CN1783713A - 微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器。它包括宽带三分贝正交定向耦合器，与宽带三分贝正交定向耦合器输入端对应的隔离端联接一个宽带标准50欧姆匹配负载，与宽带三分贝正交定向耦合器输入端对应的直通端联接宽带匹配型单刀双掷开关一个支路的端口，K1和K2是匹配型单刀双掷开关的两个控制端，由控制信号分别控制微波毫米波信号从宽带匹配型单刀双掷开关的一个端口输入/输出，或从宽带匹配型单刀双掷开关的另一个端口输入/输出，使其从宽带匹配型单刀双掷开关的公共端输出/输入。本发明电路拓扑及设计简单，制造工艺简便，电性能改善大，工作频率带宽、相移精度高、输入和输出电压驻波比低，各态插入损耗差值小。

Description

微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器

一技术领域

本发明涉及一种用于通信、制导的电子部件，特别是一种微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器。

二背景技术

微波毫米波宽带三分贝正交移相器是一种主要用于数字微波通信、移动通信、雷达、电子对抗和制导仪器等电子系统设备中的电子部件。在宽带微波毫米波频段的控制电路中，数字移相器是微波毫米波主要控制电路之一，描述这种产品性能的主要技术指标有：1)工作频率带宽；2)相移位数；3)相移量4)相移精度；5)插入损耗；6)各态插入损耗差；7)各态输入和输出端电压驻波比；8)开关速度；9)电路尺寸；10)输出功率1分贝压缩电平；11)电路间电性能的一致性。90度(正交)相移量数字移相器的同类产品，由于设计采用的电路拓扑和工艺实现途径的缺陷，加之频带宽、相移量大，无论是采用同轴、波导、混合集成、低温共烧陶瓷立体集成电路等方式，还是采用砷化镓单片集成电路方式实现，通常电性能指标均较差。主要缺点有：1)电路拓扑复杂；2)设计难度大；3)工艺加工难度大；4)相移精度低；5)输入和输出端电压驻波比差；6)工作频率带宽较窄；7)成品率较低；8)受工艺控制参数影响，电路间电性能一致性较差；9)电路尺寸较大。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种电路拓扑结构简单，设计简便，工艺难度小，能够提高相移精度，改善各态的输入和输出端电压驻波比，展宽工作频率带宽，减小各态插入损耗差，使电路之间电性能一致性受工艺控制参数影响最小，成品率高，减小电路尺寸的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器，其特征在于：它由宽带三分贝定向耦合器、宽带匹配型单刀双掷开关和宽带标准匹配负载组成，与宽带三分贝正交定向耦合器信号输入/输出端对应的隔离端接宽带标准匹配负载，与宽带三分贝正交定向耦合器信号输入/输出端对应的直通端接宽带匹配型单刀双掷开关的一个支路的输入/输出端，与宽带三分贝正交定向耦合器信号输入/输出端对应的耦合端接宽带匹配型单刀双掷开关的另一个支路的输入/输出端，宽带匹配型单刀双掷开关的公共路接另一个信号输出/输入端，K1和K2控制宽带匹配型单刀双掷开关两个支路中的一个支路导通另一个支路截止，或一个支路截止另一个支路导通。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、电路拓扑简单，该移相器实际上由宽带三分贝正交定向耦合器和宽带匹配型单刀双掷开关中构成；2、设计简单，只要设计宽带三分贝正交定向耦合器和宽带匹配型单刀双掷开关即可，而设计宽带三分贝正交定向耦合器和宽带匹配型单刀双掷开关远比同类产品的设计简单的多；3、制造中工艺难度和控制精度远比同类产品要求低；4、成品率比同类产品高；5、电性能改善大，由于宽带三分贝正交定向耦合器和宽带匹配型单刀双掷开关电性能较容易设计和制造好，所以，该移相器：工作频率带宽、相移精度高、输入和输出电压驻波比低、各态插入损耗差值小；6、电路之间电性能批量一致性好；7、电路尺寸小；8、成本低；9、由于电性能优异，可将这种移相器采用三级级联方式构成四相相移键控调相器。

四附图说明

图1是本发明的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器的电路结构框图。

图2是本发明的宽带匹配型单刀双掷开关的电路结构框图。

图3是本发明的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器用场效应晶体管实现宽带匹配型单刀双掷开关的电原理图。

图4是本发明的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器用PIN二极管实现宽带匹配型单刀双掷开关的电原理图。

五具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1。结合图1、图2、图3，本发明的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器，它由宽带三分贝正交定向耦合器A、宽带匹配型单刀双掷开关B和宽带标准50欧姆匹配负载C三部分构成，其中包括宽带三分贝正交定向耦合器A、宽带匹配型单刀双掷开关B和宽带标准50欧姆匹配负载C。宽带三分贝正交定向耦合器A输入端为微波毫米波信号输入/输出端，与宽带三分贝正交定向耦合器A输入端对应的隔离端联接一个宽带标准50欧姆匹配负载C，与宽带三分贝正交定向耦合器A输入端对应的直通端联接宽带匹配型单刀双掷开关B一个支路的端口，与宽带三分贝正交定向耦合器A输入端对应的耦合端联接宽带匹配型单刀双掷开关B另一个支路的端口，宽带匹配型单刀双掷开关B的公共端为微波毫米波信号的输出/输入端。

K1和K2是宽带匹配型单刀双掷开关的两个控制端，由控制信号分别控制宽带匹配型单刀双掷开关一个支路导通另一个支路截止，或一个支路截止另一个支路导通，截止路输出端对外呈现匹配状态，导通支路的微波毫米波信号从宽带匹配型单刀双掷开关的公共端输出/输入。宽带三分贝正交定向耦合器可由平面微带交指型兰格三分贝定向耦合器DC1构成，或由低温共烧陶瓷多层立体集成的三分贝定向耦合器DC2构成，或由多层电路板叠层的带状线混合电路三分贝定向耦合器DC3构成。

宽带三分贝正交定向耦合器(DC)的任一端口为微波毫米波信号输入/输出端(P2)，与P2对应DC的隔离端联接宽带标准50欧姆匹配负载(LOAD)，与P2对应DC的耦合端联接由场效应晶体管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线W8的一端，W8的另一端接场效应晶体管T6的源极和电阻R7的一端，R7的另一端接T6的漏极和微带线W7的一端，T6的栅极接电阻R6的一端，R6的另一端连接控制端K2，W7的另一端接微带线W6的一端和场效应晶体管T5的漏极，T5的源极接地，T5的栅极接电阻R5的一端，R5的另一端连接控制端K1，W6的另一端接微带线W5的一端和场效应晶体管T4的漏极，T4的源极接地，T4的栅极接电阻R4的一端，R4的另一端连接控制端K1，W5的另一端接微带线W4的一端和场效应晶体管T3的漏极，T3的源极接地，T3的栅极接电阻R3的一端，R3的另一端连接控制端K1，W4的另一端接微带线W3的一端和场效应晶体管T2的漏极，T2的源极接地，T2的栅极接电阻R2的一端，R2的另一端连接控制端K1，W3的另一端接场效应晶体管T1的源极，T4的漏极接W2的一端，T1的栅极接电阻R1的一端，R1的另一端连接控制端K2，W2的另一端接微带线W1和微带线W12的一端(公共端)，W1的另一端接微波毫米波信号输出/输入端(P1)，与P2对应DC的直通端连接由场效应晶体管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线W18的一端，W18的另一端接场效应晶体管T16的源极和电阻R17的一端，R17的另一端接T16的漏极和微带线W17的一端，T16的栅极接电阻R16的一端，R16的另一端连接控制端K1，W17的另一端接微带线W16的一端和场效应晶体管T15的漏极，T15的源极接地，T15的栅极接电阻R15的一端，R15的另一端连接控制端K2，W16的另一端接微带线W15的一端和场效应晶体管T14的漏极，T14的源极接地，T14的栅极接电阻R14的一端，R14的另一端连接控制端K2，W15的另一端接微带线W14的一端和场效应晶体管T13的漏极，T13的源极接地，T13的栅极接电阻R13的一端，R13的另一端连接控制端K2，W14的另一端接微带线W13的一端和场效应晶体管T12的漏极，T12的源极接地，T12的栅极接电阻R12的一端，R12的另一端连接控制端K2，W13的另一端接场效应晶体管T11的源极，T14的漏极接W12的一端，T11的栅极接电阻R11的一端，R11的另一端连接控制端K12，W12的另一端接微带线W1和微带线W2的一端(公共端)。

宽带三分贝正交定向耦合器A由平面交指型耦合微带线耦合结构(DC1)构成的三分贝定向耦合器，共有四个端口即：输入端、直通端、耦合端和隔离端，这种宽带三分贝正交定向耦合器各端口具有的信号幅度关系描述如下：可选定任一端口为输入端，信号直接通过(直流短路)的端口为直通端，幅度近似等于输入信号幅度的一半(即减小三分贝)，通过耦合(直流开路)信号输出，而且幅度近似等于输入信号幅度一半的端口为耦合端，通过耦合(直流开路)信号输出幅度最小的是隔离端。这种宽带三分贝正交定向耦合器的各端口具有的信号相位关系描述如下：当各端口处于匹配状态时，宽频带的微波或毫米波信号从输入端输入，其耦合端为宽带输出信号相位的参考相位端，其直通端宽带输出信号的相位与耦合端宽带输出信号的参考相位相比滞后90度(正交)，或反之将直通端宽带输出信号的相位作为参考相位，则耦合端宽带输出信号的相位与直通端宽带输出信号的参考相位相比超前90度，其隔离端由于直通路径和耦合路径在隔离端的宽带输出信号相位反向(即180度)，两路宽带输出信号的幅度相互抵消，所以，在隔离端宽带输出信号的幅度最小。这种宽带三分贝正交定向耦合器可以用平面交指型耦合微带线结构(DC1)实现，也可以用低温共烧多层陶瓷结构(DC2)实现，还可以采用多层的介质电路板叠层方式(DC3)和其它结构的耦合方式实现，工作原理与DC1完全相同，区别是在其信号能量耦合方式的实现结构上，DC2和DC3和其它结构的耦合方式既可以用二维的平面耦合方式也可以是三维的立体耦合方式。利用宽带三分贝正交定向耦合器直通端和耦合端宽带输出信号输出幅度相等，输出信号相位差为90度的电路传输特性，将其直通端和耦合端分别接宽带匹配型单刀双掷开关B两个支路的输出端，可以获得高性能的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器。

宽带匹配型单刀双掷开关B可分别由场效应晶体管或PIN二极管两种控制器件，或其它的控制器件构成宽带匹配型单刀双掷开关电路。采用场效应晶体管为控制器件的宽带匹配型单刀双掷开关电路由12只场效应晶体管(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T11、T12、T13、T14、T15和T16)，15段微带线(W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W12、W13、W14、W15、W16、W17和W18)和，12只电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R13、R14、R15和R16)和接地端构成。它有一个公共路和两个完全对称的支路构成，工作时，控制端K1加场效应晶体管的夹断电压(负极性)，或控制电压幅度绝对值略高于夹断电压且低于击穿电压，控制端K2加场效应晶体管的零伏特电压或小于0.5伏特的正极性电压，此时，场效应晶体管T2、T3、T4、T5、T11和T16处于高阻抗状态，场效应晶体管T1、T6、T12、T13、T14和T15处于低阻抗状态，此时，端口P1的输入信号经W2至W8输出，该支路为导通状态，而W12至W18的支路为隔离状态，电阻R17作为对外电路的匹配负载，当控制端K1和K2的控制信号互换时，场效应晶体管T2、T3、T4、T5、T11和T16处于低阻抗状态，场效应晶体管T1、T6、T12、T13、T14和T15处于高阻抗状态，W2至W8的支路处于隔离状态，电阻R7作为对外电路的匹配负载，而W12至W18的支路为导通状态。

采用PIN二极管为控制器件的宽带匹配型单刀双掷开关电路(图3)，由8只PIN二极管(D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13和D14)，12段微带线(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T13、T14、T15、T16和T17)，12只电容(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C13、C14、C15、C16和C17)，7只电感(L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7)，5只电阻(R1、R2、R3、R4和R5)和接地端构成。它有一个公共路和两个完全对称的支路构成，工作时，控制端K1加负极性控制电压，控制端K2加正极性控制电压时，PIN二极管D1、D3、D12和D14处于低阻抗状态，PIN二极管D11、D13、D2和D4处于高阻抗状态，此时，端口P1的输入信号经T3至T7输出，该支路为导通状态，而T13至T17的支路为隔离状态，电阻R3作为对外电路的匹配负载，当控制端K1和K2的控制信号互换时，PIN二极管D1、D3、D12和D14处于高阻抗状态，PIN二极管D11、D13、D2和D4处于低阻抗状态，此时，T3至T7支路为隔离状态，电阻R2作为对外电路的匹配负载，而T13至T17的支路为导通状态。当图3中PIN二极管D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13和D14的连接的极性全部反向连接时，则其两支路的导通和隔离状态互换。

由于宽带匹配型单刀双掷开关的两个支路完全对称，所以这两路的幅度和相位变化也相同。这两路的输出端分别接宽带三分贝正交定向耦合器(A)的直通端和耦合端。

宽带标准50欧姆匹配负载C由电阻或微波吸收材料构成。它连接在宽带三分贝正交定向耦合器A的隔离端，其作用是当宽带三分贝正交定向耦合器A工作时，在其隔离端的信号能量均会被宽带标准50欧姆匹配负载吸收，而不被反射回去，以免影响其它端口的幅度和相位特性。

微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器工作原理描述如下：微波毫米波宽带输入信号从宽带三分贝正交定向耦合器A的任一端口P2输入，与P2对应的隔离端接宽带标准50欧姆匹配负载C，与P2对应的直通端口和耦合端口分别接宽带匹配型单刀双掷开关B(见图4)的两个支路的输出端，宽带匹配型单刀双掷开关B的公共路输出端为信号输出端P1，当宽带匹配型单刀双掷开关B的控制端K1和K2加一组的直流控制信号时，宽带匹配型单刀双掷开关B的两个支路(支路1和支路2)分别处于导通和隔离状态，支路1导通，支路2隔离，宽带三分贝正交定向耦合器A耦合端口的信号通过宽带匹配型单刀双掷开关B的支路1从宽带匹配型单刀双掷开关B的公共路输出端P1输出，此时，宽带三分贝正交定向耦合器A直通端口的信号在宽带匹配型单刀双掷开关B的支路2被隔离，当宽带匹配型单刀双掷开关B的控制端K1和K2加另一组直流控制信号时，宽带匹配型单刀双掷开关B的两个支路导通和隔离状态互换，支路2导通，支路1隔离，宽带三分贝正交定向耦合器A直通端口的信号通过宽带匹配型单刀双掷开关B的支路2从宽带匹配型单刀双掷开关B的公共路输出端P1输出，此时，宽带三分贝正交定向耦合器A耦合端口的信号在宽带匹配型单刀双掷开关B的支路1被隔离，两种状态在P1输出信号的幅度相等，输出信号的相位相差90度，若将通过宽带三分贝正交定向耦合器A耦合端口从P1输出信号的相位作为参考相位，则通过宽带三分贝正交定向耦合器A直通端口从P1输出信号的相位比通过宽带三分贝正交定向耦合器A耦合端口从P1输出信号的相位滞后90度。反之相位则超前90度，从而实现正交三分贝数字移相功能。输入信号亦可从P1输入，P2输出，同理可实现正交三分贝数字移相。

实施例2。结合图1、图2、图4，本发明的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器，除宽带匹配型单刀双掷开关采用PIN二极管等元件实现与实施例1不同外，其余均与实施例1相同，下面就不同部分详细描述如下：

宽带三分贝正交定向耦合器(DC)的任一端口为微波毫米波信号输入/输出端(P2)，与P2对应DC的隔离端联接宽带标准50欧姆匹配负载(LOAD)，与P2对应DC的耦合端联接由PIN二极管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线T7的一端，T7的另一端接电容C4的一端，C4的另一端接微带线T6的一端、电感L4的一端和PIN二极管D4的正极，D4的负极接电阻R2的一端，R2的另一端接地，L4的另一端接电容C5的一端和控制端K1，电容C5的另一端接地，T6的另一端接电容C3的一端，C3的另一端接微带线T5的一端，T5的另一端接PIN二极管D3的正极和L3的一端，L3的另一端接电容C6和电阻R4的一端，C6和R4的另一端接地，D3的负极接微带线T4的一端，T4的另一端接电感L2的一端、PIN二极管D2的正极和PIN二极管D1的负极，D2的负极接地，L2的另一端接电容C7的一端和控制端K1，C7的另一端接地，D1的正极接微带线T3的一端，T3的另一端接微带线T2和T13的一端(公共端)，T2的另一端接电容C1和电感L1的一端，L1的另一端接电容C2和电阻R1的一端，C2和R1的另一端接地，C1的另一端接微带线T1的一端，T1的另一端接微波毫米波信号输出/输入端P1，与P2对应DC的直通端联接由PIN二极管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线T17的一端，T17的另一端接电容C14的一端，C14的另一端接微带线T16的一端、电感L14的一端和PIN二极管D14的正极，D14的负极接电阻R3的一端，R3的另一端接地，L14的另一端接电容C15的一端和控制端K2，电容C15的另一端接地，T16的另一端接电容C13的一端，C13的另一端接微带线T15的一端，T5的另一端接PIN二极管D13的正极和L13的一端，L13的另一端接电容C16和电阻R5的一端，C16和R5的另一端接地，D13的负极接微带线T14的一端，T14的另一端接电感L12的一端、PIN二极管D12的正极和PIN二极管D11的负极，D12的负极接地，L12的另一端接电容C17的一端和控制端K2，C17的另一端接地，D11的正极接微带线T13的一端，T13的另一端接微带线T2和T3的一端(公共端)。

Claims (3)

1、一种微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器，其特征在于：它由宽带三分贝定向耦合器、宽带匹配型单刀双掷开关和宽带标准匹配负载组成，与宽带三分贝正交定向耦合器信号输入/输出端对应的隔离端接宽带标准匹配负载，与宽带三分贝正交定向耦合器信号输入/输出端对应的直通端接宽带匹配型单刀双掷开关的一个支路的输入/输出端，与宽带三分贝正交定向耦合器信号输入/输出端对应的耦合端接宽带匹配型单刀双掷开关的另一个支路的输入/输出端，宽带匹配型单刀双掷开关的公共路接另一个信号输出/输入端，K1和K2控制宽带匹配型单刀双掷开关两个支路中的一个支路导通另一个支路截止，或一个支路截止另一个支路导通。

2、根据权利要求1所述的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器，其特征在于：宽带匹配型单刀双掷开关的电路由一个公共路和两个完全相同的支路组成，该支路由电阻、电容、电感、微带线、接地端和场效应晶体管组成。公共路由微带线W1构成，两个完全相同的支路其中一个支路由微带线W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，场效应晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6，控制端K1、K2及接地端构成，另一个支路由微带线W12、W13、W14、W15、W16、W17、W18，电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17，场效应晶体管T11、T12、T13、T14、T15、T16，控制端K1、K2及接地端构成。

3、根据权利要求1所述的微波毫米波宽带三分贝正交数字移相器，其特征在于：宽带匹配型单刀双掷开关的电路由一个公共路和两个完全相同的支路组成，该支路由电阻、电容、电感、微带线、接地端和PIN二极管组成，公共路由微带线T1、T2，电容C1、C2，电阻R1、电感L1和接地端构成，两个完全相同的支路其中一个支路由微带线T3、T4、T5、T6、T7，电容C3、C4、C5、C6、C7，电感L2、L3、L4，电阻R2、R4，二极管D1、D2、D3、D4，控制端K1、K2及接地端构成，另一个支路由微带线T13、T14、T15、T16、T17，电容C13、C14、C15、C16、C17，电感L12、L13、L14，电阻R3、R5，二极管D11、D12、D13、D14，控制端K1、K2及接地端构成。

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