----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----微波筆記·我對(duì)移相器的理解（一）單bit的移相結(jié)構(gòu)應(yīng)HugoLin（林豐涵）邀請(qǐng)寫(xiě)一些寬帶移相器的內(nèi)容，看到這個(gè)題目自己著實(shí)沒(méi)有把握，我對(duì)移相器僅限于理論了解。但本著工程師愛(ài)鉆研的特質(zhì)，我請(qǐng)教了周邊的大拿，查閱了IEEE及國(guó)內(nèi)的期刊，加上自己對(duì)其他無(wú)源及掌握電路的閱歷，期望寫(xiě)出來(lái)的理解不至于產(chǎn)生誤導(dǎo)。文章里面有紕漏的地方請(qǐng)大家留言探討，共同進(jìn)步。

近些年相控陣?yán)走_(dá)快速進(jìn)展，移相器在T/R中是必不行少的器件。每個(gè)輻射單元背后都有一個(gè)電控移相器掌握相移，從而使天線孔徑面的相位產(chǎn)生變化，實(shí)現(xiàn)波束敏捷指向。這里主要介紹二極管開(kāi)關(guān)移相器，對(duì)移相器的理解準(zhǔn)備寫(xiě)兩期，本期寫(xiě)一些單bit的移相結(jié)構(gòu)，下期寫(xiě)一下常用4bit或6bit的可能結(jié)構(gòu)。由于實(shí)踐閱歷不足，這里我把個(gè)人學(xué)習(xí)移相器（主要是寬帶移相器）時(shí)的疑問(wèn)及現(xiàn)階段的認(rèn)知共享出來(lái)。

1、移相器和延遲線的區(qū)分

第一次接觸移相器時(shí)，我下意識(shí)的想到用一節(jié)短傳輸線就實(shí)現(xiàn)了，實(shí)際上開(kāi)關(guān)線移相器就是一節(jié)短傳輸線，但延遲線也是一節(jié)傳輸線，那移相器和延遲線究竟有什么區(qū)分呢。我的理解如下：

基礎(chǔ)公式：△=△t

移相器：△恒定，則△t和成反比

延遲線：△t恒定，則△和成正比一節(jié)傳輸線當(dāng)沒(méi)有色散的時(shí)候?qū)θ魏晤l率都是等延遲的，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)傳輸線是一個(gè)延遲線。當(dāng)帶寬很窄的時(shí)候移相器可以用一節(jié)短延遲線實(shí)現(xiàn)，可以在一個(gè)相對(duì)窄的帶寬里實(shí)現(xiàn)等相位移動(dòng)，所以開(kāi)關(guān)線移相器只能用在窄帶狀況下。

在信號(hào)帶寬很寬的狀況下，信號(hào)通過(guò)移相器時(shí)由于對(duì)各個(gè)頻率的延遲不同，我個(gè)人理解實(shí)際上是色散效應(yīng)，不知對(duì)系統(tǒng)使用是否有影響。

2、移相器的實(shí)現(xiàn)方式

移相器有圖1所示的幾種實(shí)現(xiàn)方式，可以看到（a）到（d）均是讓信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延差異來(lái)實(shí)現(xiàn)移相。圖（f）是矢量調(diào)制移相器的基本原理，采納了正交矢量合成來(lái)產(chǎn)生移相。

圖1、移相器的實(shí)現(xiàn)方式

個(gè)人認(rèn)為混合型、凹凸通型、矢量合成型是比較適合超寬帶應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。這里共享下我對(duì)每種結(jié)構(gòu)的理解。

a)開(kāi)關(guān)線移相器

開(kāi)關(guān)線移相器的基本原理是讓信號(hào)通過(guò)兩段不同長(zhǎng)度的傳輸線，從而產(chǎn)生移相，由于△t恒定，對(duì)于大一點(diǎn)的相移（例如22.5）在高頻時(shí)只能在很窄的帶寬里實(shí)現(xiàn)移相的相位恒定。對(duì)于超寬帶例如6~18G的狀況，該方案無(wú)論在小相移還是大相移上并不抱負(fù)。

圖2、開(kāi)關(guān)線移相器常用移相態(tài)性能對(duì)比

b)負(fù)載線移相器

負(fù)載線移相器產(chǎn)生移相的兩個(gè)態(tài)的電路原理見(jiàn)圖3所示，產(chǎn)生一個(gè)45相移時(shí)的結(jié)果見(jiàn)圖4所示?？梢钥闯鲐?fù)載線式在中等帶寬，中等相移時(shí)可以有比較好的表現(xiàn)。但在超寬帶時(shí)負(fù)載線型移相器也不能很好的勝任。由于自己在濾波器及分支線電橋上有肯定的閱歷，這里通過(guò)濾波器及分支線電橋理論來(lái)解釋負(fù)載線移相器在超寬帶應(yīng)用中的限制。

圖3、負(fù)載線移相器的兩個(gè)態(tài)（開(kāi)關(guān)通斷兩態(tài)）

圖4、負(fù)載線移相器45時(shí)的結(jié)果

濾波器觀點(diǎn)對(duì)負(fù)載線移相器在超寬帶應(yīng)用中限制的解釋

仔細(xì)觀看圖3（a）的結(jié)構(gòu)，可以知道這是一個(gè)典型平面高通的結(jié)構(gòu)，（具體理論參考MicrostripFiltersforRF/MicrowaveApplications第6章的內(nèi)容），當(dāng)并連線阻抗越高（線寬越窄）時(shí)，高通的截止頻率越低，當(dāng)并連線阻抗越低（線寬越寬）時(shí)高通的截止頻率越高，從圖4的傳輸響應(yīng)中可以看到圖3（a）的高通響應(yīng)。

仔細(xì)觀看圖3（b）的結(jié)構(gòu)，可以知道這是一個(gè)典型平面低通的結(jié)構(gòu)，（具體理論參考MicrostripFiltersforRF/MicrowaveApplications第5章的內(nèi)容），當(dāng)并連線阻抗越高（線寬越窄）時(shí)，低通的截止頻率越高，當(dāng)并連線阻抗越低（線寬越寬）時(shí)低通的截止頻率越低，從圖4的傳輸響應(yīng)中可以看到圖3（b）的低通響應(yīng)。

從圖3兩個(gè)態(tài)的凹凸通特性分析中可知，并連線阻抗越高（線寬越窄），移相器的帶寬越寬，并連線阻抗越低（線寬越寬）帶寬越窄。假如要超寬帶應(yīng)用就需要極高的并聯(lián)阻抗線，這樣工藝條件就限制了負(fù)載線移相器的超寬帶應(yīng)用。同時(shí)也可以把負(fù)載線形式看成凹凸通形式移相器的特別實(shí)現(xiàn)方式，在負(fù)載線形式的移相器中凹凸通共用了傳輸線結(jié)構(gòu)。

分支線電橋觀點(diǎn)對(duì)負(fù)載線移相器在超寬帶應(yīng)用中限制的解釋

在前期的微波筆記《貝茲孔波導(dǎo)定向耦合器的實(shí)現(xiàn)》中用奇偶模觀點(diǎn)解釋了分支線電橋原理，奇模電路（圖3（a）等效）實(shí)現(xiàn)了的相移，偶模電路（圖3（b）等效）實(shí)現(xiàn)了-的相移，而可以代表耦合度。因此一個(gè)特定耦合度的超寬帶的分支線電橋從對(duì)稱面剖開(kāi)就是一個(gè)抱負(fù)的寬帶移相器，但對(duì)超寬帶分支線電橋了解的人都知道，這種電橋很難用微帶線或平面電路實(shí)現(xiàn)，由于高阻抗線的工藝限制。

c)混合型移相器

混合型移相器一般用到較大的移相位，例如90和180位?；旌闲鸵葡嗥鞯耐?fù)湟?jiàn)圖5

圖5、混合型移相器拓?fù)鋱D

所示，該種結(jié)構(gòu)的相移帶寬取決于兩個(gè)分功率端的相移網(wǎng)絡(luò)的帶寬。通?？梢詫?shí)現(xiàn)大帶寬，大相移。

假如兩個(gè)分功率端直接短路，信號(hào)從輸入端輸入，從隔離端輸出后可以產(chǎn)生90度相移，通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)便可以實(shí)現(xiàn)寬帶的90相移位。

d)凹凸通型移相器

凹凸通型移相器是通過(guò)開(kāi)關(guān)凹凸通兩路信號(hào)產(chǎn)生不一樣的時(shí)延差，從而實(shí)現(xiàn)移相作用，通過(guò)合理選擇凹凸通的截止頻率和結(jié)構(gòu)，可以在很寬的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)移相，例如圖5的凹凸通結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)6~18G的一個(gè)11的移相，一般5.6，11.2，22.5的移相位均可采納凹凸通結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)這些位數(shù)的移相器時(shí)就變成了如何設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)凹凸通濾波器。

一個(gè)移相器實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)一個(gè)隨頻率線性變化的時(shí)延，凹凸通濾波器的時(shí)延在一段頻率內(nèi)呈線性變化趨勢(shì)，合理設(shè)計(jì)和利用這一段趨勢(shì)是設(shè)計(jì)凹凸通移相網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

圖6、凹凸通移相器可以實(shí)現(xiàn)寬帶性能

e)矢量合成型移相器

矢量合成移相器的原理見(jiàn)圖7所示，一個(gè)特定耦合度的90電橋分成的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)合成器合成后可以使信號(hào)移相，移相相位同兩個(gè)正交信號(hào)的電壓大小相關(guān)。這也是矢量調(diào)制移相器的工作原理，這種移相器可以在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)相移，如移相精度達(dá)到1。

圖7、矢量合成移相器原理

3、總結(jié)

由于對(duì)移相器僅限于在理論層面的了解，只是使用過(guò)，但無(wú)實(shí)際設(shè)計(jì)閱歷。依據(jù)現(xiàn)階段對(duì)移相理論的認(rèn)知及自己在其他寬帶無(wú)源電路的閱歷，分析了超寬帶移相器可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，認(rèn)知有限，期望通過(guò)溝通自己也可以