微波電子線路

第七章

微波電子線路PIN管數(shù)字移相器用PIN管作為控制元件的移相器稱為PIN管移相器。按照移相量的變化方式不同，PIN管移相器可分成模擬移相器和數(shù)字移相器兩種。前者移相量在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可變，后者移相量只按照一定的量值作步進(jìn)變化，如22.5度、45度、67.5度、90度…..等。為了實現(xiàn)相移量的步進(jìn)變化，數(shù)字相移器通常由幾只單元移相器級聯(lián)組成，每只單元移相器構(gòu)成數(shù)字移相器的一個位，如三位移相器是由三個單元移相器組成，即45度移相器單元、90度移相器單元、180度移相器單元級聯(lián)構(gòu)成，它可以完成0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度等八種移相狀態(tài)，最小步進(jìn)為45度。因為這種移相器的每個單元只有兩個固定移相量，很容易用二進(jìn)制碼進(jìn)行控制。如用數(shù)碼“0〞與單元0度相對應(yīng)，用數(shù)碼“1〞分別與單元移相器的移相量相對應(yīng)。

微波電子線路

微波電子線路的相移量。利用這個原理做成的移相器稱為開關(guān)型移相器。這類移相器中使用的開關(guān)，通常是兩只同步控制的PIN管單刀雙擲開關(guān)。兩條不同電長度的傳輸線可以是一般的均勻傳輸線，也可以是加載線。把電長度較短的一條傳輸線稱為“參考相位通道〞，把電長度較長的一條傳輸線稱為“延遲相位通道〞。假設(shè)把“參考相位通道〞輸出端的信號相位定為零度，那么“延遲相位通道〞輸出端的信號相位為上式說明，用一般均勻傳輸線組成的開關(guān)線移相器是窄帶的，因為與頻率成正比。

微波電子線路我們設(shè)計一個中心頻率為1592.5MHz開關(guān)線型三位數(shù)字移相器。如以下圖所示；

微帶線的介質(zhì)基片為陶瓷，介電常數(shù)為9.6，介質(zhì)基片的厚度為0.8mm50歐姆微帶線的線寬為0.8mm,有效介電常數(shù)為6.3898

微波電子線路

微帶線長度中心頻率1592.5MHz波長188.383cm(74.5243mm)180度對應(yīng)長度94.1915mm(37.2622mm)90度對應(yīng)長度47.0957mm(18.6311mm)45度對應(yīng)長度23.5478mm(9.3155mm)低邊頻率1520MHz波長197.3684mm(78.0789mm)180度對應(yīng)長度98.6842mm(39.0395mm)90度對應(yīng)長度49.3421mm(19.5197mm)45度對應(yīng)長度24.6711mm(9.7599mm)高邊頻率1665MHz波長180.1802mm(71.2793mm)180度對應(yīng)長度90.0900mm(35.6396mm)90度對應(yīng)長度45.0450mm(17.8198mm)45度對應(yīng)長度22.5225mm(8.9099mm)微波電子線路中心頻率時180度對應(yīng)長度37.2622mm－－－總誤差8.2度當(dāng)頻率為1520MHz180度相移實際相移為171.8度誤差-8.2度當(dāng)頻率為1665MHz180度相移實際相移為188.2度誤差+8.2度中心頻率時90度對應(yīng)長度18.6311mm－－－總誤差4.1度

當(dāng)頻率為1520MHz90度相移實際相移為85.9度誤差-4.1度當(dāng)頻率為1665MHz90度相移實際相移為94.1度誤差+4.1度

中心頻率時45度對應(yīng)長度9.3155mm－－－總誤差2.05度

當(dāng)頻率為1520MHz45度相移實際相移為42.95度誤差-2.05度當(dāng)頻率為1665MHz45度相移實際相移為47.05度誤差+2.05度微波電子線路

,,微波電子線路2、加載線型型移相器我們知道，微波信號通過一段電長度為的均勻傳輸線，相移量為。當(dāng)工作頻率和傳輸線的機械長度固定時，這個相移量也是固定的。如果在傳輸線的輸入端、輸出端個并接一個電納，那么當(dāng)電納變化時，輸出信號的相位也隨之改變。利用這個原理做成的移相器稱為加載線型移相器。在加載線型移相器中，并聯(lián)電納一般由PIN管和一段傳輸線組成。由于PIN管正反偏置狀態(tài)下其阻抗具有不同的數(shù)值，從而使得移相器得到兩個不同的相移量。所以加載線型移相器實質(zhì)上是借助于PIN管工作狀態(tài)的改變，給并聯(lián)電納以微擾，引起電長度的變化而實現(xiàn)移相的。以下圖是加載線型移相器原理圖。

微波電子線路上圖左邊是一個加載線型移相器，它是由三個兩端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)構(gòu)成的，加載線型移相器的輸入端口和輸出端口接特性阻抗為的均勻傳輸線，那么它們的轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣為；由于這個網(wǎng)絡(luò)是個對稱網(wǎng)絡(luò)、可逆網(wǎng)絡(luò)，可等效為一段均勻傳輸線，其轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣為；該段均勻傳輸線的特性阻抗為，電長度為。在兩段匹配的情況下，即為移相器的相移量。因此只要求出這段等效傳輸線的參數(shù)就可以得出移相器的相移特性。為了得出等效關(guān)系，可令兩個轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣相等，即微波電子線路由上式可得；也可以寫成；對上式兩邊同時取平方可得；微波電子線路對上式整理可得；解上面的一元二次方程可得；

微波電子線路

為PIN管導(dǎo)通時的電納，為PIN管截止時的電納。由可求出PIN管導(dǎo)通時的相位為，PIN管截止時的相位為。微波電子線路

同理可得；微波電子線路由上式可以求出那么按照上述方程設(shè)計移相器，雖然在中心頻率上駐波系數(shù)等于1，相移誤差為零，單偏離中心頻率時，因和都是頻率的函數(shù)，相移量和駐波系數(shù)將隨頻率變化而變化。所以，當(dāng)移相精度和駐波系數(shù)規(guī)定時，移相器的帶寬就受到限制。進(jìn)一步分析說明移相器的帶寬與有關(guān)。當(dāng)駐波系數(shù)小于1.2，相位誤差小于2度時，對于45度移相器來說，＝90度時，相對帶寬為20％,而＝80度時，相對帶寬為15％。所以值要根據(jù)實際的需求來選擇或計算。加載線型移相器并聯(lián)電納的一種實現(xiàn)方法加載線型移相器并聯(lián)電納的實現(xiàn)可采用并聯(lián)支節(jié)線的方法，從以下圖可以看出；

微波電子線路由圖可知，端接PIN管的傳輸線的輸入阻抗為；輸入阻抗的實部很小忽略它，那么；輸入電納應(yīng)等于并聯(lián)電納，所以微波電子線路根據(jù)上式可以求出；PIN管正向阻抗和反向阻抗由下式給出，反向阻抗為正向阻抗為；式中；

微波電子線路加載線型移相器的設(shè)計根據(jù)移相器所要求得功率容量、工作頻帶、插入損耗等設(shè)計指標(biāo)選擇適宜的PIN管，然后對所選擇的PIN管進(jìn)行測量，測出它們在正反向偏置下的阻抗參數(shù)，并進(jìn)行配對選擇。2、根據(jù)要求的相移量和外接傳輸線的特性導(dǎo)納計算加載線的特性導(dǎo)納,,和并聯(lián)電納。根據(jù)所要求的帶寬，選擇即選擇(),確定后也就確定了,.3、計算PIN管正反向阻抗，從而計算，〔〕微波電子線路4、確定微帶線參數(shù)〔介質(zhì)基片的介電常數(shù)、介質(zhì)基片的厚度〕，根據(jù)中心頻率，計算加載線性移相器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸。5、設(shè)計偏置電路。6、將設(shè)計完成的加載線性移相器的結(jié)構(gòu)尺寸代入微波電路設(shè)計軟件(如ADS)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直到滿足設(shè)計指標(biāo)要求為止。兩支節(jié)加載線移相器，最大相移量為45度，大于45度可采用三支節(jié)加載線移相器。為了減小長度，可將中間的兩個支節(jié)并聯(lián)。我們舉一個例子來說明設(shè)計方法。設(shè)計一個頻率范圍從1520MHz到1665MHz一個移相45度的加載線型移相器。

微波電子線路中心頻率為1592.5MHz，相對帶寬為9.1％。PIN管的參數(shù)為；=0.5pf=0.3pf=0.5nh=1歐姆=1.5歐姆〔典型參數(shù)〕計算PIN管正反向阻抗

=1.50歐姆=0.2538歐姆=-165.4歐姆=-5.08歐姆計算并聯(lián)電納，和

微波電子線路計算支節(jié)線的特性阻抗和電長度最后設(shè)計偏置電路。微波電子線路3、3dB定向耦合器型移相器上圖是一個3dB定向耦合器型移相器的示意圖，我們首先分析3dB定向耦合器〔也稱分支線定向耦合器〕的特性，3dB定向耦合器理想的S參數(shù)為；微波電子線路當(dāng)2端口和3端口接反射系數(shù)為和的負(fù)載時，1端口輸入信號，那么1端口和4端口的輸出信號·為；將S參數(shù)代入上式可得；微波電子線路端口2和端口3所接負(fù)載的反射系數(shù)相等，其反射系數(shù)的模為1〔假定負(fù)載是由純電抗構(gòu)成〕，反射系數(shù)為；所以1端口和4端口的輸出信號為；由分析得出2端口和3端口接反射系數(shù)為的負(fù)載時，1端口輸入信號，那么信號由4端口輸出，1端口沒有輸出。終端負(fù)載是有兩只完全相同的PIN管構(gòu)成的，PIN管導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)的相移量，取決于PIN管導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)下反射系數(shù)的相位差，即我們知道反射系數(shù)與電納的關(guān)系可以寫成如下形式；微波電子線路反射系數(shù)的相位可以表示為如下形式；

令；那么；于是PIN管正向偏置時其電納為，反向偏置時其電納為相應(yīng)反射系數(shù)的相位為，移相器輸出信號的相位變化量為；

上式給出相移變化量與PIN管正反偏置下等效電納的關(guān)系，假設(shè)使相移變化量為180度，就必須滿足下面的關(guān)系；微波電子線路由此可見，為滿足一定的相移量，PIN管正反向偏置時的電納必須具有一定的數(shù)值。但是，實際應(yīng)用的PIN管，其電納參數(shù)不一定滿足這個要求，因此實用的3dB定向耦合器型移相器不能簡單地把PIN管直接接在定向耦合器的平分臂上，而是需要在PIN管和定向耦合器之間加上一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，把PIN管的電納變換到所需要的數(shù)值。

微波電子線路在一般情況下，對于給定的定向耦合器和PIN管，通過調(diào)節(jié)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中的各段傳輸線的阻抗和長度，可以使移相器獲得較好的性能。在參考面處的總電納為；同理，我們可以把視為一段特性導(dǎo)納為的終端短路線的輸入導(dǎo)納，于是在參考面處的輸入導(dǎo)納為；

對于帶寬小于定向耦合器的帶寬的移相器，我們可以選擇,同時還可以選擇調(diào)節(jié)各段傳輸線的長度可以獲得良好的性能。

微波電子線路以下圖為三位數(shù)字移相器的示意圖以下圖為四位數(shù)字移相器的示意圖微波電子線路4、寬帶3dB定向耦合器型移相器設(shè)計一個性能較佳的寬帶3dB定向耦合器型移相器，問題就比較復(fù)雜。因為它不僅要求在中心頻率附近，而且要求在較寬的頻帶內(nèi)相移量和駐波系數(shù)都滿足預(yù)定的指標(biāo)。為此，必須在不同的情況下計算相移量和駐波系數(shù)的頻率特性。不同的可通過改變PIN管參數(shù)和變換網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來實現(xiàn)。然后對各種情況下的計算特性進(jìn)行比較，從而確定PIN管和變換網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。微波電子線路微波電子線路

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