移相器的原理

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1、#X波段五位数字式移相器的研究第三章移相器的原理移相器是控制信号相位变化的控制元件，广泛地应用于雷达系统、微波通信 系统和测量系统。依据不同的定义方法，移相器可以划分为不同的种类。根据控 制方式的不同，有模拟式和数宁式；根据工作方式的不同，可以分为反射型和传 输型：此外，根据电路拓扑的不同，移相器还可以分为加载线型、开关线型或开 关网络（高通/低通滤波器）型等.在这一章节中，介绍了移相器的基本移相原理和 主要性能指标要求，描述了各种类型移相器的工作原理、电路拓扑图和移相器电 路设计技术；分析了不同电路的工作原理，并对典型的移相器电路应用实例以及 移相器电路的发展进行了分析。3.1基本移相器原理

2、及技术指标3.1.1移相签的原理移相器有多种类型，适用于不同的应用环境，为了从原理上理解各种类型移 相器之间的差别，有必要就移相器的基本移相原理进行简单介绍。首先定义相位 移移相器和时延迟移相器相位移移相器的定义为在工作频率带宽上具有平坦群延迟的频率响应，波前 平面不随插入相位的变化而改变的控制器件.它具有如下两个特性：1. 对不同的相对相位移，具有平坦的频率响应；2. 具有固定的群延迟.（输入射频信号脉冲包络的时序不变）0参考图3.1.2相位移移相器的相对相位移图3.1.3相位移移相器的群延时图3.1.1相位移移相器的插入相位图3.1.1、3.1.2以及3.1.3所示为相位移移相器的频率特性

3、。相位移移相器可 以应用于多路间隔不同脉冲的接收一合并机中，将射频信号对位在脉冲的包络内 而不改变脉冲边沿的时序。然而，由于“相位偏斜和“脉冲展宽”效应的限制，相位 移移相器无法应用于大孔径相阵天线的宽带波束形成网络中时延迟移相器定义为在工作频率带宽上具有平坦的群延迟频率响应，但波前 平面随插入相位的变化而改变的控制器件。它具有如下两个特性：3. 具有线性的相对相位移频率响应，其梯度随相对相位移的变化而改变；4. 具有波前平面不同、平坦的群延迟频率响应。(导致输入射频信号脉冲包络 时序的改变)时延迟移相器的一个特殊例子是延迟线移相器，由下式定义：Ar=AZ(dO(3-1-1)0)这里Ar为群延

4、迟中的相对延时，AZSQ)为角频率为血时的相对相位移。皐ffi夜E图3.1.5时延迟移相器的相对相位#X波段五位数字式移相器的研究#X波段五位数字式移相器的研究图3.】.6时延迟移相器的群延迟图3.1.4时延迟移相器的插入相位图3.1.4, 3.1.5以及3.1.6所示为时延迟移相器的频率特性。时延迟移相器在 宽带微波信号处理系统中有着广泛的应用，如相阵天线的波束形成网络中。需要 指出的是，由于电路元件的非理想化，相位移移相器有可能呈现出延迟线移相器 的频率特性，反之亦然.3.1.2移相器的主要技术指标移相器的技术指标主要有241：工作频带、相移量、相位误差、插入损耗、 插损波动、电压驻波比、

5、功率容量、移相器开关时间等。第三章移相器的原理 2|1、工作频带移相器工作频带是指移相器的技术指标下降到允许界限值时的频率范围。数 字移相器大多是利用不同长度的传输线构成，同样物理长度的传输线对不同频率 呈现不同的相移，因此移相器工作频带大多是窄频带的。2、相移量移相器是两端口网络，相移量是指不同控制状态时的输出信号相对于参考状 态时输出信号的相对相位差。对于数字移相器，通常要给出移相器的位数或者相 位步进值。N位移相器可以提供M = 2个离散的相位状态。3、相位误差对于一个固定频率点，实际相移量的各步进值围绕各中心值有一定偏差；在 频带内不同频率时，相移量又有不同值。相位误差指标有时采用最大

6、相移偏差来 表示，也就是各频点的实际相移和理论相移之间的最大偏差值；有时给出的是均 方根(RMS, root-mean-square)相位误差，是指各位相位课差的均方根值。RMS误差 的计算公式为：RRMS)=严_6)2+； + 少”_6)2：(3-1-2)其中M,、D,(i = 1,分别为实际中测量和理想值。4、插入损耗和插损波动插入损耗的定义为传输网络未插入前负载吸收功率与传输网络插入后负载吸 收功率之比的分贝数，用IL表示：/ = -201g|521|(3-1-3)移相器是由微波开关和传输网络共同实现的，在两种相移状态下由于传输路 径不同，以及非理想开关在“导通”和“截止”两种状态时的插

7、入损耗不同等因素，都 会造成两种状态时移相器的插入损耗不同，这就使输出信号产生寄生幅度调制， 对整个电路的性能造成不利彩响，因此实际应用中要求移相器的插入损耗波动尽 量小。5、电压驻波比传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压振幅之比为电压驻波比，用VSWR表 示。通常，为了避免器件的引入而对前后电路性能造成影响，要求器件的输入、 输岀VSWR尽量小。6、开关时间和功率容量开关元件的通断转换，有一个变化的过程，需要一定的时间，这就是开关时 间。移相器的开关时间主要取决于驱动器和所采用的开关元件的开关时间。移相器的功率容量主要是指开关元件所能承受的最大微波功率。开关的功率第三章移相辭的原理#容量取决干

8、开关导通状态时允许通过的最大导通电流和截止状态时两端能够承受 的最大电压。3.1.3相移的定义绝对相移与相对相移在分析基本移相器之前，有必要首先明确相移的概念。本论文讨论移相器时 所运用的相移概念，都是一种相对相移的槪念而不是绝对的相移。请看框图：图3.1.7传输相位和损耗的定义第三章移相辭的原理#0 = arctanh图3.8开关式移相器原理图对照3.1.7,相位是以信号源电压人的相位作为参考來定义.而不是以二端 网络的输入电压芥作为参考。上面所谓的“绝对相移”便用“传输用位”给出，传输相 位0可以定义为】：(3一1一4)之所以称它为绝对，是因为信号通过任何传输线都会发生相位的改变，但这 种

9、变化却不是我们感兴趣的“相移这里所说的“相移”，指一个网络的传输相位0在不同情况所发生变化的一个差 值。若设一个二端有两种状态，其传输相位分别是妙和02,则该网络的相移为：(3-1-5)很明显，这是一种相位相对变化的定义,结合一个具体的例子就能很清楚这一点。如图3.1.8所示的开关线移相器的基本原理图中，当移相器工作时，PIN管开或关的两种状态决定了人或者厶支路的通断，因为两个支路都有一定的电长度，因此无论是哪一支工作都会引入相对于信号源相位不同的传输相位，假设1,2支路相对与信号源的相位会分别带来一 70。和一 115啲相位变化，这是不可避免的，但将两个支路相减后，就可以得到40=45。，说

10、明这是一个45。的移相单元，这才是我们最为关心的值。自然，人们通常更倾向于取正的相移量。但事实上，在上面的例子中可以看 岀，如果选择不同的参考支路，则移相单元的相移还可以是= 二者是一 回事，只是参照物不同。不过，为了避免混乱带來的麻烦，论文都只涉及相移量 的大小，和不去刻意追求符号上的差别。必须加以说明的地方，在文中会指明网 络哪种状态对应电长度最短的一种状态。相对参考波相位而言，经过电长度较长 的路径的波，其相位应该为负。3.2移相器的种类与传输线串联或并联的任何电抗，都会引入相移，因而可作为移相器的电路 结构可以有无限多种。但是作为一种实际应用的电路，必然会有许多性能上的要 求，对于移相

11、器而言，要求其插入损耗和反射损耗都要小，那么，实用的电路就 减到少数几种而已。每一种结构在尺寸、带宽、由每个二极管获得的相移量以及 诸如此类的其他方面都各有千秋。3.2.1反射型移相器及其功率容量反射网终1开关图3.2.1屯抗网络反射式移相器原理图322移相线段反射式移相器原理反射型移相器的基本原理0Q26.27）是在均匀传输线的终端接入电抗性负载，利 用开关变换负载的阻抗特性，从而改变负载反射系数的相位，使入射波和反射波 之间产生相位移。这种移相器的原理示意图如图3.2.1和3.2.2所示。当终端元件 反射系数从r,=|r,|e转换到匚司功严时。反射信号相位移就是ZMf rf和 对应于反射功

12、率，如果能保持|r.|=|r2|=o,则移相器插入损耗将为零。图中表 明传输线终端有两类:第一类是采用电抗网络终端，当开关闭合、断开时，电抗网 络的输入电抗发生变化，如图3.2.1所示，这是最常用的方式，称之为开关电抗型。 电抗网络常使用微带网络，较低频率时也可用电感和电容器。第二类是用单刀单 掷开关，在其后附加一段终端短路传输线，如图3.2.2所示，它类似于开关线移相 器，当JT咲断开时，信号通过传输线到短路点再反射回來，移相器的相位变化为 短路传输线电长度的2倍，因此它比开关线移相器所需传输线要短一半。#X波段五位数7式莎栢器的研究在实际电路中，要求移相器为二端口网络，需要将输入信号和输出

13、信号分隔 开，常用坏形器或定向耦合器作为变换元件实现信号分离。定向耦合器常用电路 形式为分支线混合接头和耦合线耦合器（如兰格耦合器）。定向耦合器相对于环形器 的不同点是:（1）集成电路工艺容易实现，可以和电抗网络一次加工出來；（2）需要用 两个微波开关，虽然多用了器件，但是每只开关只承担一半功率，因而移相器的 功率容量增加了一倍。图323是定向耦合器反射型移相 器的电路原理图。由于实际上PIN开关 并非理想开关，在导通和截止两种状态 时的电抗值也不相等，此外，还希望这 种定向耦合器移相器能提供其它移相 量。因此实际的电路中在PIN开关和定 向耦合器的、端口之间加有电抗变 换网络。假设通过电抗网

14、络后，在定向耦合 器、端口的反射系数模值相同，而相位角不同：呈现的归一化电纳为土由上式得(3-2-1)= arctan(3-2-2)（jBt表示PIN开关在两种状态时的电纳值），则相应两种状态的反射系数是 J(0=90)(326)#X波段五位数7式莎栢器的研究 J(0=90)(326)#X波段五位数7式莎栢器的研究相移虽就是0 = 0-4（3-2-3）在设计移相器时，M是给定指标，它决定了对和及的要求。把公式（32 一2）（3 23）进行化简得到(3-2-4)例如，当A0为45% 90 180时，要求须分别满足下述关系式B -B打如4 卄(3-2-5) J(0=90)(326)#X波段五位数字

15、式移相器的研究ZE(A=1809(3-2-7)以上对E和及要求的实现，需要根据PIN开关的实际参数.选择合适的电抗 网络拓扑，再用计算机对电抗网络进行优化设计。在电抗网络的设计中，还有一 些参駐设置值也对设计产生影响。同时PIN二极管的参数甚至其焊接工艺对相移 歐的影响也不能忽视。在设计完成后的调试过程中，可以通过改变焊点大小、增减金丝多少來对移相器相移量进行微调。O 片一 Al曲瑶口网络开关为了讨论反射型移相器的功 率容ftI26将反射型移相器的原 理图简化表示为一个以理想开关 为终端的无源网络。如图3.2.4所#X波段五位数字式移相器的研究示（其中岭为入射电压.匕为反射 图3.2.4反射式移相器的电路原理简化图电压）。Hines1281推导岀了这种反射式网络单元的功率容量基本运算 法则，即如果和川分别是当开关断开和闭合时网络输入端口处的电压反射系 数.那么运算法则可以表述为：(3-2-8)假设在网络输入端口处有一个恒定阻抗的信号源（短