的使用可以进一步拓展全通网络的带宽，使移相器有更宽的通带响应特性。

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。

实施例一

如图2所示，本实施例的超宽移相器，包括第三～第四单刀双掷开关SPDT3～SPDT4，第一参考态网络和第一移相态网络。第三～第四单刀双掷开关SPDT3～SPDT4负责对移相状态进行切换。

第一参考态网络仅由一个T型带通滤波单元PSA0组成，包括第一～第二串联电感LA1～LA2和第一～第二串联电容CA1～CA2，第一并联电感LB1和第一并联电容CB1。

第一串联电感LA1第一端连接第一参考态网络输入端、第二端连接第一串联电容CA1第一端；第二串联电感LA2第一端连接第一参考态网络输出端、第二端连接第二串联电容CA2第一端；第一串联电容CA1第二端与第二串联电容CA2第二端相连；第一并联电感LB1和第一并联电容CB1并联相接，所形成的第一公共端口连接第一串联电容CA1和第二串联电容CA2的公共端，第二公共端口接地。

第一移相态网络仅由一个带通网络单元PSB0组成，包括第三串联电容CA3、第四串联电容CA4、第二并联电容CB2、第一～第二螺旋电感L1～L2和第一电容C1。

第三串联电容CA3的第一端连接第一移相态网络输入端口，第三串联电容CA3第二端连接第一螺旋电感L1第一端；所述第四串联电容CA4的第一端连接第一移相态网络输出端口，第四串联电容CA4第二端连接第二螺旋电感L2第一端；所述第一螺旋电感L1与第二螺旋电感L2相互缠绕，形成负的互感系数，第一螺旋电感L1第二端与第二螺旋电感L2第二端相连，作为第一公共端口；所述第一电容C1串联在第一螺旋电感L1第一端和第二螺旋电感L2第一端之间，第二并联电容CB2第一端连接第一公共端口，第二并联电容CB2另一端接地。

本实施例中的第三串联电容CA3、第四串联电容CA4、第二并联电容CB2分别对应图1(c)中的串联网络A3、串联网络A4和并联网络B2，可视为原电感电容串联和电感电容并联方式的简化，在带宽要求不太宽的情况下，这种结构可减小电路面积。本实施例可实现3～4个倍频程的大角度(90°或者180°)移相位移相，具有面积小，损耗低的特点。

实施例二

本实施例提供的基于带通滤波网络的超宽移相器，可实现最宽达9个倍频程的移相功能。其结构包括第五～第六单刀双掷开关SPDT5～SPDT6，第二参考态网络和第二移相态网络。

如图3所示，第二参考态网络包括四个T型滤波网络PSA1～PSA4(即四个串联网络)，四个串联网络按顺序串联在第二参考态网络输入输出端口之间。第一T型滤波网络PSA1包括第一零串联电感LA10，第一零并联电感LB10，第二零串联电感LA20和第一零串联电容CA10；第二滤波网络PSA2包括第二零串联电感LA20和第一零串联电容CA10，第二零并联电容CB20和第二零并联电感LB20，第三零串联电感LA30和第二零串联电容CA20；第三滤波网络PSA3包括第四零串联电感LA40和第二零串联电容CA20，第三零并联电容CB30和第三零并联电感LB30，第五零串联电感LA50和第三零串联电容CA30；第四滤波网络PSA4包括第五零串联电感LA50、第三零串联电容CA30、第四零并联电感LB40，第六零串联电感LA60。

第二零串联电感LA20和第一零串联电容CA10为第一T型滤波网络PSA1和第二T型滤波网络PSA2的公共组成部分；第二零串联电容CA20为第二T型滤波网络PSA2和第三T型滤波网络PSA3的公共组成部分；第五零串联电感LA50和第三零并联电容CA30为第三T型滤波网络PSA3和第四T型滤波网络PSA4的公共组成部分；公共组成部分形成的原因是第一～第四T型滤波网络PSA1～PSA4在原有的串联电感电容的基础上进行了合并简化。

属于第一T型滤波网络PSA1的第一零串联电感LA10和第一零并联电感LB10可视为实施方案所描述的电感电容串联方式和电感电容并联方式的简化；属于第四T型滤波网络PSA4的第四零并联电感LB40、第六零串联电感LA60也视为相同方式的简化。在保证带宽的前提下，对部分电路进行简化，减少元件数量，可缩减电路面积。

作为具体示例的，结合图3，元件连接顺序为：第二参考态网络从输入端依次串联第一零串联电感LA10、第二零串联电感LA20、第一零串联电容CA10、第三零串联电感LA30、第二零串联电容CA20、第四零串联电感LA40、第三零串联电容CA30、第五零串联电感LA50、第六零串联电感LA60，第六零串联电感LA60另一端连接第二参考态网络输出端。第一零并联电感LB10第一端连接在第一零串联电感LA10和第二零串联电感LA20之间的公共端，第二端接地；第二零并联电容CB20和第二零并联电感LB20并联相接后，所形成的第一公共端连接第一零串联电容CA10和第三零串联电感LA30的公共端，第二公共端接地；第三零并联电容CB30和第三零并联电感LB30并联相接，所形成的第一公共端连接第四零串联电感LA40和第三零串联电容CA30的公共端，第二公共端接地；第四零并联电感LB40第一端连接第五零串联电感LA50和第六零串联电感LA60的公共端，第二端接地。

如图3所示，第二移相态网络仅有一个带通滤波单元PSB1，包括第七零串联电感LA70、第四零串联电容CA40、第一零～第二零螺旋电感L10～L20、第一零电容C10、第三零并联电容CB30、第五零并联电感LB50、第五零串联电容CA50和第八零串联电感LA80。

第七零串联电感LA70的第一端连接第二移相态网络输入端口，第二端连接第四零串联电容CA40第一端，第四零串联电容CA40第二端连接第一零螺旋电感L10第一端；第八零串联电感LA80的第一端连接第二移相态网络输出端口，第二端连接第五零串联电容CA50第一端；第五零串联电容CA50第二端连接第二零螺旋电感L20第一端；所述第一零螺旋电感L10与第二零螺旋电感L20相互缠绕，形成负的互感系数，第一零螺旋电感L10第二端与第二零螺旋电感L20第二端相连；所述第一零电容C10串联在第一零螺旋电感L10第一端和第二零螺旋电感L20第一端之间；第五零并联电容CB50和第五零并联电感LB50并联相接，形成的两个公共端，第一公共端连接第一零螺旋电感L10与第二零螺旋电感L20的公共端口，第二公共端接地。

如图5～7所示，分别为实施例二的输入输出电压驻波比、插入损耗和相位差的仿真结果。由图可看出，在设定工作频率2GHz～18GHz九个倍频程范围内，移相器的移相误差在3.5°以内，插入损耗小于3.2dB，寄生调幅小于0.25dB，输入输出电压驻波比小于1.35。由此可见，本发明所提出结构可以实现覆盖9个倍频程的带宽，并保持较低的损耗和较好的匹配效果。

实施例三

如图4所示，在实施例二的基础上，进行了部分结构变化，可适应至9个倍频程以上的移相器设计需求。第三参考态网络包括四个T型滤波网络PSA31～PSA34，四个串联网络按顺序串联在第三参考态网络输入输出端口之间。与实施例二相比，实施例三仅在第五T型滤波网络PSA31和第八T型滤波网络PSA34中有结构区别，具体表现在，第五T型滤波网络PSA31和第八T型滤波网络PSA34的并联到地电路部分分别增加了一个并联电容(CB10和CB40)，串联电路部分别增加了一个串联电容(CA10和CA50)，连接在参考态网络的输入和输出端。实施例三中的参考态网络中其他元件及连接方式与实施例二相同。增加的元件部分可增加移相电路的谐振单元数量，进一步拓宽带宽。

如图4所示，第三移相器态网络由两个滤波网络PSB31和PSB32顺序级联而成，第二滤波网络PSB31、第三滤波网络PSB32的电路结构与实施二中的带通滤波单元PSB1结构基本相同，区别之处在于：第二滤波网络PSB31和第三滤波网络PSB32连接部分的串联电容合并为第七零串联电容CA70，连接在第八零串联电感LA80和第九零串联电感LA90之间。两个滤波网络级联的布局方式与单一滤波网络单元相比，每个单元的耦合电感值可以减小，这种连接方式可更方便电路布局。

Claims (5)

1.一种基于带通滤波网络的超宽带移相器，其特征在于，包括第一～第二单刀双掷开关(SPDT1～SPDT2)、参考态网络模块和移相态网络模块；第一单刀双掷开关(SPDT1)输入端接移相器输入端口，第一输出端连接参考态网络模块输入端，第二输出端连接移相态网络模块输入端；第二单刀双掷开关(SPDT2)输入端接移相器输出端口，第一输出端连接参考态网络模块输出端，第二输出端连接移相态网络模块输出端；

通过第一～第二单刀双掷开关(SPDT1～SPDT2)在参考态和移相态之间的切换，实现移相功能。

2.根据权利要求1所述基于带通滤波网络的超宽带移相器，其特征在于，所述参考态网络模块为多个T型带通滤波单元(PSA)级联组成，T型带通滤波单元(PSA)单元的数量根据带宽需要增加或减少；

所述T型带通滤波单元(PSA)由第一～第二串联网络(A1～A2)和第一并联网络(B1)组成；第一～第二串联网络(A1～A2)依序串联相接后，首尾两端分别与该T型带通滤波单元的输入端和输出端连接，第一并联网络(B1)第一端接入第一～第二串联网络(A1～A2)之间的公共端点，另一端接地。

3.根据权利要求2所述基于带通滤波网络的超宽带移相器，其特征在于，所述第一～第二串联网络(A1～A2)为电感电容串联网络；所述第一并联网络(B1)为电感电容并联网络。

4.根据权利要求1所述基于带通滤波网络的超宽带移相器，其特征在于，所述移相态网络模块由磁耦合网络基础上改进的带通滤波单元(PSB)组成，所述带通滤波单元(PSB)包括第三～第四串联网络(A3～A4)、第二并联网络(B2)、第一～第二电感(L1～L2)和第一电容(C1)；

所述第三串联网络(A3)的第一端连接带通滤波单元(PSB)输入端口，第三串联网络(A3)第二端连接第一螺旋电感(L1)第一端；所述第四串联网络(A4)的第一端连接带通滤波单元(PSB)输出端口，第四串联网络(A4)第二端连接第二螺旋电感(L2)第一端；所述第一螺旋电感(L1)与第二螺旋电感(L2)相互缠绕，形成负的互感系数，第一螺旋电感(L1)第二端与第二螺旋电感(L2)第二端相连，作为第三公共端口；所述第一电容(C1)串联在第一螺旋电感(L1)第一端和第二螺旋电感(L2)第一端之间，所述第二并联网络(B2)第一端连接第三公共端口，第二并联网络(B2)另一端接地。

5.根据权利要求4所述基于带通滤波网络的超宽带移相器，其特征在于，所述第三～第四串联网络(A3～A4)为电感电容串联网络；所述第二并联网络(B2)为电感电容并联网络。

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