CN117458101A - 一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，属于射频微波技术领域。本发明包括介质基板、位于介质基板下表面的金属地板、位于介质基板上表面的短路枝节加载线、两段微带延迟线、两段微带耦合线和两个射频开关控制器件；本发明所述移相器通过射频开关控制器件结合微带电路，通过控制电路参数在保证滤波性能的同时实现宽带内稳定的相位关系；通过改变耦合线和微带延迟线的电长度和各自的特征阻抗，可调节电路在两种状态下各自的通带宽度和插入损耗，并且相较于现有的滤波移相独立结构，尺寸显著减小。
Description
技术领域
本发明属于射频微波技术领域，具体涉及一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器。
背景技术
将多个无源器件集成在一起，即实现射频收发链路上单个器件的多功能已成为一种趋势。例如滤波器和天线的集成，滤波器和耦合器的集成，滤波器和移相器的集成等形成具有滤波特性的无源器件，有助于整个射频前端的小型化。
5G通信时代下，无线电通信技术最显著的特征包括更快的信息传输、更大的无线信道容量等方面，而这些离不开波束赋形、多天线等技术的发展和应用。在通信系统中保证天线振子数量不变的前提下，为减少收发通道数量常采用混合波束赋形，移相器接在滤波器与天线之间，在此场景下的移相器为尽量不对天线布局产生影响，所预留的设计空间有限，若将滤波器和移相器集成可以减少器件占用面积。然而现有技术的滤波移相结构中，滤波器和移相器的结合较为生硬，且移相的实现多采用两路彼此独立的开关线型结构，若在收发机所有通道中均采用此种结构仍会存在电路尺寸大的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，可实现具有良好的滤波移相性能。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，包括短路枝节加载线TL1、两段微带延迟线、两段微带耦合线、两个射频开关控制器件、金属地板和介质基板；金属地板位于介质基板的下表面，短路枝节加载线TL1、两段微带延迟线、两段微带耦合线和两个射频开关控制器件位于介质基板的上表面；
第一微带耦合线CL1的输入端作为电路输入端，耦合端分别连接第一微带延迟线TL2的一端和第二射频开关控制器件Switch2的正极；第一微带延迟线TL2的另一端分别连接至第一射频开关控制器件Switch1的正极和第二微带延迟线TL3的一端；第一射频开关控制器件Switch1的负极连接至短路枝节加载线TL1的一端，短路枝节加载线TL1的另一端通过金属化通孔连接至金属地板；第二射频开关控制器件Switch2的负极分别连接第二微带延迟线TL3的另一端和第二微带耦合线CL2的输入端，第二微带耦合线CL2的耦合端作为电路输出端。
进一步的，第一微带耦合线CL1和第二微带耦合线CL2的结构相同，对称放置，由两段相互耦合的微带线组成，直通端和隔离段开路，形成终端开路微带耦合线。
进一步的，第一微带延迟线TL2和第二微带延迟线TL3的特征阻抗相等，短路枝节加载线TL1的特征阻抗为第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3的特征阻抗的一半，/表示或；第一微带延迟线TL2、第二微带延迟线TL3和短路枝节加载线TL1的电长度相等，第一微带耦合线CL1和第二微带耦合线CL2的电长度为第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3/短路枝节加载线TL1电长度的两倍；第一微带耦合线CL1和第二微带耦合线CL2的电长度为中心频率对应的四分之一波长。
进一步的，第一射频开关控制器件Switch1和第二射频开关控制器件Switch2同时截止对应于电路状态1；射频信号从电路输入端输入至移相器电路后，依次流经第一微带耦合线CL1、第一微带延迟线TL2、第二微带延迟线TL3和第二微带耦合线CL2后，经电路输出端输出；在电路状态1下，第一微带延迟线TL2、第二微带延迟线TL3、第一微带耦合线CL1和第一微带耦合线CL2的上半部分微带线串联形成第一SIR结构，移相器电路结构等效于由位于电路输入输出端的耦合馈电结构和第一SIR结构组成，形成了基于多模谐振器的宽带滤波器电路。
第一射频开关控制器件Switch1和第二射频开关控制器件Switch2同时导通对应于电路状态2，短路枝节加载线TL1、第一射频开关控制器件Switch1、第二射频开关控制器件Switch2、第一微带延迟线TL2和第二微带延迟线TL3形成T型回路；射频信号从电路输入端输入至移相器电路后，依次流经第一微带耦合线CL1、T型回路和第二微带耦合线CL2后，经电路输出端输出；在电路状态2下，T型回路整体等效于一段新的短路枝节加载线，与原短路枝节加载线TL1相比，其特征阻抗与TL1的特征阻抗相等，其电长度为TL1的电长度的两倍，并联在第一微带耦合线CL1和第一微带耦合线CL2的上半部分微带线的中间并与之形成第二SIR结构，移相器电路结构等效于由位于电路输入输出端的耦合馈电结构和第二SIR结构组成，形成了基于多模谐振器的宽带滤波器电路。
进一步的，分析移相器的相频响应，移相器在两种电路状态下的插入移相的差值即移相量为：
其中，i为虚部符号，Z1和θ1分别表示短路枝节加载线TL1的特征阻抗和电长度，Z2和θ2分别表示第一微带延迟线TL2的特征阻抗和电长度；
有Z1＝Z2/2，θ1＝θ2，则：
其中，f为频率，f0为移相器的中心频率，n为≥0的整数。
进一步的，对于电路状态1，分析移相器的幅频响应，固定的传输零点位于0和2f0，运用等波纹的切比雪夫函数进行综合可得到其滤波器阶数为4阶，其通带内的纹波系数和截止频率由微带延迟线的特性阻抗和微带耦合线的奇偶模阻抗共同决定；
对于电路状态2，分析移相器的幅频响应，固定的传输零点位于0和2f0，运用等波纹的切比雪夫函数进行综合可得到其滤波器阶数为5阶，其通带内的纹波系数和截止频率也由微带延迟线的特性阻抗和微带耦合线的奇偶模阻抗共同决定。
本发明的有益效果是：
本发明所述移相器通过射频开关控制器件结合微带电路，通过控制电路参数在保证滤波性能的同时实现宽带内稳定的相位关系；通过改变耦合线和微带延迟线的电长度和各自的特征阻抗，可调节电路在两种状态下各自的通带宽度和插入损耗，并且相较于现有的滤波移相独立结构，尺寸显著减小。
附图说明
图1为本发明所述移相器的电路拓扑结构图；
图2为本发明所述移相器在电路状态1和电路状态2的幅频响应曲线，其中(a)电路状态1，(b)电路状态2；
图3为本发明所述移相器在电路状态1和电路状态2的移相量曲线；
图4为实施例所述移相器的电路实现结构图；
图5为实施例所述移相器在电路状态1和电路状态2的幅频响应曲线，其中(a)电路状态1，(b)电路状态2；
图6为实施例所述移相器在电路状态1和电路状态2的移相量曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其电路拓扑结构图如图1所示，包括短路枝节加载线TL1、两段微带延迟线、两段微带耦合线、两个射频开关控制器件、金属地板和介质基板；金属地板位于介质基板的下表面，短路枝节加载线TL1、两段微带延迟线、两段微带耦合线和两个射频开关控制器件位于介质基板的上表面；
第一微带耦合线CL1的输入端作为电路输入端，耦合端分别连接第一微带延迟线TL2的一端和第二射频开关控制器件Switch2的正极；第一微带延迟线TL2的另一端分别连接至第一射频开关控制器件Switch1的正极和第二微带延迟线TL3的一端；第一射频开关控制器件Switch1的负极连接至短路枝节加载线TL1的一端，短路枝节加载线TL1的另一端通过金属化通孔连接至金属地板；第二射频开关控制器件Switch2的负极分别连接第二微带延迟线TL3的另一端和第二微带耦合线CL2的输入端，第二微带耦合线CL2的耦合端作为电路输出端。
取Z1＝22.45ohm，微带耦合线的奇模阻抗Zo＝42.1ohm，微带耦合线的偶模阻抗Ze＝140.2ohm，θ1＝θ2＝45°，射频开关为理想模型，电路状态1和电路状态2的幅频响应曲线如图2所示，移相量曲线如图3所示。结果显示在电路状态1下，在2.05-3.95GHz频带范围内回波损耗优于23dB，在电路状态2下，在1.62-4.38GHz频带范围内回波损耗优于16dB，插入损耗小于0.1dB；90°移相时，相位不平衡度±4.2°的带宽为1.64-4.36GHz(相对带宽90.6％)。
本实施例中，电路的中心频率设置为3GHz，射频开关选用Skyworks的PIN二极管SMP1340-079LF，电路实现结构图如图4所示。两个射频开关共阳极连接，由P3端口处的控制电压Vc进行控制。将PIN二极管电路模型带入仿真电路中，在中心频率下该PIN管在正向10mA电流导通下的插入损耗小于0.1dB，正向导通电阻约为1Ω，对信号约有-7.2°的移相量。将PIN二极管开关串联接入电路，在-10V反偏下的隔离度为-11dB，反偏电容约为0.3pF。
本实施例中，选用介质基板的相对介电常数为3.66，介质基板的厚度为20mil。
短路枝节加载线TL1是在微带线的一端通过半径为0.2mm的圆形金属过孔到金属接地板实现的。短路枝节加载线TL1的阻抗值为第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3的阻抗值的一半，故短路枝节加载线TL1的线宽w1大于第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3的线宽w2，w1＝1.24mm，w2＝0.97mm。根据理论推导短路枝节加载线TL1的线长l1约等于第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3的线长l2，但由于PIN二极管导通时对信号有一定的移相量，故l1小于l2，l1＝6.1mm，l2＝7.1mm。微带耦合线的耦合间隙s为0.1mm，耦合线中单条微带线的宽度wc为0.13mm，耦合线线长lc＝17mm，接近于中心频率3GHz处对应的1/4波长。电路中隔直电容C2的容值为8pF，P3为直流馈电端口。S1的控制端馈电线长L1，S2的控制端馈电线长L2是对应于中心频率3GHz处的1/4波长高阻线，线宽0.1mm，长度为23mm。C1为旁路电容，容值为8pF，端口P1，P2为射频输入和输出，整体电路的尺寸约为24mmX16.5mm。
所述电路中射频开关S1和S2同时截止对应于电路状态1，同时导通对应于电路状态2。图5为本实施例所述移相器的幅频响应曲线，图6为本实施例所述移相器的移相量曲线。从图5和图6可以看出，两种电路状态下的幅频响应曲线在相同位置均出现了一对带外传输零点。在电路状态1和电路状态2下的带宽分别为2.28-3.62GHz和2.14-3.82GHz。相应的最大插入损耗分别为0.74dB和0.55dB，带内插损不平衡度分别为0.49dB和0.32dB，带内对应的回波损耗优于8.8dB和10.7dB。图6显示了90°移相量下，移相误差在±5°的相移带宽从2.67GHz到3.5GHz。综上所述，移相器的工作带宽2.67-3.5GHz，带内移相误差小于5°，带内插损小于0.56dB。
Claims (6)
1.一种具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其特征在于，包括短路枝节加载线TL1、两段微带延迟线、两段微带耦合线、两个射频开关控制器件、金属地板和介质基板；金属地板位于介质基板的下表面，短路枝节加载线TL1、两段微带延迟线、两段微带耦合线和两个射频开关控制器件位于介质基板的上表面；
第一微带耦合线CL1的输入端作为电路输入端，耦合端分别连接第一微带延迟线TL2的一端和第二射频开关控制器件Switch2的正极；第一微带延迟线TL2的另一端分别连接至第一射频开关控制器件Switchl的正极和第二微带延迟线TL3的一端；第一射频开关控制器件Switch1的负极连接至短路枝节加载线TL1的一端，短路枝节加载线TL1的另一端通过金属化通孔连接至金属地板；第二射频开关控制器件Switch2的负极分别连接第二微带延迟线TL3的另一端和第二微带耦合线CL2的输入端，第二微带耦合线CL2的耦合端作为电路输出端。
2.根据权利要求1所述的具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其特征在于，第一微带耦合线CL1和第二微带耦合线CL2的结构相同，对称放置，由两段相互耦合的微带线组成，直通端和隔离段开路，形成终端开路微带耦合线。
3.根据权利要求1所述的具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其特征在于，第一微带延迟线TL2和第二微带延迟线TL3的特征阻抗相等，短路枝节加载线TL1的特征阻抗为第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3的特征阻抗的一半，/表示或；第一微带延迟线TL2、第二微带延迟线TL3和短路枝节加载线TL1的电长度相等，第一微带耦合线CL1和第二微带耦合线CL2的电长度为第一微带延迟线TL2/第二微带延迟线TL3/短路枝节加载线TL1电长度的两倍；第一微带耦合线CL1和第二微带耦合线CL2的电长度为中心频率对应的四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其特征在于，第一射频开关控制器件Switch1和第二射频开关控制器件Switch2同时截止对应于电路状态1；射频信号从电路输入端输入至移相器电路后，依次流经第一微带耦合线CL1、第一微带延迟线TL2、第二微带延迟线TL3和第二微带耦合线CL2后，经电路输出端输出；在电路状态1下，第一微带延迟线TL2、第二微带延迟线TL3、第一微带耦合线CL1和第一微带耦合线CL2的上半部分微带线串联形成第一SIR结构，移相器电路结构等效于由位于电路输入输出端的耦合馈电结构和第一SIR结构组成，形成了基于多模谐振器的宽带滤波器电路；
第一射频开关控制器件Switch1和第二射频开关控制器件Switch2同时导通对应于电路状态2，短路枝节加载线TL1、第一射频开关控制器件Switch1、第二射频开关控制器件Switch2、第一微带延迟线TL2和第二微带延迟线TL3形成T型回路；射频信号从电路输入端输入至移相器电路后，依次流经第一微带耦合线CL1、T型回路和第二微带耦合线CL2后，经电路输出端输出；在电路状态2下，T型回路整体等效于一段新的短路枝节加载线，与原短路枝节加载线TL1相比，其特征阻抗与TL1的特征阻抗相等，其电长度为TL1的电长度的两倍，并联在第一微带耦合线CL1和第一微带耦合线CL2的上半部分微带线的中间并与之形成第二SIR结构，移相器电路结构等效于由位于电路输入输出端的耦合馈电结构和第二SIR结构组成，形成了基于多模谐振器的宽带滤波器电路。
5.根据权利要求4所述的具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其特征在于，分析移相器的相频响应，移相器在两种电路状态下的插入移相的差值即移相量为：
其中，i为虚部符号，Z1和θ1分别表示短路枝节加载线TL1的特征阻抗和电长度，Z2和θ2分别表示第一微带延迟线TL2的特征阻抗和电长度；
有Z1＝Z2/2，θ1＝θ2，则：
其中，f为频率，f0为移相器的中心频率，n为≥0的整数。
6.根据权利要求4所述的具有滤波特性的小型化宽带90°移相器，其特征在于，对于电路状态1，分析移相器的幅频响应，固定的传输零点位于0和2f0，运用等波纹的切比雪夫函数进行综合可得到其滤波器阶数为4阶，其通带内的纹波系数和截止频率由微带延迟线的特性阻抗和微带耦合线的奇偶模阻抗共同决定；
对于电路状态2，分析移相器的幅频响应，固定的传输零点位于0和2f0，运用等波纹的切比雪夫函数进行综合可得到其滤波器阶数为5阶，其通带内的纹波系数和截止频率也由微带延迟线的特性阻抗和微带耦合线的奇偶模阻抗共同决定。
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