中频及微波数字移相器课件

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1、中频、微波数字移相器主要内容引言引言移相器基本原理移相器基本原理中频宽带五位数字移相器研究中频宽带五位数字移相器研究Ku波段六位数字移相器研究波段六位数字移相器研究结论结论引言移相器发展动态移相器发展动态国外 国外开展MMIC研究较早，设备先进，工艺成熟，MMIC工艺线可以实现代加工（Foundry）生产 ，大部分移相器已实现单片化 K波段五位小型MMIC移相器 ，在19GHz时测得的移相器的插入损耗为50.6dB，均方根相位误差为3度。 引言移相器发展动态移相器发展动态 国内与国外相比，国内对MMIC的研究起步较晚，工艺还不成熟，但也进行了各类MMIC的研制，包括MMIC移相器，并取得了一定

2、的成果国内对移相器的研究仍集中在混合集成方面 十三所研制出了一种60MHz的八位数字移相器，插入损耗最大4.5dB,外形尺寸是135mm118mm36mm .并且与美国Merrimac公司生产的同类产品相当. 随着新材料和新工艺的不断出现和发展，移相器将随着新材料和新工艺的不断出现和发展，移相器将继续朝着高性能、小型化和低成本方向发展继续朝着高性能、小型化和低成本方向发展引言主要内容：中频宽带五位数字移相器的设计、制作与测试。 Ku波段5.625度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段45度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段90度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段18

3、0度相移位单元电路的设计、制作与测试。 Ku波段六位数字移相器的设计、制作与测试。数字移相器驱动电路的设计与制作。中频宽带五位数字移相器的电路设计指标如下：工作频率：6010MHz输入信号：-1010dBm插入损耗：5dB相位误差：3.5度输入、输出端电压驻波比小于2移相范围：360度幅度不平衡：1dB工作电压：5V电流：0.1A控制电压：TTL电平外形尺寸：40mmX30mmX20mm可拆卸式SMA(I/O)端口阻抗（I/O）:50并且要通过高低温、振动、冲击等试验引言引言Ku波段六位数字移相器的电路设计指标如下： 工作频率：15GHz 插入损耗：6dB 移相范围：360度，步进5.625度

4、 相位误差：4度 幅度不平衡：1dB 输入、输出电压驻波比：2 接头：RF端口用SMA-K 控制端口用调制插座（9线）移相器基本原理移相器的分类（根据电路拓扑）：加载线型移相器耦合器型移相器开关线型移相器高通低通滤波器型移相器移相器的类型和主要技术指标 l技术指标工作频率相移量相移精度移相器开关时间寄生调幅 加载线型移相器加载线型移相器通常用于小相移位加载线型移相器通常用于小相移位. .NoImage移相器基本原理图4（c）是均匀传输线，为了满足输入匹配的要求，应该有 图4（c）的归一化矩阵a为 01121101cossinsin (sin2cossin)cossinYBjYYaBYBYBjY

5、Y 图4（b）的三个元件级联矩阵是 1coscossinBY根据矩阵元素相等的原则，可得 1arccos(cossin )BY于是可以得到相移量和加载电抗的关系式 1arccos(cossin )BY移相器加载线开关线分支电桥环行器耦合传输式反射式模拟式数字式开关电抗开关长度放大器图 1 微波集成移相器分类耦合器型移相器耦合器型移相器通常用于实现较大相移耦合器型移相器通常用于实现较大相移. .V1V212121234移相器基本原理CDEba1jV2jVMdABCD输入输出ECDE（a）（b）（c）图 7 平衡式移相器（a）微带槽线电路；（b）1jV短路、2jV开路时传输路径；（c）2jV短路、

6、1jV开路时传输路径。通过电抗网络后，相应两种状态的反射系数是 21BBarctgB B开关线型移相器基于延迟线电路理论谐振现象 InputOutputZoZoZoZoL1L2L2L1ZoZoZoZoABInputOutput/4/4/4/4(a)(b)S11S12S21S22S11S12S21S22移相器基本原理 12122gl开关线移相器5 . 22/045/090/0180/0输 入输 出l要注意的几个技术问题：当开关传输线长度达到某个频率的半波长时，将产生谐振现象，从而增大插入损耗。 要求在两种状态下输入端都要良好匹配 。开关的两条移相线相互距离要足够远 。l平衡式移相器 221 1

7、211jjB B jBejBB 高通低通滤波器型移相器适用于频率低端适于宽频带应用 InputInputOutputOutput-jXnjXn-jBnjBn-jBn-jBn-jXn-jXnjXnjXnjBnjBn(a)(b)移相器基本原理l 各种移相器的特点比较 l开关线移相器 小移相位(22.5o和45o)的尺寸可以做的很小 ,其每位都需要四个二极管 ,其损耗比加载线型也大的多l加载线移相器 用于小移相位时，其性能指标较好 l反射型移相器 二极管用量少,尺寸比较大, 其插入损耗随着移相位的增大而增加。 l平衡式移相器 能做到无寄生调幅，而且驻波比也一样,输入/输出信号相互隔离很好 ,缺点是微

8、带-槽线转换多，移相器总损耗较大。 中频宽带五位数字移相器研究中频宽带五位数字移相器设计方案型结构的高通/低通滤波器型移相器理论相位误差分析 中频宽带五位数字移相器的电路设计 中频宽带五位数字移相器的实现 中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析 中频宽带五位数字移相器设计方案设计要求（难点）、相对带宽超过超过33、超小的实物外形40mm40mm30mm30mm20mm20mm高通/低通滤波器型移相器11.25度、22.5度、45度和90相移位具体电路结构图 InputOutput-jXnjXn-jBnjBn-jBnjBnRFCRFCRFCPIN1PIN2PIN3PIN4中频宽带五位数字移相器设

9、计方案中频宽带五位数字移相器设计方案180度相移位具体电路结构图 三级单位60度相移单元级联获得180度相移位 InputOutput-jXnjXn-jBnjBn-jBnjBnRFCRFCRFCPIN1PIN2PIN3PIN4-jXn-jXnjXnjXn-2jBn-2jBn2jBn2jBn中频宽带五位数字移相器设计方案中频宽带五位数字移相器设计方案 型结构的高通/低通滤波器型移相器理论相位误差分析 论证了所选用方案的可行性 在6010MHz频率范围内的理论相位误差相移位理论相位误差(度)11.25度相移位0.09522.5度相移位0.1945度相移位0.39590度相移位0.95180度相移位

10、1.655348.75度相移位3.285中频宽带五位数字移相器的电路设计各相移位高通和低通支路中电感和电容的初值计算中心频率的归一化电纳 中心频率的归一化电抗00ta n4nB00s in2nXInputOutput495.3nH14.2pF106.2pF66.4nH66.4nH66.4nH14.2pF28.4pF28.4pF106.2pF106.2pF495.3nH247.6nH247.6nH180度相移位元件初值中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化 根据理论计算结果选定距离理论值最近的电感量，再对电容进行优化，直到技术指标达到最佳结果，最后，根据实际的电容值组合出距离优化值

11、最近的电容组合. 中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化单位电路的仿真模型中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化（a）插入损耗 （b）相移InputOutput(510/27/0.8)pF8.2nH2700nH(2/1.4)pF2700nH(2/1.4)pF （c）回波损耗 （d）最终元件值11.25度相移位的优化结果度相移位的优化结果中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化（a）插入损耗 （b）相移（c）回波损耗 （d）最终元件值22.5度相移位的优化结果度相移位的优化结果InputOutput(240/30/7.5)pF18nH1500nH7.5pF

12、1500nH7.5pF中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化（a）插入损耗 （b）相移（c）回波损耗 （d）最终元件值45度相移位的优化结果度相移位的优化结果InputOutput(120/3.3)pF43nH750nH(10/1.8)pF750nH(10/1.8)pF中频宽带五位数字移相器的电路设计中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化（a）插入损耗 （b）相移（c）回波损耗 （d）最终元件值90度相移位的优化结果度相移位的优化结果InputOutput(68/6.2)pF91nH330nH(22/0.8)pF330nH(22/0.8)pF中频宽带五位数字移相器的

13、电路设计中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化180度相移位的电路模型中频宽带五位数字移相器的电路设计中频宽带五位数字移相器的电路设计实际电路的仿真和优化（a）插入损耗 （b）相移（c）回波损耗 （d）最终元件值180度相移位的优化结果度相移位的优化结果InputOutput495.3nH14.2pF106.2pF66.4nH66.4nH66.4nH14.2pF28.4pF28.4pF106.2pF106.2pF495.3nH247.6nH247.6nH中频宽带五位数字移相器的电路设计中频宽带五位数字移相器的电路设计 仿真结果显示,在6010MHz频率范围内，所有状态的指标都优于

14、设计要求，所以认为设计方案可行设计方案可行. 实际电路的仿真和优化中频宽带五位数字移相器的电路设计中频宽带五位数字移相器的电路设计控制电路设计123偏置电路拓扑图驱动电路原理图中频宽带五位数字移相器的实现1、采用了立体结构、采用了立体结构2、外形尺寸是、外形尺寸是40mmX30mmX20mm，比国内外同，比国内外同类产品的体积减小了类产品的体积减小了30%以上以上 中频宽带五位数字移相器实物图中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试系统中频宽带五位数字移相器的测试框图中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试结果0度相移位测试结果中频宽带五位数

15、字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试结果11.25度相移位测试结果中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试结果22.5度相移位测试结果中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试结果45度相移位测试结果中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试结果90度相移位测试结果中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析中频宽带五位数字移相器的测试结果180度相移位测试结果中频宽带五位数字移相器的测试及结果分析 在6010MHz频率范围内，32个相位状态的插入损耗都低于2.3dB，幅度不平衡小于0.3dB,相位误差小于3.

16、3度，电压驻波比小于1.7；腔体的外形尺寸是40mm30mm20mm 。所以，设计的中频宽带五位数字移相器的所有性能都优于设计要求.中频宽带五位数字移相器结果分析制作的四个样品通过了电子五所的新品检验包括高低温、振动、冲击等试验RFinRFoutZ0Z0Z0Z0Z0PIN管PIN管L1L2Ku波段六位数字移相器研究 Ku波段几个基本相移位的单元电路实验 Ku波段六位数字移相器的方案设计 Ku波段六位数字移相器的实现 Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析 射频电路采用微带线形式射频电路采用微带线形式 开关元件采用开关元件采用PIN二极管二极管 采用采用71的主线特性阻抗的主线特性阻抗 Ku波段

17、六位数字移相器研究Ku波段几个基本相移位的单元电路实验5.625度和45度相移位单元电路实验主线加载的加载线型移相器原理图和仿真模型Ku波段几个基本相移位的单元电路实验9.44-0.2481.2-0.091.03L1=8.3mmL2=8.2mm8.97-0.2261.15-0.091.04L1=8.3mmL2=8.1mm5.74-0.1861.11-0.11.07L1=8.3mmL2=8mm3.41-0.181.04-0.11.06L1=8.3mmL2=7.9mm2.68-0.181.06-0.121.14L1=8.3mmL2=7.8mm相移量（度）S21(PIN管导通) (dB)VSWR(P

18、IN管导通)S21(PIN管不通)(dB)VSWR(PIN管不通)5.625度和45度相移位单元电路实验5.625度相移位在15GHz处各参数随加载支节长度变化的仿真结果（HFSS）Ku波段几个基本相移位的单元电路实验5.625度和45度相移位单元电路实验5.625度相移位仿真结果状态一为二极管反向偏置，状态二为二极管正向偏置(以下相同)Ku波段几个基本相移位的单元电路实验1、阻抗变换渐变线阻抗变换器 2、偏置网络5.625度和45度相移位单元电路实验进行单元电路实验，首先要解决两个问题：Ku波段几个基本相移位的单元电路实验5.625度和45度相移位单元电路实验本文采用的偏置网络本文采用的直流

19、通路主线加载的加载线型移相器的完整仿真模型Ku波段几个基本相移位的单元电路实验5.625度和45度相移位单元电路实验5.625度相移位加上阻抗变换器、偏置网络和直流通路后的仿真结果Ku波段几个基本相移位的单元电路实验1、引入渐变线阻抗变换器、偏置网络和直流通路后各项指标都变化不大.2、简化仿真模型可以表征引入渐变线阻抗变换器、偏置网络和直流通路后的完整电路模型.5.625度和45度相移位单元电路实验Ku波段几个基本相移位的单元电路实验5.625度和45度相移位单元电路实验5.625度相移位单元电路实物图和测试结果Ku波段几个基本相移位的单元电路实验5.625度和45度相移位单元电路实验co s

20、sinsinco sjaj45度相移位单元电路实物图和测试结果Ku波段几个基本相移位的单元电路实验1、测试结果与仿真结果相比，幅度不平衡度、相位误差和中心频点的相移都相差很小. 2、通过实验证明了，调节加载线的长短可以非常方便的调整相移量的大小.3、简化仿真模型基本可以反映实际电路的性能 5.625度和45度相移位单元电路实验Ku波段几个基本相移位的单元电路实验1、反射型移相器 2、开关线型移相器 90度相移位单元电路实验Ku波段几个基本相移位的单元电路实验反射型90度相移位单元电路实验01sinsinYY90度相移位的仿真模型（反射型）Ku波段几个基本相移位的单元电路实验反射型90度相移位单

21、元电路实验S t1S t2输 入输 出图 2 开 关 线 移 相 器 基 本 结 构1l2l90度相移位单元电路实物图和测试结果（反射型）Ku波段几个基本相移位的单元电路实验1、相位误差和中心频点的相移相差较小.2、幅度不平衡度较大.3、通过实验也证明了，调节二极管末端的微带线长度可以非常方便的调整相移量的大小. 反射型90度相移位单元电路实验Ku波段几个基本相移位的单元电路实验V1V212121234加载式的开关线型90度相移位单元电路实验90度相移位的仿真模型（加载式的开关线型）L1L2Ku波段几个基本相移位的单元电路实验加载式的开关线型90度相移位单元电路实验90度相移位在15GHz处各

22、参数随调谐块长度L1变化的仿真结果（HFSS）98.58-0.8-14.88-0.57-20.58L1=0.8mmL2=0.6mm95.66-0.7-15.65-0.57-20.44L1=0.7mmL2=0.6mm93.57-0.63-19.11-0.56-23.89L1=0.6mmL2=0.6mm90.97-0.56-21.33-0.56-25.58L1=0.5mmL2=0.6mm89.19-0.56-26.59-0.58-19.53L1=0.4mmL2=0.6mm移相量（度）S21(长支路通) (dB)VSWR(长支路通)S21(参考支路通) (dB)VSWR(参考支路通)Ku波段几个基本

23、相移位的单元电路实验加载式的开关线型90度相移位单元电路实验221BarctgB90度相移位单元电路实物图和测试结果（加载式的开关线型）Ku波段几个基本相移位的单元电路实验1、仿真模型基本可以反映实际电路的射频性能 .2、相比反射型移相器，加载式的开关线型移相器不但移相电路尺寸小，而且几乎所有射频性能都有所提高，特别是幅度不平衡和相位误差 .3、通过实验也证明了，调节调谐块L1和加载支节L2的长度可以非常方便的调整相移量的大小 .加载式的开关线型90度相移位单元电路实验Ku波段几个基本相移位的单元电路实验0YY加载式的开关线型180度相移位单元电路实验V1V21 21 21234180度相移位

24、单元电路实物图和测试结果（加载式的开关线型）1、180度相移位与90度相移位的射频性能相当.2、通过实验也证明了，调节调谐块L1的长度可以非常方便的调整相移量的大小 .3、相比反射型移相器，加载式的开关线型移相器有更为优越的射频性能.Ku波段几个基本相移位的单元电路实验加载式的开关线型180度相移位单元电路实验Ku波段六位数字移相器的方案设计射频部分射频部分 1、5.625度、11.25度、22.5度和45度相移位均采用主线加载的加载线形式 2、90度和180度相移位均采用加载式的开关线形式 Ku波段六位数字移相器的方案设计驱动部分驱动部分晶体管双态驱动电路原理图Ku波段六位数字移相器的实现射

25、频部分射频部分驱动电路部分驱动电路部分Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果0度相移位测试结果Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果5.625度相移位测试结果Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果11.25度相移位测试结果Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果22.5度相移位测试结果Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果45度相移位测试结果Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果90度相移位测试结果Ku波段

26、六位数字移相器的测试及结果分析Ku波段六位数字移相器的测试结果180度相移位测试结果V1V21 21 21234Ku波段六位数字移相器的测试及结果分析 在15GHz处 ，64个相位状态的插入损耗都低于5.88dB；幅度不平衡度小于0.85dB；输入端驻波比的最大值是1.82, 输出端驻波比的最大值是1.49；最大正相位误差是3.375度度, 最大负相位误差是3.385度度.所以，本文设计的Ku波段六位数字移相器所有性能都优于设计要求所有性能都优于设计要求,且与国外且与国外单片性能相当单片性能相当. Ku波段六位数字移相器测试结果分析下一步研究改进建议1、进一步减小单元电路的驻波比.2、改进梁氏引线二极管的装配方法,用金带键合.3、45度位采用加载式的开关线形式1、把加载线型结构的匹配支节放置在加载支节的中间,不但减小了体积,也改善了匹配.2、针对开关线型移相器的缺陷，提出的加载式的开关线型移相器设计方法，不但便于对电路进行调试，也减小了一定带宽内的相位误差，即增加了带宽，为宽带非色散数字移相器的设计提供了一种很好的设计方法.结 论