一种反射型可调模拟移相器的制作方法

1.本发明涉及射频电路与微波通信领域，更具体地，涉及一种反射型可调模拟移相器。


背景技术：

2.移相器作为无线移动系统中至关重要的器件之一，广泛应用于相控阵天线的波束扫描、多波束形成以及射频相位调制器等。移相器根据相移是否连续可调分为模拟移相器和数字移相器，相较于数字移相器，模拟移相器结构更简单。数字移相器主要分pin二极管移相器、铁氧体移相器和铁电移相器三类，模拟移相器包括负载传输线型和反射型。负载传输线型由周期性地加有变容二极管的传输线组成，利用变容二极管的特性能实现连续的相位变化，但也会导致负载线的阻抗发生变化，从而导致输入匹配不良，而且此类移相器相比反射型移相器移相量较小，同时存在插入损耗较高的缺点。反射型移相器通常由一个分支线定向耦合器和两个分别连接在耦合器的直通端和耦合端的变容二极管组成，能提供较大的相移量、良好的回波损耗以及较小的插入损耗。
3.在反射型移相器的设计中，相移量、插入损耗、插入损耗波动和带宽决定了移相器性能的优越性。为了扩展移相器的相移量，国内外学者已提出多种技术。其中包括采用双变容二极管反射终端电路实现了移相器在4.3536ghz时211
°
的相位可调范围； 一种分别采用l-c型和c-l-c型负载设计出两款工作频率为2.45ghz的模拟移相器，相移范围分别为120
°
和340
°
，通过在负载引入更多的谐振扩大了移相范围，但插入损耗也随之变大，分别为6.8db和12.6db；一种结合耦合线耦合器和三谐振负载所设计的的反射型移相器，采用双电压控制，相移量达到360
°
，损耗波动为0.2db,回波损耗在29ghz工作频点小于22.8db，但双电压控制以及三谐振负载的设计使移相器电路设计复杂度较高。
4.传统移相器大多工作在单个频点，带宽较窄，不适用于较宽频带的工作场景。传统双分支线定向耦合器虽然结构简单且制作方便，但工作带宽受限；lange耦合器虽然能实现较大的相对带宽，但由于微带线很窄且紧靠在一起，加工难度较大；耦合线耦合器也能实现较大的工作带宽，但通常需要开槽接地穿孔、表面贴装器件电容器以增加耦合，或多层制造，所有这些都使制造复杂化。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种反射型可调模拟移相器，结构简单，易于加工，能够实现工作频带内较好的回波损耗、较大的可调相移范围、低插入损耗以及低损耗波动。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：本发明提供一种反射型可调模拟移相器，包括：介质基板，所述介质基板底部接地；所述移相器还包括三分支线定向耦合器、反射终端电路、直流馈电电路、射频输入
端电路和射频输出端电路；所述射频输入端电路和射频输出端电路分别连接所述三分支线定向耦合器的输入端和隔离端；所述反射终端电路连接所述三分支线定向耦合器的直通端和耦合端，直流馈电电路在三分支线定向耦合器的输入端进行直流馈电。
7.上述设置达到的效果：通过对传统双分支线定向耦合器增加分支线节数的方法设计的三分支线定向耦合器有效地增大了移相器工作频带，改善了移相器工作频带内的回波损耗。通过在三分支线定向耦合器的直通端和耦合段连接相同的反射终端电路提升了移相器的可调相移范围，结构简单，无需复杂的谐振负载结构。
8.进一步的，所述三分支线定向耦合器，包括输入端微带线、隔离端微带、直通端微带线、耦合端微带线、第一四分之一波长主线、第二四分之一波长主线、第三四分之一波长主线、第四四分之一波长主线、第一四分之一波长分支线、第二四分之一波长分支线、第三四分之一波长分支线；上述设置达到的效果：所述三分支线定向耦合器用于将输入端信号在直通端和耦合段输出为两个幅度相等、相位相差90
°
的信号。
9.进一步的，所述介质基板为fr4介质基板，其介电常数为4.4，板材厚度为0.8mm。
10.进一步的，所述反射终端电路由两个相同的串联电路构成，包括第一高阻抗微带线、第一变容二极管、第二高阻抗微带线、第二变容二极管；所述第一变容二极管和第二变容二极管型号相同；所述直流馈电电路包括直流电源正极焊盘和带金属化过孔的负极焊盘、四分之一波长高阻抗微带线；直流电压通过四分之一波长高阻抗微带线进入三分支线定向耦合器然后到达第一变容二极管和第二变容二极管的阴极，使变容二极管电容值发生改变。
11.射频输入端电路包括移相器射频输入端微带线、第一隔直电容；射频输出端电路包括移相器射频输出端微带线、第二隔直电容。
12.上述设置达到的效果：所述直流电源通过直流馈电电路给两个变容二极管阴极施加反偏电压，使移相器终端电路阻抗变化，进而使射频输出端信号相位发生变化；两个隔直电容用于隔绝直流电，防止直流电信号对射频信号产生干扰。
13.进一步的，所述的三分支线定向耦合器的输入端微带线左端与射频输入端电路相连，隔离端微带线左端与射频输出端电路相连；直流馈电电路的四分之一波长高阻抗微带线下端与输入端微带线相连，四分之一波长高阻抗微带线的右端与直流电源正极焊盘相连，电源正极焊盘右端为电源负极焊盘，通过金属化过孔接地，电源通过四分之一波长高阻抗微带线给第一变容二极管、第二变容二极管施加反向偏置电压；反射终端电路中第一高阻抗微带线右端与第一变容二极管阴极相连，第一变容二极管阳极与右端接地焊盘相连，通过金属化过孔接地；第二高阻抗微带线右端与第二变容二极管阴极相连，第二变容二极管阳极与右端接地焊盘相连，通过金属化过孔接地。
14.进一步的，所述输入端微带线、射频输出端微带线、输入端微带线、隔离端微带线特征阻抗为50欧姆，直通端微带线、耦合端微带线的特征阻抗为30欧姆；第一四分之一波长主线、第二四分之一波长主线、第三四分之一波长主线、第四四分之一波长主线、第二四分之一波长分支线特征阻抗为35欧姆，电长度为90
°
；第一四分之一波长分支线、第三四分之
一波长分支线特征阻抗为120欧姆，电长度为90
°
；第一高阻抗微带线、第二高阻抗微带线特征阻抗为120欧姆，电长度为30
°
；四分之一波长高阻抗微带线宽度为0.25mm，电长度为90
°
；直流电源最大施加电压为15v，最小施加电压为0v。
15.上述设置达到的效果：通过改变直流电源的施加电压从15v到0v，从而改变变容二极管的容值，实现工作频带内189
°
左右的可调相移范围，并且实现频带内低插入损耗和低损耗波动，且具有良好的回波损耗。
16.进一步为，所述射频输入端电路由射频输入端微带线和第一隔直电容组成，输入端微带线为标准的50欧姆阻抗，第一隔直电容容值为1000pf,封装尺寸为0805型。
17.上述设置达到的效果：50欧姆阻抗输入微带线用于和标准的sma接头连接，使射频输入端阻抗匹配良好，0805型1000pf电容隔直性良好，且便于焊接。
18.进一步为，所述射频输出端电路由射频输出端微带线和第二隔直电容组成，输出端微带线为标准的50欧姆阻抗，第二隔直电容容值为1000pf,封装尺寸为0805型。
19.上述设置达到的效果：50欧姆阻抗输出微带线用于和标准的sma接头连接，使射频输出端阻抗匹配良好，0805型1000pf电容隔直性良好，且便于焊接。
20.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：1、本发明通过在三分支线耦合器的直通端和耦合段连接相同的反射终端电路提升了移相器的可调相移范围，结构简单，无需复杂的谐振负载结构。通过增大第一高阻抗微带线和第二高阻抗微带线的阻抗并改变电长度的值，同时减小三分支线定向耦合器直通端微带线、隔离端微带线的阻抗，进而扩大移相器的可调相移范围。
21.2、本发明通过利用三分支线定向耦合器有效地解决了传统反射型移相器带宽不足的缺点，所设计的反射型移相器在工作频带内具有小于-21db的回波损耗值，且插入损耗小于2.2db,插入损耗波动小于1 db。
22.3、本发明电路结构简单，可通过市面上普通的印制板工艺制作，且具有成本低廉、易于加工等优点，有一定的应用前景。
附图说明
23.图1为本发明一种反射型可调模拟移相器的电路结构示意图;图2为本发明一种反射型可调模拟移相器的回波损耗曲线图;图3为本发明一种反射型可调模拟移相器的相位变化曲线图;图4为本发明一种反射型可调模拟移相器的插入损耗曲线图。
24.图中：1、三分支线定向耦合器；2、反射终端电路；3、直流馈电电路；4、介质基板；5、射频输入端电路；6、射频输出端电路；7、输入端微带线；8、隔离端微带线；9、第一四分之一波长分支线；10、第一四分之一波长主线；11、第二四分之一波长分支线；12、第三四分之一波长主线；13、第二四分之一波长主线；14、第三四分之一波长分支线；15、第四四分之一波长主线；16、直通端微带线；17、耦合端微带线；18、第一高阻抗微带线；19、第二高阻抗微带线；20、四分之一波长高阻抗微带线；j1、射频输入端微带线；j2、射频输出端微带线；c1、第一隔直电容；c2、第二隔直电容；d1、第一变容二极管；d2、第二变容二极管；v_dc、直流电源；via hole1、电源负极接地过孔；via hole2、第一变容二极管阳极接地过孔；via hole3、第二变容二极管阳极接地过孔。
079lf。
36.三分支线定向耦合器中主线和支线的阻抗由以下公式进行初步设计：和支线的阻抗由以下公式进行初步设计：其中z0为输入端微带线7、隔离端微带线8、直通端微带线16、耦合端微带线17的特征阻抗；z1为第一四分之一波长分支线9和第三四分之一波长分支线14的特征阻抗；z2为第二四分之一波长分支线11的特征阻抗；z3为第一四分之一波长主线10、第二四分之一波长主线13、第三四分之一波长主线12、第四四分之一波长主线15的特征阻抗。
37.通过对传统双分支线定向耦合器增加分支线节数的方法设计的三分支线定向耦合器有效地增大了移相器工作频带，改善了移相器工作频带内的回波损耗。
38.进一步根据相移量关系式设计直通端、耦合端以及高阻抗微带线的特征阻抗：其中，为移相器能够实现的相移量，za为第一高阻抗微带线18和第二高阻抗微带线19的特征阻抗，θa表示两段高阻抗微带线的电长度，z
t
为直通端微带线16和耦合段微带线17的特征阻抗。
39.为了获得尽可能大的相移量，应尽量满足：并且，由上述对相移量的分析，将直通端微带线16、耦合端微带线17的特征阻抗减小，且增大第一高阻抗微带线18、第二高阻抗微带线19的特征阻抗、同时调节两者的电长度，能够扩大移相器的相移范围。
40.在本发明的具体实施例中，该反射型移相器的工作频段为1.98ghz~2.01ghz和2.17ghz~2.2ghz。射频输入端微带线j1、射频输出端微带线j2、输入端微带线7、隔离端微带线8特征阻抗为50欧姆，直通端微带线16、耦合端微带线17的特征阻抗为30欧姆；第一四分之一波长主线10、第二四分之一波长主线13、第三四分之一波长主线12、第四四分之一波长主线15、第二四分之一波长分支线11特征阻抗为35欧姆，电长度为90
°
；第一四分之一波长分支线9、第三四分之一波长分支线14特征阻抗为120欧姆，电长度为90
°
；第一高阻抗微带线18、第二高阻抗微带线19特征阻抗为120欧姆，电长度为30
°
；四分之一波长高阻抗微带线20宽度为0.25mm，电长度为90
°
；采用的第一隔直电容c1和第二隔直电容c2容值均为1000pf；直流电源v_dc施加电压范围为0v~15v，根据所选的参数设计本发明的一种反射型可调模拟移相器。
41.图2为本发明的移相器在1.98ghz~2.2ghz频段内的回波损耗曲线图，如图2所示，该移相器回波损耗在上行工作频段1.98ghz~2.01ghz和下行工作频段2.17ghz~2.2ghz内随
着直流电压变化而变化，但在工作频段内回波损耗值都小于-21db。
42.图3为本发明的移相器在1.98ghz~2.2ghz频段内的插入损耗曲线图，如图3所示，该移相器插入损耗在上行工作频段1.98ghz~2.01ghz和下行工作频段2.17ghz~2.2ghz内随着直流电压变化而变化，但在工作频段内插入损耗值都小于-2.2db,且插入损耗波动小于1db。
43.图4为本发明的移相器在1.98ghz~2.2ghz频段内的相位变化曲线图，如图4所示，展示了该移相器在0v~15v的直流工作电压下的可调相移范围，达到189
°
左右，且在工作频带内的移相范围误差不大于3
°
。
44.综合上述分析与仿真，一种反射型可调模拟移相器可以实现在工作频带内189
°
左右的相位连续可调，且具备小于2.2db的插入损耗，小于1db的插入损耗波动，具有小于-21db的回波损耗，性能良好，可应用于射频系统。
45.本发明针对移相器宽频带、大相移量等需求，采用三分支线定向耦合器1拓宽了移相器的频带，使移相器在工作频带内回波损耗良好；同时，利用变容二极管和高阻抗微带线构成的串联谐振电路增大了移相器的反射负载阻抗变化范围，从而增大相移量；介质基板采用fr4(玻璃纤维环氧树脂材料)，成本低廉，便于加工。
46.在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。
47.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
48.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；可以是直接相连，也可以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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
50.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
51.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。