数字式移相器电路研究

1.引言

移相器是微波控制电路的一个种类，主要针对微波信号的相位进行控制以满足系统的需要。如果相移量可以连续变化，则称为模拟式移相器；如果相移量只能在预定的离散数值上改变，则称为数字式移相器。

数字式移相器广泛应用于雷达系统和微波通信系统，尤其是相控阵雷达系统。因为相控阵雷达能实现多目标搜索与跟踪，具有功能多，机动性强，反应时间短，可靠性高等特点，在现代雷达技术中占有重要的地位。作为相控阵雷达系统的基本单元和核心组件，T/R组件直接关系到整个相控阵雷达的优劣，而数字式移相器又是T/R组件的重要组成部分，所以对于数字式移相器的研究显得非常迫切和重要。

2.移相器发展历史

自从相控阵天线问世之后，移相器的设计就一直是相控阵系统的研究重点，出现了大量的文献报道和产品，其设计理论也在逐渐地完善。

在20世纪50年代，移相器都是机械式的。直到1957年铁氧体首次应用于相控阵扫描，因为其插入损耗比较低、功率容量大、结构简单、较宽的工作频带的特点，铁氧体移相器开始得到大量应用。但是铁氧体移相器的缺点也比较明显：控制电路比较复杂，相移响应速度慢，温度特性变化大，所以铁氧体移相器也逐渐被新的元器件所代替。

20世纪60年代中期，随着PIN二极管的出现和逐渐成熟，移相器开始采用PIN二极管作为开关元件来实现电路设计，随之在PIN二极管移相器方面出现了大量的研究成果和实践活动。因为PIN二极管具有较大的功率容量，转换时间也比较短，所以这种移相器是一个非常不错的设计方案。但是PIN二极管的集成工艺比三极管复杂，单管所占面积大，不便于集成，相应成本也就相对高，控制电路功耗也较大，其应用在许多场合受到限制。

20世纪80年代，随着新的电子元器件、材料和加工工艺的飞速发展，MEMS(微电子机械系统)和MMIC(单片微波集成电路)成为研究的重点。国内外不断有MMIC移相器芯片成功的报道和产品面世。例如据Kenichi Miyanguchi等人的报道，他们研制出了C波段5位MMIC移相器，大小仅仅只有1.37mm2；Miller等人应用固有移相技术制作了位于4-12GHz的MMIC移相器；Slobodnik等人制作了工作频率35-37GHz的4位MMIC移相器。国内中电第十三研究所也研制出了X波段五位数字单片移相器。

3.移相器主要电路结构和特点

目前相控阵雷达多采用四位或者五位数字控制电路，以实现相移的阶跃。如果采用更高位数的数字式移相器，相位的控制越将更加精准，但是对电路结构和工艺器件都是一个更大的挑战。

在微波频率范围内，实现数字式移相器的主要方式是利用半导体器件，例如用PIN二极管、变容二极管和FET构成，其中最常见的器件是PIN二极管。采用半导体器件的移相器可分为反射式和传输式。从电路结构上来讲，传输式移相器主要有开关线型、加载线型、高通-低通型和矢量合成式四种结构形式。移相器的具体分类如图1所示。

一般来讲，可以实现移相功能的电路结构有各种各样，但是移相器设计要综合考虑各种指标，特别是希望较小的插入损耗和反射损耗，所以实用的移相器电路结构主要有以下4种。

3.1 开关线型移相器

开关线型移相器，也称为换接线段式移相器，其设计思想是：设计两条可供选择的传输通路，并使二者的电长度只差等于所需的相移量，基本电路结构如图2所示。

L1和L2是两条不同长度的微带线，ST1和ST2均是单刀双掷开关(SPDT)。当切换SPDT使得微波信号在两条路径L1，L2之间转换时，由于两条路径长度不同，传输相移不同，从而达到移相的目的。当微波信号在两种路径转换时，电路的相移量是：

3.2 加载线型移相器

加载线移相器，就是将可变阻抗元件以并联或串联的方式加载于微波传输线上，通过改变元器件的阻抗值来增加微波信号的相移量。

图3是一个加载线型移相器的电路示意图。假设当PIN管处于正偏置状态时，主线两端并联导纳是jB+；反偏置时并联导纳是jB-。在这两种状态下电路分别等效为不同电长度和的传输线，传输线特性导纳为Y0。参照图3(b)和图3(c)的等效传输线结构，移相器的相移量是：

3.3 反射型移相器

反射型移相器是在微波传输线的终端连接有可变阻抗的元件，切换开关使得负载的阻抗变化，因此负载的反射波相位发生改变。两次反射信号之间存在的相位差即为相移量。

图1 移相器分类

图2 开关线型移相器

图3 加载线型移相器

图4 反射型移相器

图5 高通-低通型移相器（a）型（b）T型

3.4 高通-低通型移相器

高通-低通型移相器发展于开关线型电路结构，这种电路的特点是用高低通滤波器结构代替开关线型结构中的传输线，根据滤波器的电路结构也可分为型和T型，如图5所示。因为高通滤波器具有超前的相移量，低通滤波器具有滞后的相移量，所以微波信号分别通过两种途径之后，两者所产生的相位角之和即为此移相器的相移。

3.5 四种电路结构特点和比较

在实际电路设计中，移相器设计一般需要综合考虑各种设计指标，包括相移精度、插入损耗、回波损耗、电路结构的复杂程度等，根据各种电路的特点来选取具体的电路形式：

(1)开关线型移相器一般在8%的带宽内相移变化量不大，两种状态下插损变化也不大，不需要额外的匹配电路，因而电路结构比较简单，特别适用于小移相器位(22.5°和45°)，通常不能满足大移相位的性能要求。

从电路结构可以看出，开关型移相器需要较多的二极管，这样会造成成本较高，插入损耗也要增大。尤其要注意，当开关传输线电长度达到某个频率的半波长时，会产生谐振现象，增大移相器的插入损耗。如果出现谐振现象，需要改变断开的支路负载匹配，但缺点是移相器所需要的开关元件数量增多。

(2)加载线移相器通常也用于小移相位，比如22.5°和45°位移相器，其性能指标比较好：插入损耗低，驻波小，峰值功率容量大。缺点是需要进行阻抗变换，电路体积比较大，开关数量比较多，经济成本高。

加载线型移相器一般工作频率比较窄，而且随着移相量的增加而显著减小。这是因为加载线型移相器通常由3段微带线组成，相移量和驻波比随频率变化比较快，所以加载线型移相器通常用于窄带电路设计。例如22.5°移相位在相移误差小于2°，输入驻波比小于1.2的情况下，相对带宽可以达到42%，但是45°移相位相对带宽就下降为大约20%。

(3)反射型移相器一般插入损耗比较低，功率容量为中等，工作频率可以比较高，有文献报道可以工作在高达100GHz频段，开关元件也比较少，有利于成本的降低。

反射型移相器的插入损耗一般随着相移位的增大而增加。尤其注意的是，反射型移相器一般要用到3dB电桥，由于3dB电桥的尺寸比较大，增加了整个电路的体积，而且3dB电桥的性能至关重要，所以在设计时要细致考虑。

(4)高通-低通型移相器一般采用集总元器件，使得高低通滤波器的串联电抗绝对值相等，并联电纳的绝对值相等，两者随频率变化的相位角恰好相互补偿，具有较宽的平坦频率响应。通常采用MOSFET作为开关元件，并且将晶体管的寄生电容作为电路组成，结构非常紧凑利于电路集成。因此是MMIC中最常见的电路形式。

与开关线型移相器结构类似，串联二极管也可能引起谐振。尤其是小相位的电长度较小，在参数设计时要注意，可以通过增加微带传输线段来避免谐振现象。

4.结束语

纵观移相器发展的历史，移相器所采用的材料由铁氧体材料、波导和微带线逐渐过渡到MMIC、MEMS。现代数字式移相器将充分利用各种电路结构(反射型、开关线型和加载线型等)，在微波毫米波甚至更宽的频段范围内，达到各种装备和各种场合的应用要求。未来的移相器将继续朝着小型化、高性能和低成本的方向发展。

[1]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[2]梅玮,柯新.Ka波段4位数字移相器的设计[J].电子测试,2010,6:79-83.

[3]胡宏平.相控阵雷达波控与阵面监视技术研究[D].电子科技大学硕士论文,2005,05,27.

[4]张大炜.Ka波段四位数字移相器研究[D].电子科技大学硕士论文,2007,04,01.

[5]刘登学.S波段MCM四位数字移相器开关组件的研究[D].电子科技大学硕士论文,2005,03,05.

[6]竹磊.C波段五位数字移相器研制[D].电子科技大学硕士论文,2007,04,01.

[7]Kenichi Miyaguchi,An Ultra Compact C-Band 5-Bit MMIC Phase Shifter Based on All-Pass Network September 2006,Manchester Uk:277-280.

[8]Miller P,Anderson A k.Development of gain/phase control blocks for space applications.IEEE ESA Proceedingd of the European GaAs Applications Symposium ESTEC,1992.

[9]Slobdonik A J,Webster R T,Roberts G A.A monolithic GaAs 36 GHz four bit phase shifter.Microwave Journal.June 1993,106-111.