一种紧凑型高精度数字多位移相器

1.本发明属于基本电气元件技术领域，涉及移相器设计，特别涉及一种紧凑型高精度数字多位移相器。


背景技术：

2.移相器广泛应用于通信、雷达、电子对抗及微波自动测量等系统中，尤其在相控阵天线、雷达系统中应用最为广泛。移相器控制每个发射天线单元的馈电相位，以改变辐射波束方向，实现对目标物体的扫描。作为相控阵的关键元件，移相器的性能限制了相控阵的波束指向分辨率、波束指向精度和波束指向范围。在应用系统中，要求移相器相位精度高、相位/增益误差小、插入损耗小、功耗低、电路尺寸小等。特别在移相精度方面，高精度移相器有助于提高天线的扫描精度，可以显著降低相控阵系统的波束转向误差。除此之外，在需要大量移相器的相控阵系统中，移相器的尺寸及插入损耗性能也是重要的关注点。综上所述，如何设计低成本，高紧凑性，高移相精度的移相器是一个亟需解决的问题。在专利文件cn 112768853 b中发明的基于通用传输线共享策略的倒e型单电路多比特移相器，提出了移相单元共享传输线技术，但在移相精度方面，只在中心频点处实现了高精度，在频带内的移相误差仍然较大。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种紧凑型高精度数字多位移相器，旨在解决传统微带式移相器尺寸大、插入损耗高、移相精度低的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种紧凑型高精度数字多位移相器，包括：介质基板、金属地板、一条通用传输线、短路调节枝节、n位移相器的2n段开路微带线和2n个开关；每一段开路微带线通过一个开关连接加载于所述通用传输线；两段结构与参数完全相同的开路微带线构成一组开路微带线；
6.所述n位移相器共有n个移相量，每个相移量由加载的电抗负载变化引起；对于每一移相量，开关处于断开状态时，其所连接的开路微带线不起作用，此时相移量为θ，通用传输线上并联电纳为0；开关处于闭合状态时，其所连接的开路微带线接入，此时相移量为θ
t
，通用传输线上并联电纳为jb1；移相量表示为ψ＝θ-θ
t
；在同一时刻，仅有一组开路微带线接入所述通用传输线，即，所述通用传输线被每个移相状态重复使用，每次仅实现一个移相状态。
7.在一个实施例中，所述介质基板与金属地板面积相同，金属地板设置于介质基板底面，所述通用传输线印刷于介质基板的上表面，所述短路调节枝节通过金属通孔与金属地板进行电气连接，且短路调节枝节直接接入通用传输线中。在一个实施例中，所述通用传输线的阻抗为50ω，所述开路微带线为矩形开路微带线，所述短路调节枝节设置为并联的两段，其形状为矩形，每段长度约为四分之一波长，并根据尺寸需求进行弯折，短路枝节的
两部分都分布于通用传输线的同侧，两部分之间距离不做限制。
8.在一个实施例中，控制同一组开路微带线的开关受控于一个控制电压，实现同开同关。
9.在一个实施例中，不同移相量对应的一组开路微带线中，两段开路微带线的间距不同，不同移相量对应的一组开路微带线的尺寸参数不，且不同参数的开路微带线间间距不同。
10.在一个实施例中，所述一组开路微带线分布在通用传输线的同一侧。
11.在一个实施例中，取n＝5，移相器共具有五个移相态，分别为：45
°
、22.5
°
、11.25
°
、5.625
°
、2.81
°
，移相量45
°
、22.5
°
的两组开路微带线分布在通用传输线的一侧，移相量11.25
°
、5.625
°
、2.81
°
的三组开路微带线分布在通用传输线的另一侧。
12.在一个实施例中，所述短路调节枝节与移相量45
°
、22.5
°
的两组开路微带线同侧分布。
13.在一个实施例中，所述开关为pin二极管开关。
14.在一个实施例中，所述pin二极管控制信号通过译码器实现，当n＝5时，选用3-8译码器。
15.区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：利用同一条传输电路实现了多个移相状态，另外引入调节枝节，使移相器同时实现了小型化及高精度。
16.本发明通过多个移相单元重复利用一条微带线，实现移相器的紧凑结构及低插损，同时添加短路枝节提高移相器频带内移相精度，移相器的移相状态相互独立。因此本发明所提出的紧凑型高精度数字移相器保证了较低的插入损耗和小尺寸，同时具有较高的移相精度。
附图说明
17.图1为本发明结构示意图。
18.图2为本发明结构参数图
19.图3为本发明在六种状态下的s参数图，其中(a)为非移相态的s参数图，(b)为45
°
移相态的s参数图，(c)为22.5
°
移相态的s参数图，(d)为11.25
°
移相态的s参数图，(e)为5.625
°
移相态的s参数图，(f)为2.81
°
移相态的s参数图。
20.图4为本发明的相移量图。
21.图5为本发明在五种移相状态下的相位误差图。
22.图中：1、介质基板；2、金属地板；3、通用传输线；4a、5a、短路调节枝节；4b、5b、短路调节枝节金属通孔；61、63、71、73、81、83、91、93、101、103、pin开关二极管；62、64、72、74、82、84、92、94、102、104、开路微带线。
具体实施方式
23.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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。
24.如前所述，现有的移相器，一方面其移相精度尚待提高，另一方面其尺寸仍然相对
较大，不够紧凑。基于此，本发明提出了一种紧凑型高精度数字多位移相器，通过共享传输线技术实现移相器的低插损和小尺寸；同时添加短路调节枝节提高移相器的移相精度；移相器的每个移相状态相互独立。本发明所提出的紧凑型移相器在有限的空间中集成了多个移相单元，在实现小型化的同时，依然保证了频带内良好的移相精度。
25.如图1所示，本发明一种紧凑型高精度数字多位移相器，包括介质基板1、金属地板2以及微带结构。其中微带结构印刷于介质基板1的上表面，主要包括一条通用传输线3、提供移相态的偶数段开路微带线、控制每段开路微带线的相应数量开关、加载于通用传输线的短路调节枝节以及将短路调节枝节与金属地板进行电气连接的金属通孔。对于n位移相器，则具有2n段开路微带线，2n个开关，每一段开路微带线通过一个开关连接加载于通用传输线3；两段结构与参数完全相同的开路微带线构成一组开路微带线。
26.显然，n位移相器共有n个移相量，每个相移量由加载的电抗负载变化引起。对于每一移相量，当某个开关处于断开状态时，其所连接的开路微带线不起作用，此时相移量为θ，通用传输线上并联电纳也为0。当某个开关处于闭合状态时，其所连接的开路微带线接入，此时相移量定义为θ
t
，通用传输线上并联电纳则为jb1，移相量可表示为ψ＝θ-θ
t
。在本发明中，同一时刻仅有一组开路微带线能够接入通用传输线，即，该通用传输线3能够被每个移相状态重复使用，每次仅实现一个移相状态。显然，为便于控制，同一组开路微带线的开关可受控于一个控制电压，实现同开同关。
27.金属地板2设置于介质基板1的下表面，通用传输线3和短路调节枝节则印刷于介质基板的上表面。显然，介质基板1的面积宜与金属地板2的面积相同。本发明实施例中，介质基板1使用厚度为20mil且介电常数为3.55的rogers 4003c，通用传输线3为50ω通用传输线，开关使用pin二极管开关，例如infineon bar64-02v的pin二极管，金属地板2的厚度为0.15mil。
28.在本发明的具体实施例中，开路微带线为矩形开路微带线，一组开路微带线宜分布在通用传输线3的同一侧。本发明移相量具有独立性，可以自由设计，本实施例取n＝5，则移相器共具有五个移相态，分别为：45
°
、22.5
°
、11.25
°
、5.625
°
、2.81
°
，其中移相量45
°
、22.5
°
的两组开路微带线分布在通用传输线3的一侧，移相量11.25
°
、5.625
°
、2.81
°
的三组开路微带线分布在通用传输线3的另一侧。
29.本实施例中，短路调节枝节设置为并联的两段，分别为短路调节枝节4a和短路调节枝节5a，与移相量45
°
、22.5
°
的两组开路微带线同侧分布，两段短路调节枝节的形状均为矩形，每段长度约为四分之一波长，并可以根据移相器尺寸需求进行适当弯折，末端分别通过短路调节枝节金属通孔4b和5b与金属地板2进行电气连接。
30.两段短路调节枝节直接接入50ω通用传输线中，均分布在同侧，且两者间距离不做限制。短路调节枝节提高移相器移相精度、带内平坦度的同时，也使其实现了良好的匹配。以下具体介绍短路调节枝节作用原理：
31.普通微带线的频率-相位特性表现为：随着频率增加，相位滞后。在微带传输线上引入一个补偿网络，进行相位预补偿。对引入的加载网络进行分析可知，若引入一个电容，则传输相位滞后；若引入一个电感，则传输相位超前。对微带传输线引入电抗特性由小电感变为小电容的补偿网络，补偿传输线随频率增加相位滞后的规律，采用四分之一波长终端短路线即可实现这种补偿特性。对于特性阻抗为z，电长度为中心频率f0处的1/4波长的终
端短路线，对于任意频率f，其输入阻抗为:
[0032][0033]
当f＝f
0-δf时
[0034]
等效为电感
[0035]
当f＝f0 δf时
[0036]
等效为电容
[0037]
当f＝f0时
[0038]
zin＝∞
[0039]
在主传输线上加载四分之波长的短路线，即可达到在中心频率附近完成相位种偿功能，在本发明中，采用两条四分之一波长短路调节枝节，由此提高整个频带内的移相精度。另外，四分之一波长短路调节枝节在中心频率处可等效为电容电感并联谐振电路，从而引入传输零点，与未加入调节枝节相比，每个移相态都在中心频率处都变现出良好的回波损耗。
[0040]
参考图2，本发明实施例中，结构尺寸见表1所示：
[0041]
表1
[0042]
结构lwl0w0l1l2l3l4尺寸(mm)2321231.139.975.544.012.83结构l5l6w1w2w3w4w5w6尺寸(mm)1.36190.810.80.50.52
[0043]
其中：l为介质基板1的长度，w为介质基板1的宽度，l0为50ω通用传输线3的长度，w0为50ω通用传输线3的宽度，l1为微带线62、64的长度，w1为微带线62、64的宽度，l2为微带线72、74的长度，w2为微带线72、74的宽度，l3为微带线82、84的长度，w3为微带线82、84的宽度，l4为微带线92、94的长度，w4为微带线92、94的宽度，l5为微带线102、104的长度，w5为微带线102、104的宽度，l6为短路调节枝节4a、5a的长度，w6为短路调节枝节4a、5a的宽度。
[0044]
本实施例中，十段开路微带线分为五组，每组由两段结构参数完全相同的微带线组成，它们提供了每一种移相量所需的电纳。因此本实施例移相器具有五个移相状态，分别为：45
°
、22.5
°
、11.25
°
、5.625
°
、2.81
°
。开路微带线62、64提供45
°
移相量所需电纳jb1；开路微带线72、74提供22.5
°
移相量所需电纳jb2；开路微带线82、84提供11.25
°
移相量所需电纳jb3；开路微带线92、94提供5.625
°
移相量所需电纳jb4；开路微带线102、104提供2.81
°
移相量所需电纳jb5。
[0045]
本实施例中，移相量45
°
、22.5
°
的微带线62、64、72、74及短路调节枝节分布在通用传输线3一侧，移相量11.25
°
、5.625
°
、2.81
°
的微带线82、84、92、94、102、104分布在通用传输线3的另一侧。
[0046]
本发明中，不同移相量对应的一组开路微带线中，两段开路微带线的间距不同，不同移相量对应的一组开路微带线的尺寸参数不同，且不同参数的开路微带线间间距不同。具体到本实施例中，即：微带线62与64间距、微带线72与74间距、微带线82与84间距、微带线
92与94间距互不相同；微带线62与64间距、微带线102与64间距两者相同。微带线62与72间距、微带线82与92间距、微带线82与102间距互不相同。
[0047]
本实施例中，为了减少控制信号使用，用一个电压实现同一移相量的两个开关通断。开关61、63控制电压设置为v1，开关71、73控制电压设置为v2，开关81、83控制电压设置为v3，开关91、93控制电压设置为v4，开关101、103控制电压设置为v5。
[0048]
当v1＝v2＝v3＝v4＝v5＝0，所有pin二极管开关都断开，并联开路微带线都未接入传输线，电路等效为电长度为θ的通用传输线，相位为ψ0，ψ0为基准相位。当v1＝3v，v2＝v3＝v4＝v5＝0，pin二极管开关61、63闭合，微带线62、64发挥作用，主线两端并联电纳为jb1，电路等效为电长度为θ
t1
的传输线，此时ψ1＝θ-θ
t1
＝45
°
。当v2＝3v，v1＝v3＝v4＝v5＝0，pin二极管开关71、73闭合，微带线72、74发挥作用，主线两端并联电纳为jb2，电路等效为电长度为θ
t2
的传输线，此时ψ2＝θ-θ
t2
＝22.5
°
。当v3＝3v，v1＝v2＝v4＝v5＝0，pin二极管开关81、83闭合，微带线82、84发挥作用，主线两端并联电纳为jb3，电路等效为电长度为θ
t3
的传输线，此时ψ3＝θ-θ
t3
＝11.25
°
。当v4＝3v，v1＝v2＝v3＝v5＝0，pin二极管开关91、93闭合，微带线92、94发挥作用，主线两端并联电纳为jb4，电路等效为电长度为θ
t4
的传输线，此时ψ4＝θ-θ
t4
＝5.625
°
。当v5＝3v，v1＝v2＝v3＝v4＝0，pin二极管开关101、103闭合，微带线102、104发挥作用，主线两端并联电纳为jb5，电路等效为电长度为θ
t5
的传输线，此时ψ5＝θ-θ
t5
＝2.81
°
。
[0049]
本发明移相器的控制信号通过译码器实现，本实施例可使用3-8译码器，例如74ls138译码器，a0、a1、a2作为输入端控制五个输出端的电平信号、每一种状态只有一个输出端是低电平，因此输出信号经过非门y1、y2、y3、y4、y5作为v1、v2、v3、v4、v5使用，控制pin开关二极管，即控制信号置1位为高电平( 3v)，置0位为低电平。根据表2，输入“000”，pin二极管开关全部断开，此时为非移相状态；输入“001”，v1为3v，pin二极管开关61、63导通，此时为45
°
移相态；输入“010”，v2为3v，pin二极管开关71、73导通，此时为22.5
°
移相态；输入“011”，v3为3v，pin二极管开关81、83导通，此时为11.25
°
移相态；输入“100”，v4为3v，pin二极管开关91、93导通，此时为5.625
°
移相态；输入“101”，v5为3v，pin二极管开关101、103导通，此时为2.81
°
移相态；
[0050]
表2
[0051][0052]
本实施例中，移相器的中心频率为2.4ghz，带宽为200mhz。
[0053]
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
[0054]
如图3中(a)～(f)所示，为本实施例一种紧凑型高精度数字多位移相器的六个状态：非移相态、45
°
移相态、22.5
°
移相态、11.25
°
移相态、5.625
°
移相态、2.81
°
移相态的s参数图。仿真结果图显示，移相器具有较低的插入损耗，各个移相态的插损分别为：0.87db、0.51db、0.51db、0.46db、0.46db。同时，由于短路枝节的引入，使移相器得到良好匹配，在中心频率2.4ghz处具有良好的回波损耗。
[0055]
如图4所示，为本实施例一种紧凑型高精度数字多位移相器的移相量图。可以看出，在中心频率2.4ghz处五种移相态都具有较高的移相精度，具体表现为：45
°
/0.07
°
、22.5
°
/0.22
°
、11.25
°
/-0.06
°
、5.625
°
/0.03
°
、2.81
°
/0.14
°
，绝对移相误差低于0.22
°
。
[0056]
如图5所示，为本实施例一种紧凑型高精度数字多位移相器的移相误差图。可以看出，在200mhz带宽内各移相态高频移相误差与低频移相误差差值较小，频带内移相误差平坦度较高，具体表现为：45
°
/7.88
°
、22.5
°
/1.71
°
、11.25
°
/0
°
、5.625
°
/0.02
°
、2.81
°
/0.04
°
。
[0057]
综上，本发明的多位移相器具有低插损、小尺寸、精度高、结构紧凑等优点。
[0058]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。