L波段四位數(shù)字移相器的設(shè)計(jì)與仿真

1 引言

微波移相器是一種微波控制電路，其主要作用于是對(duì)微波信號(hào)的相位進(jìn)行控制以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要。移相器在相控陣?yán)走_(dá)、微波通信、衛(wèi)星技術(shù)等眾多領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。特別是在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，移相器是T/R組件的關(guān)鍵器件。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著移相器需求的增大，移相器理論得以不斷豐富完善，制造工藝也日趨成熟。微波移相器的實(shí)現(xiàn)形式也逐漸由波導(dǎo)、同軸線過(guò)渡到微帶線形式。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了，混合微波集成電路（HMIC）移相器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷完善和半導(dǎo)體材料及工藝的迅猛發(fā)展使基于單片微波集成電路（MMIC）的微波移相器在這一階段應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)際上已經(jīng)有多個(gè)型號(hào)的MMIC移相器研制成功并投入市場(chǎng)。受設(shè)備和技術(shù)等因素的限制，國(guó)內(nèi)對(duì)MMIC移相器的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)展相對(duì)緩慢，基本仍處于試制使用階段。從電路的性能指標(biāo)、功率容量、價(jià)格等角度出發(fā)，HMIC移相器仍具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，進(jìn)行高性能高移相精度的HMIC移相器的仿真研究具有非常重要的意義。Agilent公司的ADS軟件具有完整的設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化功能，能快速有效地設(shè)計(jì)仿真出需要的電路，可以大大提高設(shè)計(jì)的成功率，從而減輕設(shè)計(jì)者的工作量。

2 移相器設(shè)計(jì)

2.1 本移相器的原理框圖及主要性能參數(shù)

與傳輸線串聯(lián)或并聯(lián)的任何電抗，都會(huì)引入相移，移相器電路4位分別為180°，90°，45°，22.5°。在0°～360°間以22.5°為步進(jìn)形成16個(gè)移相。利用將四個(gè)相移位級(jí)聯(lián)起來(lái)的方法，即可構(gòu)成本文設(shè)計(jì)的四位數(shù)字移相器（如圖1所示）。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出偏置電流從而能使PIN管處于正向或反向偏置狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)16個(gè)相移狀態(tài) 。

圖1 PIN移相器原理框圖

設(shè)計(jì)的移相器的主要性能參數(shù)為：工作頻率為1.5GHz±100MHz，均方根相位誤差3°，插入損耗2.5dB，回波損耗15dB。

2.2 PIN管的仿真建模

PIN二極管作為開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，具有相移精度高、功率大、體積重量小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短、控制功率小、對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際的PIN二極管并不是理想通斷的開(kāi)關(guān)。通過(guò)查找文獻(xiàn)可得PIN管的等效電路，據(jù)此對(duì)PIN管進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2（a）為PIN管正向偏置模型，圖2（b）為PIN管反向偏置模型。通過(guò)查閱技術(shù)文獻(xiàn)及實(shí)際測(cè)量，模型中、、、等參數(shù)均易于獲得。由于PIN管連接的兩段微帶線之間的間隙很?。?mm），它們之間的耦合無(wú)法避免，故在這里引入了一個(gè)間隙模塊（MGAP）來(lái)模擬這種情況。