CN116455359B - 一种宽带数控延时线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频芯片技术领域，具体地说，涉及一种宽带数控延时线；通过设置第一延时单元，生成延时特性随频率增加而下降的第一延时信号；设置第二延时单元，生成延时特性随频率增加而上升的第二延时信号，并根据第二延时信号补偿第一延时信号，两部分的延时特性相互补偿后，得到一个宽带延时特性的延时线；在此基础上，增加频率监测控制单元和自适应宽带补偿单元，通过监测工作频率的变化，自适应调整延时单元中接入整个延时线芯片电容大小，从而补偿实际电路中电感的电感量随频率增加而变大的特性，抑制延时线工作频率偏移，显著提升了延时线的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及射频芯片技术领域，具体地说，涉及一种宽带数控延时线。
背景技术
宽带相控阵在工作时，天线扫描波束指向因孔径效应会随工作频率的变化而发生漂移，为了改善天线的频率响应，需要对指向漂移进行校正。
延时线可以使电磁波在两个端口间传输时延时一段恒定的时间，补偿不同频率引起的相位差，避免使用传统的移相器带来的波束倾斜效应。在现代宽带雷达系统中得到越来越广泛的应用。
延时线的实现方式有同轴电缆延时线、静磁波延时线、声表面波延时线等，这些延时线因体积大、损耗高、色散严重等原因限制了其应用范围。光纤延时线需要额外的光电器件及电源来实现电磁波和光波的相互转换，不便于集成。
虽然延时线已经提出很久，但是庞大的体积限制了其应用范围，采用微波传输线构建的小型化延时线芯片解决了该问题，具有稳定的延时量、抗干扰能力强等优点，广泛应用于小型化雷达系统中。
虽然如图1所示的传统微波传输线结构实现的延时线具有设计简单、易集成等优点，但其电磁波传播的相速度大于光速，要实现相同的时间延迟，仍需要较长的传输线。同时，微波传输线只能在中心频率满足理想状态，延时线性能会随着频率偏移而急剧恶化，这就极大地限制了延时线的宽带特性；越来越难以适应现代雷达系统对延时线宽带、紧凑、易集成且低损耗的要求。
发明内容
本发明针对现有微波传输线只能在中心频率满足理想状态，随着频率偏移急剧恶化、极大限制延时线的宽带特性的问题，提出一种宽带数控延时线，首先根据慢波传输线先设置基本数控延时线单元，通过设置第一延时单元，生成延时特性随频率增加而下降的第一延时信号；通过设置第二延时单元，生成延时特性随频率增加而上升的第二延时信号，并根据第二延时信号补偿第一延时信号，两部分的延时特性相互补偿后，得到一个宽带延时特性的延时线。
本发明具体实现内容如下：
一种宽带数控延时线，包括数控延时线单元；所述数控延时线单元包括依次连接的耦合器、单刀双掷射频开关SPDT1b、单刀双掷射频开关SPDT2b；所述数控延时线单元包括第一延时单元、第二延时单元；
所述第一延时单元的输入端的所述单刀双掷射频开关SPDT1b的输出端连接，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接；
所述第二延时单元的输出端与所述单刀双掷射频开关SPDT2b的输入端连接；
所述第一延时单元，用于生成延时特性随频率增加而下降的第一延时信号；
所述第二延时单元，用于生成延时特性随频率增加而上升的第二延时信号，并根据所述第二延时信号补偿所述第一延时信号，生成第三延时信号。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述宽带数控延时线还包括频率监测控制单元、自适应宽带补偿单元；
所述频率监测控制单元的输入端与所述耦合器的耦合端连接，所述频率检测控制单元的输出端与所述自适应宽带补偿单元的受控端连接；
所述自适应宽带补偿单元的输出端与所述第一延时单元的受控端连接；
所述频率监测控制单元，用于监测所述射频信号的信号频率，根据所述信号频率将所述射频信号转换为电压信号，并根据所述电压信号生成电压控制信号；
所述自适应宽带补偿单元，用于根据所述电压控制信号调节所述第一延时单元的电容，补偿所述第一延时信号的延时特性，抑制所述宽带数控延时线工作频率的偏移。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一延时单元包括电感L1b、电感L2b、电容C1b；
所述电感L1b的第一端与所述单刀双掷射频开关SPDT1b的输出端、所述电容C1b的输入端连接，所述电感L1b的第二端与所述电感L2b的第二端、所述自适应宽带补偿单元的输出端连接；
所述电感L2b的第一端与电容C1b的输出端、所述第二延时单元的输入端连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二延时单元包括电感L3b、电感L4b、电容C2b、电容C3b；
所述电容C2b的第一端与所述电容C1b的输出端、所述电感L3b的第一端连接，所述电容C2b的第二端与接地的所述电感L4b、所述电容C3b的第二端连接；
所述电容C3b的第一端与所述电感L3b的第二端、所述单刀双掷射频开关SPDT2b的输入端连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述频率监测控制单元包括窄带滤波器、检波器、运算放大器、第一电阻、第二电阻；
所述窄带滤波器的输入端与所述耦合器的耦合端连接，输出端与所述检波器的输入端连接；
所述运算放大器的负输入端与所述检波器的输出端连接，所述运算放大器的正输入端与所述第一电阻的输出端连接；
所述第一电阻的输入端与电源连接；所述第二电阻一端搭接在所述第一电阻的输出端与所述运算放大器的正输入端之间，另一端与地端连接；
所述频率监测控制单元设置为n个。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述自适应宽带补偿单元包括电容C1c、射频开关SW1c；
所述电容C1c的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述电容C1c的输出端与所述开关射频SW1c的输入端连接；
所述射频开关SW1c的输出端与所述电感L1b的第二端、电感L2b的第二端连接；
所述自适应宽带补偿单元设置为n个，与n个所述频率监测控制单元对应。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明根据慢波传输线具有陡峭的相位频率曲线的特点，采用慢波传输线先完成基本数控延时线单元设计，延时线单元中的核心延时部分由两部分构成，两部分的延时特性相互补偿后，可以得到一个宽带的延时特性。
（2）本发明在设计基本延时单元基础上，增加频率监测控制单元和自适应宽带补偿单元，通过监测工作频率的变化，自适应调整延时单元中接入整个延时线芯片电容大小，从而补偿实际电路中电感的电感量随频率增加而变大的特性，抑制延时线工作频率偏移，显著提升了延时线的工作带宽。
附图说明
图1为传统数控延时线电路结构示意图。
图2为本发明提供的一种宽带数控延时线电路结构示意图。
图3为本发明提供的自适应宽带补偿单元电路结构示意图。
图4为本发明提供的频率监测控制单元电路结构示意图。
图5为本发明与传统数控延时线延时特性随频率变化对比示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出一种宽带数控延时线，包括数控延时线单元；如图2所示，所述数控延时线单元包括依次连接的耦合器、单刀双掷射频开关SPDT1b、单刀双掷射频开关SPDT2b；所述数控延时线单元包括第一延时单元、第二延时单元；
所述第一延时单元的输入端的所述单刀双掷射频开关SPDT1b的输出端连接，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接；
所述第二延时单元的输出端与所述单刀双掷射频开关SPDT2b的输入端连接；
所述第一延时单元，用于生成延时特性随频率增加而下降的第一延时信号；
所述第二延时单元，用于生成延时特性随频率增加而上升的第二延时信号，并根据所述第二延时信号补偿所述第一延时信号，生成第三延时信号。
工作原理：由于慢波传输线具有陡峭的相位频率曲线，本实施例首先根据慢波传输线先设置基本数控延时线单元，通过设置第一延时单元，生成延时特性随频率增加而下降的第一延时信号；通过设置第二延时单元，生成延时特性随频率增加而上升的第二延时信号，然后根据第二延时信号补偿第一延时信号，两部分的延时特性相互补偿后，得到一个宽带延时特性的延时线。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，设置频率监测控制单元、自适应宽带补偿单元；
所述频率监测控制单元的输入端与所述耦合器的耦合端连接，所述频率检测控制单元的输出端与所述自适应宽带补偿单元的受控端连接；
所述自适应宽带补偿单元的输出端与所述第一延时单元的受控端连接；
所述频率监测控制单元，用于监测所述射频信号的信号频率，根据所述信号频率将所述射频信号转换为电压信号，并根据所述电压信号生成电压控制信号；
所述自适应宽带补偿单元，用于根据所述电压控制信号调节所述第一延时单元的电容，补偿所述第一延时信号的延时特性，抑制所述宽带数控延时线工作频率的偏移。
工作原理：本实施例在设计基本延时单元基础上，增加频率监测控制单元和自适应宽带补偿单元，通过监测工作频率的变化，自适应调整延时单元中接入整个延时线芯片电容大小，从而补偿实际电路中电感的电感量随频率增加而变大的特性，抑制延时线工作频率偏移，显著提升了延时线的工作带宽。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-实施例2任一项的基础上，如图3所示，以一个具体的实施例对数控延时线单元的具体结构进行说明。
如图2所示，所述数控延时线单元包括耦合器Coupler1b，单刀双掷射频开关SPDT1b、单刀双掷射频开关SPDT2b、电感L1b、电感L2b、电感L3b、电感L4b、电容C1b、电容C2b和电容C3b。信号输入端IN1b与耦合器Coupler1b输入端连接，耦合器Coupler1b直通端与单刀双掷射频开关SPDT1b输入端连接，单刀双掷射频开关SPDT1b的第一输出端与单刀双掷射频开关SPDT2b的第一输入端连接，单刀双掷射频开关SPDT1b的第二输出端与电感L1b第一端、电容C1b第一端连接在一起，电容C1b第二端与电感L2b第一端、电感L3b第一端、电容C2b第一端连接在一起，电容C2b第二端与电感L4b第一端、电容C3b第一端连接在一起，电感L4b第二端与地连接，电容C3b第二端与电感L3b第二端、单刀双掷射频开关SPDT2b的第二输入端连接，单刀双掷射频开关SPDT2b输出端与信号输出端OUT1b连接。
本实施例的其他部分与上述实施例1-实施例2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-实施例3任一项的基础上，如图3所示，以一个具体的实施例对自适应宽带补偿单元的具体结构进行说明。
所述自适应宽带补偿单元包括多个电容和多个射频开关；其中，多个电容包括电容C1c、电容C2c......电容Cnc；多个射频开关包括射频开关SW1c、射频开关SW2c......射频开关SWnc。信号输入端IN1c与电感L1b第二端、电感L2b第二端连接在一起，信号输入端IN1c与电容C1c第一端、电容C2c第一端......电容Cnc第一端连接在一起，电容C1c第二端与射频开关SW1c第一端连接，射频开关SW1c第二端与地连接；电容C2c第二端与射频开关SW2c第一端连接，射频开关SW2c第二端与地连接；电容Cnc第二端与射频开关SWnc第一端连接，射频开关SWnc第二端与地连接，n为大于或等于1的正整数。
本实施例的其他部分与上述实施例1-实施例3任一项相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例1-实施例4任一项的基础上，如图4所示，以一个具体的实施例对频率监测控制单元的具体结构进行说明。
所述频率监测与控制单元包括多个窄带滤波器、多个检波器、多个运算放大器和多个电阻，其中，包括窄带滤波器窄带滤波器BP1d、窄带滤波器BP2d......窄带滤波器BPnd；多个检波器包括检波器DET1d、检波器DET2d......检波器DETnd；多个运算放大器包括运算放大器AMP1d、运算放大器AMP2d......运算放大器AMPnd；多个电阻包括电阻R11d、电阻R12d、电阻R1nd，电阻R21d、电阻R22d......电阻R2nd。信号输入端IN1d与窄带滤波器BP1d输入端、窄带滤波器BP2d输入端......窄带滤波器BPnd输入端与在一起，电阻R11d第二端、电阻R12d第二端.....电阻R1nd第二端与电源VCC1d连接在一起，窄带滤波器BP1d输出端与检波器DET1d输入端连接，检波器DET1d输出端与运算放大器AMP1d负向输入端连接，运算放大器AMP1d正向输入端与电阻R11d第一端、电阻R21d第一端连接在一起，电阻R21d第二端与地连接，运算放大器AMP1d输出端与输出端OUT1d连接；窄带滤波器BP2d输出端与检波器DET2d输入端连接，检波器DET2d输出端与运算放大器AMP2d负向输入端连接，运算放大器AMP2d正向输入端与电阻R12d第一端、电阻R22d第一端连接在一起，电阻R22d第二端与地连接，运算放大器AMP2d输出端与输出端OUT2d连接；窄带滤波器BPnd输出端与检波器DETnd输入端连接，检波器DETnd输出端与运算放大器AMPnd负向输入端连接，运算放大器AMPnd正向输入端与电阻R1nd第一端、电阻R2nd第一端连接在一起，电阻R2nd第二端与地连接，运算放大器AMPnd输出端与输出端OUTnd连接。
本实施例的其他部分与上述实施例1-实施例4任一项相同，故不再赘述。
实施例6：
本实施例在上述实施例1-实施例5任一项的基础上，结合图1、图2、图3、图4、图5对宽带数控延时线的工作原理进行详细说明。
当数控延时线工作在参考态时，由外部提供使能信号，控制单刀双掷射频开关SPDT1b的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1b的第一输出端之间为导通态，单刀双掷射频开关SPDT1b的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1b的第二输出端之间为关断态；控制单刀双掷射频开关SPDT2b的第一输入端与单刀双掷射频开关SPDT2b的输出端之间为导通态，单刀双掷射频开关SPDT2b的第二输入端与单刀双掷射频开关SPDT2b的输出端之间为关断态：
此时，射频信号通过信号输入端IN1b进入宽带延时线后，首先进入耦合器Coupler1b的输入端，通过耦合器Coupler1b直通端后，进入单刀双掷射频开关SPDT1b输入端，先后经过单刀双掷射频开关SPDT1b的第一输出端、单刀双掷射频开关SPDT2b的第一输入端和单刀双掷射频开关SPDT2b的输出端后，由信号输出端OUT1b输出。
当数控延时线工作在延时态时，由外部提供使能信号，控制单刀双掷射频开关SPDT1b的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1b的第一输出端之间为关断态，单刀双掷射频开关SPDT1b的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1b的第二输出端之间为导通态；控制单刀双掷射频开关SPDT2b的第一输入端与单刀双掷射频开关SPDT2b的输出端之间为关断态，单刀双掷射频开关SPDT2b的第二输入端与单刀双掷射频开关SPDT2bb的输出端之间为导通态：
此时，射频信号通过信号输入端IN1b进入宽带延时线后，首先进入耦合器Coupler1b的输入端，通过耦合器Coupler1b直通端后，进入单刀双掷射频开关SPDT1b输入端，然后经过单刀双掷射频开关SPDT1b的第二输出端进入核心延时部分，将射频信号延时后，先后通过单刀双掷射频开关SPDT2b的第一输入端和单刀双掷射频开关SPDT2b的输出端，由信号输出端OUT1b输出。
核心延时部分由两部分构成，分别是：
（1）电感L1b、电感L2b、电容C1b和自适应宽带补偿单元组成的第一延时部分，其延
时特性随频率增加而呈下降趋势。
（2）电感L3b、电感L4b、电容C2b和电容C3b组成的第二延时部分，其延时特性随频率增加而呈上升趋势。
第一延时部分和第二延时部分相结合抵消，可以在宽带范围内得到良好的延时特性。
通过耦合器Coupler1b耦合端的射频信号进入频率监测与控制单元，根据工作频段设置n个窄带滤波器对信号频率进行鉴别，若窄带滤波器BP1d、窄带滤波器BP2d......窄带滤波器BPnd中与射频信号工作频段一致的窄带滤波器为BPmd，BPmd对信号呈现为低阻，同时窄带滤波器BP1d、窄带滤波器BP2d......窄带滤波器BPmd中除窄带滤波器BPmd外其它窄带滤波器对射频信号呈现为高阻。所以信号通过窄带滤波器为BPmd后进入检波器DETmd，检波器DETmd对信号进行检波后输出电压信号，经运算放大器AMPmd进行判别后，由输出端OUTmd输出电压控制信号，控制自适应宽带补偿单元中的射频开关SWmc导通，此时除SWmc导通外，射频开关SW1c、射频开关SW2c.......射频开关SWnc均为关断，此时接入延时线第一延时部分的电容值为Cmc，其中m≤n，m为大于或等于1的正整数。
在实际电路，电感的电感量随频率增加而变大，频率越是偏离设计频率，其实际电感量越偏离设计值，而第一延时部分的延时特性是由电感和电容的乘积共同决定的，所以通过控制第一延时部分电容的大小，减小电感和电容的乘积随频率的变化，抑制延时线对频率的敏感性，提高延时线的工作带宽。
图5为本实施例与传统数控延时线延时特性随频率变化对比示意图。△为传统数控延时线延时特性与频率之间的关系曲线，○为本实施例延时特性与频率之间的关系曲线。从图5可以看出，本实施例提供的宽带数控延时线与传统数控延时线相比较，本实施例提供的一种宽带数控延时线的延时特性曲线在宽带范围内，变化量更小，具备更好的宽带特性。
本实施例的其他部分与上述实施例1-实施例5任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种宽带数控延时线，包括数控延时线单元；所述数控延时线单元包括依次连接的耦合器、单刀双掷射频开关SPDT1b、单刀双掷射频开关SPDT2b；其特征在于，所述数控延时线单元包括第一延时单元、第二延时单元；
所述第一延时单元的输入端的所述单刀双掷射频开关SPDT1b的输出端连接，所述第一延时单元的输出端与所述第二延时单元的输入端连接；
所述第二延时单元的输出端与所述单刀双掷射频开关SPDT2b的输入端连接；
所述第一延时单元，用于生成延时特性随频率增加而下降的第一延时信号；
所述第二延时单元，用于生成延时特性随频率增加而上升的第二延时信号，并根据所述第二延时信号补偿所述第一延时信号，生成第三延时信号；
所述宽带数控延时线还包括频率监测控制单元、自适应宽带补偿单元；
所述频率监测控制单元的输入端与所述耦合器的耦合端连接，所述频率监测控制单元的输出端与所述自适应宽带补偿单元的受控端连接；
所述自适应宽带补偿单元的输出端与所述第一延时单元的受控端连接；
所述频率监测控制单元，用于监测射频信号的信号频率，根据所述信号频率将所述射频信号转换为电压信号，并根据所述电压信号生成电压控制信号；
所述自适应宽带补偿单元，用于根据所述电压控制信号调节所述第一延时单元的电容，补偿所述第一延时信号的延时特性，抑制所述宽带数控延时线工作频率的偏移；
所述第一延时单元包括电感L1b、电感L2b、电容C1b；
所述电感L1b的第一端与所述单刀双掷射频开关SPDT1b的输出端、所述电容C1b的输入端连接，所述电感L1b的第二端与所述电感L2b的第二端、所述自适应宽带补偿单元的输出端连接；
所述电感L2b的第一端与电容C1b的输出端、所述第二延时单元的输入端连接；
所述第二延时单元包括电感L3b、电感L4b、电容C2b、电容C3b；
所述电容C2b的第一端与所述电容C1b的输出端、所述电感L3b的第一端连接，所述电容C2b的第二端与接地的所述电感L4b、所述电容C3b的第二端连接；
所述电容C3b的第一端与所述电感L3b的第二端、所述单刀双掷射频开关SPDT2b的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带数控延时线，其特征在于，所述频率监测控制单元包括窄带滤波器、检波器、运算放大器、第一电阻、第二电阻；
所述窄带滤波器的输入端与所述耦合器的耦合端连接，输出端与所述检波器的输入端连接；
所述运算放大器的负输入端与所述检波器的输出端连接，所述运算放大器的正输入端与所述第一电阻的输出端连接；
所述第一电阻的输入端与电源连接；所述第二电阻一端搭接在所述第一电阻的输出端与所述运算放大器的正输入端之间，另一端与地端连接；
所述频率监测控制单元设置为n个。
3.根据权利要求2所述的一种宽带数控延时线，其特征在于，所述自适应宽带补偿单元包括电容C1c、射频开关SW1c；
所述电容C1c的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述电容C1c的输出端与所述射频开关SW1c的输入端连接；
所述射频开关SW1c的输出端与所述电感L1b的第二端、电感L2b的第二端连接；
所述自适应宽带补偿单元设置为n个，与n个所述频率监测控制单元对应。
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