2 0 0 5 ’全国微波毫米波会议论文集1 0 0 0 W 大功率移相器的设计研究李健开，唐小宏( 电子科技大学电子丁程学院成都6 1 0 0 5 4 )【摘要】基于反射式移相器的电路模型分析，给出了微带电路中的大功率移相器的实现方法，并利用该方法设计出L 波段1 0 0 0 W 的6 位大功率移相器关键字：移相器反射式P I N 一．极管大功率移相器是一种两端口网络．这种器件的输出和输入信号之间的相位差可咀被个控制信号所控制其分类有数字式和模拟式，数字式分铁氧体移相器和半导体移相器，其中半导体分作反射式和传输式移相器主要应用于相控阵天线系统中，作为控制天线阵的方向扫描控制l反射式移相器的原理分析图1 为最为常用的种二极管反射式移相器的原理图图中端口1 为3 d B 藕合器的输入端，端口3 为隔离端，当信号从端口l 输入时，信号功率以3 d B 的比例出现在耦合器的端口2 、4 信号在端口2和4 又被低损耗终端负载反射回耦合器，由于终端负载是对称的并且两路信号的相位正交( 相位相差9 0 ) 故耦台器使反射回来的功率改变方向而输出到隔离端l ：_ ] 3 因此该电路只要改变不问的负载形式就可以得到不同的相移。
而且该电路具有以F 优点：1 、这种电路用的配对二极管最少( 每何| _ I l i 个) 并且可以取向运用；2 、只要适当设计终端电路就能够得到任意的相移增量；3 、每位的传输匹配仅仅依赖于耦合器的．发计，而于终端电路的设计无关；4 、两个反射终端可进行最优化设计，使相频特性最佳、两种偏置状态的插入损耗平衡，或使功率承受能力最大，而与传输匹配无关对于该电路，耦合器的性能有以下两个要求：1 、两个输出臂的功率分割必须为3 d B ；2 、两路输出信号必须有9 0 的相位差基丁以上的分析，我们可以知道，反射式移相器的工作带宽只与耦合器的工作带宽有关，为了获得更宽的工作带宽，必须选择适当的耦合器而返波式混合耦台器具有很宽的工作带宽这是凼为，虽然耦台器只能在中心频率上才有3 d B 的功率分割，但其两个输出端口之间的9 0 相位差、输出端口的匹配以及方向特性三者在理论上均与频率无关不过，实际的耦合器必须用传输线连接，而由于有了接头，理论上与频率无关的特性便受到了破坏尽管如此，这种电路在接近与一个倍频程的带宽范围内，其电压驻波比仍然不大I N对称可切换的 反射负载，_ _r1- 4 ／4r2L 一一／F 。
L —I N 2 叫堕_ I I图1 发射式移相器国2 一对一极管直接接在3 d B 输出端朋的反射式移相器移相终端的设计对移相器的性能有着决定性的作用实际上，任何一种对称的反射元件都可以作为终端．一种最简中的办法，是将两个P I N ：极管直接安装在3 d B 耦合器的两个输出端口，其简单化模 型示于图2 我们在仅包含一个电容C 的二极管简化模型上外加个串联电感L 假定要设计个相移为1 8 0 的位，为了获得1 8 0 的相移，希望L 的电抗在史密斯圆图上于C 的电抗处于径向对称的位置如果两种偏置状态下的归化阻抗互为倒数，就出现这样的情况当要求的相移为1 8 0 时，我们般希望2 0 0 5 ’全国微波毫米波会议论文集掣：J w C Z o( 1 )磊～厅 Z 02 坛若感抗比容抗小得多( 即一极管处于反向偏置状态时，反射终端的总电抗表不成一，／w C 就够了) ，且相移为1 8 0 则方程( 1 ) 与频率无关假设我们用结电容为0 ．1 p f 的P I N 二极箭管芯制作1 8 0 的相移位 5 0 欧姆时，需要的串联电感为L = O ．9 5 p H ，图3 表明，当频率高达8 G H z 时，反射相位 与t 8 0 。
的偏离在2 高达1 8 G | { z 时，反射相位比1 8 0 小于2 0 图上也画出了正反偏置状态F 的吸收损耗尽管除了在1 4 G H z 附件以为两种偏置状态下的吸收损耗不相等，但是，对于大多数常用的 微波频段来说，这一设计似乎是近于理想的了然而，要真正获得这样的宽频性能，实际上是不太可能 的原因有二：1 、耦合器不可能在I G H z 到1 8 G H z 这样宽的频段上工作单节四分之一波长耦台器的带 宽大约限于一个倍额程；2 、实际耦合器3 d B 的两个输出端口的失配会引起相移变化，终端反射系数等 于某峰值时，这种变化特别火24681 01 21 41 61 8频率( 6 8 z )图3 用结电窖为0 ．1 p f 的二极管作为终端的移相位曲线2 实际电路的设计主要设计指标要求见表1表1 主要指标要求单位指标工作频率～f l t zi 0 0 0 —11 2 0输入最大峰值功率W≤1 0 0 0占窄比≤5 ％移项精度度均方根误差小于2 度插损d B≤2步进角度度56 2 5相移范围度O ～3 5 4 ．3 7 5输入输出电压驻波比≤l3由于该移相器峰值功率比较高，在P I N 二极管上的选择就显得极其重要了。
P I N 二极管的选择麻该遵循以下原则：正向电阻R ，、结电容c ，、热阻越小越好，反向击穿电压越高越好，以便承受足够高的功率用作大功率器件的基片材料主要有T M M I O ，氮化铝和氧化铍陶瓷等考虑到该移相器的平均 功率较高，这里选用的基材为氧化铍为了减少器件的体积和提高性能，移相器中的3 d B 耦台器采用 的是S A G E L A B O R A T O R I E S 公司的同轴耦合器B H C * I ，该耦台器的峰值功率可达2 0 0 0 W ，平均功率达I O O W ，满 足设计的功率要求；而该耦台器的插损仅为0 ．3 d B ，驻波比为1 ．2 ：1 在选择好电路基削、P I K 二檄管以及勰合器后就可以开始实际电路的设计与仿真了图4 为该大8 7 8衅l一静罂，||：．彳一～，二二一L ≥一铲孔靼2 0 0 5 ’全国微波毫米波会议论文集功率移相器的电原理图在图中的可调电容是为r 在调试中用来调节} Ⅱ位精度通过A D S 的优化发计仿真后得到该移相器各个位中的终端负载的债，并得到如图5 、图6 所永的仿真曲线图，图L p 是每‘移相何对应的移相度数和对应的插损和驻波。
从图中叫以看出无论是移相精度、捅入损耗或营足驻波比，都满足设计要求图4 1 0 0 0 W 移相器原理图 网 l ；塞害l l —．- d a b 5 lL 生型．；；；；；；；；；；；’罔5 各相移位的相移仿真曲线根据优化设计的结果，并结合工程设计的要求蕾◇彝毒摹夥窖§躐’71e1 514 矗耋13图6 各相移{ 奇对应的插损以及驻波的仿真曲线设计出如图7 所示的基片版图困7 移桐器版㈢8 7 9翁≯虿一满广p呈h恐2 0 0 5 ’全国微波毫米波会议论文集3实验结果及分析该电路每一位的测试结果见图8 和图9 该结果与仿真曲线相比较误差不大，只是插损比仿真结果偏大02 d B 左也其原因是在A D S 仿真中忽略了传输线的损耗，以及直流偏置网络带来的不平衡性导致的驻波偏大而实际设计中的误差对相位的影响| { I j 以通过在负载线上并联的可调电容，通过改变电容值的大少来达到补偿的作用在1 0 0 0 W 大功率实验巾，插损为2 d B 这是因为在大功率状态下，P I N 二极管的特性有相应的变化，其正向电阻要稍微增大，因而其插损要相应增大些4 结论图8 各相移位的相移测试曲线‘1奇- 1鲁一、≥《烫戈毫：) Z’( ，。
—疯 ‘7 ——^薹全哮叁{} 岔譬§釜箩‘远邃图9 各相移位对应的插损咀及驻波测试曲线本文通过对反射式移相器的理论分析，结合实际电路的设计来讨论了大功率移相器的设计过程并得出的实验结果，性能良好，具有很强的应用价值参考文献[ 1 ]R ．VG a r v ％‘' B r o a d ·b a n dd i o d ep h a s es h i f l e r s ，”I E E ET r a n sM i c r o w a v eT h e o r yT e c h ．，v o lM T T - 2o ' P P3 1 4 _ 3 2 3 ，M a y1 9 7 2( 2 ]BMS c h i f f m a n ，An e wc l a s so f b r o a d - b a n dm i c r o w a v e9 0 ·d e g r e ep h a s es h i f l e r s ，I R ET r a n s 一．M i c r o w a v eT h e o r yT e c h ，v 0 1 ．M T T _ 6 ，p p2 3 2 - 2 3 7 ，A p r ．1 9 5 8 ，【3 】REc o a l s ，U s eo fd i o d es w i t c h e si nb r o a d b a n dd i o d ep h a s es h i f t e ra p p l i c a t i o n s ，T e x a sI n s t n m a e n t s ，l n c ，D a l l a s ，u n p u b l i s h e dM e m o ．，D e c1 9 7 0[ 4 】D ，MK e m sa n dRWB e a t t y , B a s i cT h e o r yo f W a v e g u i d eJ u n c t i o n sa n dI n l r o d u e t o r yM i c r o w a v eN e t w o r kA n a l y s i sO x f o 吐E n g l a n d ：P e r g a m o n p r e s s ，1 9 6 7 ，【5 ] RA ．Z a c h a r y , J r ．，a n dLWD y e r , M a x w e l l i a nc a p a c i t a n c em a t r i xf o ras y s t e mo f p a r a l l e ls t r i pc o n d u c t o r so nad i e l e c t r i ci m e r f a c e ，D e s i g nA u t o m a t i o nD e p ．，T e x a sI n s t m m e n t $ ，I n e ．，D a l l a s ，u n p u b l i s h e dT e e hM e m o ，D e c1 9 6 7 ，[ 6 ] W h i t e ，J o s e p hK ，S e m i c o n d u c t o rC o n t r o l ，A r t e ch o u s e ，l n c ，D e d h a m , M A ，1 9 7 7 ：。