CN211063583U - 加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其由多级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元依次级联而成；各超宽带可调移相单元之间通过超宽带可调移相单元的输出节点和与之相邻的下一级超宽带可调移相单元的输入节点相连，实现多级级联；所述各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，包括输入节点、输出节点和正交耦合器；其中接收待移相信号的输入节点连接正交耦合器的输入端；其中输出移相信号的输出节点连接正交耦合器的隔离端；正交耦合器的直通端和耦合端分别连接一单端口可变反射式负载单元。该移相器在超宽带范围内兼具较大的移相范围和较低的附加幅度变化，大幅降低了生产中工艺波动引起的电路一致性问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及移相器技术领域，尤其是一种超宽带可调移相器电路。
背景技术
可变移相电路广泛应用于雷达信号模拟器、信号发生器、相控阵系统、电子对抗系统和通信系统等，实现对信号相位的控制。
对于超宽带系统应用，例如新兴的5G毫米波频段，国内基本在24-45GHz的倍频程频率范围内；针对大于倍频程的超宽带应用，可变移相器电路的频段覆盖范围不足，附加幅度变化太大，限制了可变移相电路在宽带系统中应用，或是增加了应用系统的复杂度。
因此如何使得可调移相器电路具有更好的输入输出驻波特性，进一步如何使得可调移相器电路兼具更大的移相范围和更低的移相附加幅度波动，甚至依然具有高度一致性和温度稳定性，以大幅简化甚至省去应用系统的校准工作，降低应用系统复杂度，这一问题值得进一步研究和解决。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足，本实用新型的目的是提供一种加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器。
技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其主要由多级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元依次级联而成；各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元之间，通过加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输出节点和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输入节点相连，实现多级级联；
所述各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元，包括输入节点、输出节点和正交耦合器；其中接收待移相信号的输入节点连接正交耦合器的输入端；其中输出移相信号的输出节点连接正交耦合器的隔离端；正交耦合器的直通端和耦合端分别连接一个单端口可变反射式负载单元。
优选的，各级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输出节点通过传输线和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输入节点相连。
进一步优选的，各单端口可变反射式负载单元通过一个两端口第一串联电抗元件、一个两端口并联扇形线的超宽带匹配电路、一个单端口串联接地的可调谐容性器件级联而成。
进一步优选的，所述两端口并联扇形线的超宽带匹配电路主要由N级匹配单元电路依次级联而成，N≥1；每一级匹配单元电路主要由并联扇形线电路和第二串联电抗元件级联构成，每一级匹配单元电路包括一个以上的并联扇形线电路。
优选的，所述第一串联电抗元件为采用串联结构的电感元件或传输线。优选的，所述可调谐容性器件为二极管或采用源极和漏极端口相连的三极管。
优选的，所述第二串联电抗元件为采用串联结构的电感元件或传输线。
作为优选的，所述单端口可变反射式负载单元为加载扇形线的可变反射式负载单元。
进一步优选的，所述各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元中，还包括一端与正交耦合器的直通端连接，另一端与外部供电相连的第一偏置电阻，以及一端与正交耦合器的耦合端连接，另一端与外部供电相连的第二偏置电阻。
有益效果：本实用新型提供的一种加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，相对现有技术，其具有如下优点：
(1)采用正交耦合器的反射式移相电路架构，可以在倍频程范围实现良好输入输出驻波特性；
(2)进一步采用加载扇形线反射负载的反射式移相器，在单端口可变反射式负载单元中加载扇形线匹配单元电路的负载结构，可以在倍频程的频率范围内实现大动态范围移相，且具有低插损、低附加幅度变化的特性，即在超宽带范围内兼具较大的移相范围和较低的附加幅度变化；
(3)加载扇形线匹配单元电路的负载结构，不包含集总电容元件，能够大大降低生产中工艺波动引起的电路一致性问题。
(4)该移相器通过多级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元依次级联而成，可实现超宽带360°移相，甚至大于360°移相，且仍然能够保持良好的驻波特性、较低的附加幅度变化特性，且结构合理巧妙，可根据需要灵活扩展，可应用场合广泛。
附图说明
图1为本实用新型中的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的电路结构示意图；
图2为其中一个实施例中的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的电路结构示意图；
图3为图2中单端口可变反射式负载单元的电路结构放大示意图；
图4为其中一个实施例提供的由两级图2提供的超宽带可调移相单元级联而成的移相器的电路结构示意图；
图5为图2提供的超宽带可调移相单元电路回波损耗的仿真结果示意图；
图6为图2提供的超宽带可调移相单元电路移相特性的仿真结果示意图；
图7为图2提供的超宽带可调移相单元电路附加幅度变化的仿真结果示意图；
图8为图2提供的超宽带可调移相单元电路插入损耗的仿真结果示意图；
图9为图4提供的两级级联的移相器电路回波损耗的仿真结果示意图；
图10为图4提供的两级级联的移相器电路移相特性的仿真结果示意图；
图11为图4提供的两级级联的移相器电路附加幅度变化的仿真结果示意图；
图12为图4提供的两级级联的移相器电路插入损耗的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施列对本实用新型不构成限定。
本实用新型提供的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其主要由多级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元依次级联而成。
其中加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的结构示意图如图1所示，其包括：输入节点P11、输出节点P12和正交耦合器CP1；其中接收待移相信号的输入节点P11 连接正交耦合器的输入端IN；其中输出移相信号的输出节点P12连接正交耦合器的隔离端ISO；正交耦合器的直通端THR连接一个单端口可变反射式负载单元VRL1，正交耦合器的耦合端COU连接一个单端口可变反射式负载单元VRL1′。
在某些实施例中，上述单端口可变反射式负载单元为加载扇形线的可变反射式负载单元。
在某些实施例中，上述各单端口可变反射式负载单元通过一个两端口第一串联电抗元件、一个两端口并联扇形线的超宽带匹配电路、一个单端口串联接地的可调谐容性器件级联而成。具体来说，与正交耦合器的直通端THR连接的单端口可变反射式负载单元VRL1通过一个两端口第一串联电抗元件TL1、一个两端口并联扇形线的超宽带匹配电路和一个单端口串联接地的可调谐容性器件VD1级联而成；与正交耦合器的耦合端 COU连接的单端口可变反射式负载单元VRL1′通过一个两端口第一串联电抗元件TL1′、一个两端口并联扇形线的超宽带匹配电路和一个单端口串联接地的可调谐容性器件 VD1′级联而成。
如图1所示，各单端口可变反射式负载单元中的两端口并联扇形线的超宽带匹配电路由N级匹配单元电路依次级联而成，其中N≥1；每一级匹配单元电路由并联扇形线电路和第二串联电抗元件级联构成，每一级匹配单元电路包括一个以上的并联扇形线电路。
如图1所示，在与正交耦合器的直通端THR连接的单端口可变反射式负载单元VRL1中，两端口并联扇形线的超宽带匹配电路由N级匹配单元电路MN_i依次级联而成，其中N≥1，1≤i≤N。各级匹配单元电路MN_i均由并联扇形线电路RSB_1i和第二串联电抗元件L1i级联构成，各级匹配单元电路MN_i均包括一个以上的并联扇形线电路RSB_1i。在与正交耦合器的耦合端COU连接的单端口可变反射式负载单元VRL1′中，两端口并联扇形线的超宽带匹配电路由N级匹配单元电路MN_i′依次级联而成，其中N≥1，1≤i≤N。各级匹配单元电路MN_i′均由并联扇形线电路RSB_1i′和第二串联电抗元件L1i′级联构成，各级匹配单元电路MN_i′均包括一个以上的并联扇形线电路 RSB_1i′。图1中给出的各级匹配单元电路MN_i均包括2个并联扇形线电路仅为示例，实际可根据需要灵活调整，各级匹配单元电路并联扇形线的数量可以为一个，也可以为多个，各级匹配单元电路的并联扇形线的数量可以相同，也可以不同。
本实施例中的各串联电抗元件，包括第一串联电抗元件和第二串联电抗元件，可以采用串联结构的电感元件，也可以采用串联结构的传输线实现。
本实施例中的可调谐容性器件可以采用二极管实现，也可以采用源极和漏极端口相连的三极管。
本实用新型其中一个实施例中的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的电路结构示意图如图2所示，在该实施例中，M＝1，也即各单端口可变反射式负载单元通过一个两端口第一串联电抗元件、一个两端口并联扇形线的超宽带匹配电路和一个单端口串联接地的可调谐容性器件级联而成；其中各单端口可变反射式负载单元中的两端口并联扇形线的超宽带匹配电路只包括1级匹配单元电路；且该级匹配单元电路由1个并联扇形线电路和1个第二串联电抗元件级联构成。具体在该实施例中，超宽带移相单元电路包含90°正交耦合器CP1和单端口可变反射式负载单元VRL1；正交耦合器CP1 具有输入端IN、直通端THR、耦合端COU及隔离端ISO；其中，输入端IN用于接收信号，与接收待移相信号的输入节点P11相连接；隔离端ISO用于输出移相信号，与输出节点P12相连接；直通端THR连接单端口可变反射式负载单元VRL1；耦合端COU 连接单端口可变反射式负载单元VRL1′。单端口可变反射式负载单元VRL1包括可变容性元件VD1、1个2端口匹配单元电路MN_1和第一串联电抗元件TL1，单端口可变反射式负载单元VRL1′包括可变容性元件VD1′、1个2端口匹配单元电路MN_1′和第一串联电抗元件TL1′。
文中所述可调谐容性器件也可称为可变容性元件。文中所述可变反射式负载单元也可称为可变式反射负载单元、或可变反射负载单元。文中所述加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元，也可称为加载扇形线反射负载的超宽带可调移相电路，亦可称为超宽带可调移相器单元或超宽带可调移相器电路。
此处以图2中给出的其中一个实施例中的单端口可变反射式负载单元VRL1为例来阐述单端口可变反射式负载单元的结构和工作原理，如图3给出的结构放大示意图可见，该加载扇形线的可变反射式负载单元VRL1，包括：第一串联电抗元件TL1、一级匹配单元电路MN_1构成的两端口并联扇形线的超宽带匹配电路、可调谐容性器件VD1接地，三者顺序级联。本实施例中采用串联感性元件作为第一串联电抗元件TL1，该串联感性元件由传输线实现，该传输线的特征阻抗和电长度分别为(Z0_TL1，TH_TL1)。本实施例中采用可变电容二极管作为可变容性元件，即可调谐容性器件VD1，提供可变电容值的调谐。较大阻值的第一偏置电阻Rb1(本实施例中为3000欧姆)一端与正交耦合器的直通端THR连接，另一端与外部供电Vc相连；Vc用于为可变电容二极管VD1 提供偏置电压，从而控制VD1的电容值。此实施例中作为可调谐容性器件/可变容性元件的可变电容二极管VD1的指数为NoF1，长度为Len1，本实施例中采用HBT工艺，变容二极管由HBT工艺实现。一般地，变容二极管的电容变化范围难以实现大范围移相，而本实施例提供的技术方案中采用串联感性元件和并联扇形线的超宽带匹配电路，共同对特定变容二极管的电容特性进行匹配，大幅增大了可变反射式负载单元VRL1电路的移相范围，同时优化信号幅度的波动。
在实际应用中，两端口并联扇形线的超宽带匹配电路中匹配单元电路的级数N，由移相器总的带宽决定。一般地，越大的工作带宽需要并联扇形线的超宽带匹配电路中匹配单元电路的级数越大(即N越大)。本实施例中实现22-44GHz的移相电路，采用一级并联扇形线的匹配电路，即可大幅度拓展器件带宽，实现倍频程移相器件。本实施例中，并联扇形线的超宽带匹配电路中的一级匹配单元电路MN_1，由一个并联扇形线 RSB_11与第二串联电抗元件L11级联构成；扇形线RSB_11的半径为R_11，内角为 A_11，此处第二串联电抗元件L11采用串联感性元件，该串联感性元件由传输线实现，该传输线的特征阻抗和电长度分别为(Z0_L11，TH_L11)。不同于集总电容器件，扇形线拥有超宽带的特性，同时不会因为生产工艺的波动，带来器件不一致性的问题。本实施例中加载扇形线的可变反射式负载单元电路VRL1的尺寸详见表1；
表1可变反射式负载单元VRL1尺寸
和与正交耦合器直通端THR连接的加载扇形线的可变反射式负载单元VRL1相似的，与正交耦合器耦合端COU连接的加载扇形线的可变反射式负载单元VRL1′，包括：第一串联电抗元件TL1′、一级匹配单元电路MN_1′构成的两端口并联扇形线的超宽带匹配电路、可调谐容性器件VD1′接地，三者顺序级联。在本实施例中，采用对称的负载结构，即VRL1′中的第一串联电抗元件TL1′、一级匹配单元电路MN_1′构成的两端口并联扇形线的超宽带匹配电路和可调谐容性器件VD1′，分别与VRL1中的第一串联电抗元件TL1、一级匹配单元电路MN_1构成的两端口并联扇形线的超宽带匹配电路和可调谐容性器件VD1相同，同时第二偏置电阻Rb1′和第一偏置电阻Rb1相同，包括器件尺寸和器件之间的连接方式均相同，VRL1′中的相关元器件标号/标记均为VRL1中对应元器件标号/标记的基础上附加后缀“′”，故而此处不再一一赘述。其中第二偏置电阻Rb1′一端与正交耦合器的耦合端COU连接，另一端与外部供电Vc相连。
对本实施例中提供的如图2所示的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元进行仿真实验，图5为该移相单元在Vc＝0V时的回波损耗特性。由于采用正交耦合器的反射式移相电路架构，该实施例能够实现从20GHz-50GHz的范围，好于-17dB的良好匹配；图6为该移相单元的移相特性，以偏置电压Vc＝0V时的相位作为参考相位，增大 Vc可以实现相位移动；当偏置电压Vc>6V时可见频率在20-45GHz内可以实现大于180°移相；图7为该移相单元在相位调节过程中幅度变化的特性，在24-44GHz实现±0.7dB 的超低附加幅度变化；通过图8给出的该移相单元在偏置电压Vc＝0V时的插入损耗特性仿真结果可见，损耗较小。
本实用新型提供的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其主要由多级如上各实施例所提供的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元依次级联而成。各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元之间，通过加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输出节点和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输入节点相连，实现多级级联。也可以说是各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元之间，通过加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元中正交耦合器的隔离端和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元中正交耦合器的输入端相连，实现多级级联。本实施例中，各级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输出节点通过传输线和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输入节点相连。
本实用新型提供的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其中一个实施例的结构示意电路图如图4所示，该实施例中90°混合正交耦合器CP1采用耦合传输线实现，其奇偶模特征阻抗和电长度分别为；Zo1＝15Ω，Ze1＝100Ω，PHI_1＝90°@34GHz。如图4所示，本实施例由两个图2提供的超宽带可调移相单元级联而成，也即为了进一步提高移相范围，本实施例中由两级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元VPS1和 VPS2级联组成一整体移相器，实现超宽带360°移相。具体在本实施例中，通过第一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元VPS1中的输出节点P12，与下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元VPS2中的输入节点P21相连，实现VPS1和 VPS2两级级联。也可以说是，通过第一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元 VPS1中正交耦合器CP1的隔离端，与下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元VPS2中正交耦合器CP2的输入端相连，实现VPS1和VPS2两级级联。
本实施例中VPS2和VPS1结构完全相同，也即VPS2中包括与正交耦合器CP1相同的正交耦合器CP2、输入节点P21和输出节点P22，正交耦合器CP2的输入端与输入节点P21相连接，正交耦合器CP2的隔离端与输出节点P22相连接。
本实施例中，VPS2中的各元器件：包括第一串联电抗元件TL2、可调谐容性器件VD2、两端口并联扇形线的超宽带匹配电路中的并联扇形线RSB_21与第二串联电抗元件L21、第一偏置电阻Rb2、第一串联电抗元件TL2′、可调谐容性器件VD2′、两端口并联扇形线的超宽带匹配电路中的并联扇形线RSB_21′与第二串联电抗元件L21′、第二偏置电阻Rb2′，与VPS1中与之对应的各元器件：第一串联电抗元件TL1、可调谐容性器件VD1、两端口并联扇形线的超宽带匹配电路中的并联扇形线RSB_11与第二串联电抗元件L11、第一偏置电阻Rb1、第一串联电抗元件TL1′、可调谐容性器件 VD1′、两端口并联扇形线的超宽带匹配电路中的并联扇形线RSB_11′与第二串联电抗元件L11′、第二偏置电阻Rb1′相同，包括器件尺寸和器件之间的连接方式均相同。
如图4所示，本实施例中是将两级完全相同的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元，通过特征阻抗Z0_12＝50Ω的传输线TL12进行连接，电长度TH_12可以由版图位置自由调节，本实施例中选取电长度TH_12＝30°@34GHz。
对该实施例提供的如图4所示的由VPS1和VPS2两级级联而成的移相器进行仿真实验，图9为该移相器在Vc＝0V时的回波损耗特性。两级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元级联后，仍然能够实现从20GHz-50GHz的范围，好于-12dB的良好匹配；图10为该两级级联的移相器的移相特性，以偏置电压Vc＝0V时的相位作为参考相位，增大Vc可以实现相位移动；当偏置电压Vc>6V时可见频率在20-45GHz内可以实现大于360°移相；图11为该两级级联的移相器在相位调节过程中幅度变化的特性，在 24-44GHz实现±0.1.5dB的超低附加幅度变化；图12为该两级级联的移相器在偏置电压Vc＝0V时的插入损耗特性，由该仿真结果可见，本实施例提供的该两级级联的移相器损耗较小。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出以上实施列对本实用新型不构成限定，相关工作人员在不偏离本实用新型技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：其主要由多级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元依次级联而成；各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元之间，通过加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输出节点和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输入节点相连，实现多级级联；
所述各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元，包括输入节点、输出节点和正交耦合器；其中接收待移相信号的输入节点连接正交耦合器的输入端；其中输出移相信号的输出节点连接正交耦合器的隔离端；正交耦合器的直通端和耦合端分别连接一个单端口可变反射式负载单元。
2.如权利要求1所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：各级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输出节点通过传输线和与之相邻的下一级加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元的输入节点相连。
3.如权利要求1所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：各单端口可变反射式负载单元通过一个两端口第一串联电抗元件、一个两端口并联扇形线的超宽带匹配电路、一个单端口串联接地的可调谐容性器件级联而成。
4.如权利要求3所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：所述两端口并联扇形线的超宽带匹配电路主要由N级匹配单元电路依次级联而成，N≥1；每一级匹配单元电路主要由并联扇形线电路和第二串联电抗元件级联构成，每一级匹配单元电路包括一个以上的并联扇形线电路。
5.如权利要求3所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：所述第一串联电抗元件为采用串联结构的电感元件或传输线；所述可调谐容性器件为二极管或采用源极和漏极端口相连的三极管。
6.如权利要求4所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：所述第二串联电抗元件为采用串联结构的电感元件或传输线。
7.如权利要求1所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：所述单端口可变反射式负载单元为加载扇形线的可变反射式负载单元。
8.如权利要求1所述的加载扇形线反射负载的超宽带可调移相器，其特征在于：所述各加载扇形线反射负载的超宽带可调移相单元中，还包括一端与正交耦合器的直通端连接，另一端与外部供电相连的第一偏置电阻，以及一端与正交耦合器的耦合端连接，另一端与外部供电相连的第二偏置电阻。
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