專利名稱：一種微波單片數(shù)控移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微波通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以新穎的電橋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的微波單片數(shù)控移相器。
背景技術(shù)：
目前微波單片數(shù)控移相器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類相控陣系統(tǒng)中，用于控制單個(gè)收發(fā)單元的信號(hào)相位，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描?，F(xiàn)有的寬帶微波單片數(shù)控移相器主要采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反射式，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是工作頻帶寬，非常適合寬帶、大移相量的應(yīng)用環(huán)境。這種反射式結(jié)構(gòu)電路的基本原理是在均勻傳輸線的終端接入電抗性負(fù)載，利用開關(guān)變換負(fù)載的阻抗特性從而改變負(fù)載反射系數(shù)的相位，使輸入輸出之間產(chǎn)生相位差從而實(shí)現(xiàn)移相。在實(shí)際微波單片電路應(yīng)用中，要求移相器為三端口網(wǎng)絡(luò)，需要將輸入輸出信號(hào)分割，常用定向耦合器作為變換元件實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離，這種定向耦合器采用集成電路工藝易于實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，對(duì)寬帶微 波單片移相器，常采用Lange電橋。采用Lange電橋的微波單片數(shù)控移相器在頻率高端應(yīng)用非常廣泛，電路中每個(gè)移相位包含一個(gè)Lange電橋，電橋長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)工作頻帶波長(zhǎng)的1/4，因此隨著工作頻率向低端擴(kuò)展，波長(zhǎng)增大，Lange電橋長(zhǎng)度也隨之增加，芯片面積變大，帶來芯片價(jià)格成倍增加、芯片成品率大幅降低。如應(yīng)用于2-6GHz頻段的微波單片數(shù)控移相器Lange電橋長(zhǎng)度約為6. 6mm,現(xiàn)有產(chǎn)品的面積高達(dá)40mm2，成品率很低，并且很難在小型化組件或系統(tǒng)中使用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微波單片數(shù)控移相器，通過采用結(jié)構(gòu)緊湊、面積小、適于集成并具有較好寬帶工作特性的正交螺旋電橋有效地克服了微波單片數(shù)控移相器中電橋長(zhǎng)度隨頻率減小而增加的缺點(diǎn)，解決了低頻段寬帶微波單片數(shù)控移相器的面積過大的問題。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是提供一種微波單片數(shù)控移相器，包括沿信號(hào)傳輸方向級(jí)聯(lián)在一起的5. 625度移相位、11. 25度移相位、22. 5度移相位、45度移相位、90度移相位和/或180度移相位；其特征在于所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中均采用了正交螺旋電橋。按照本實(shí)用新型所提供的微波單片數(shù)控移相器，其特征在于所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上串接在一起的正交螺旋電橋。按照本實(shí)用新型所提供的微波單片數(shù)控移相器，其特征在于所述正交螺旋電橋包括兩個(gè)相互平行設(shè)置的金屬層以及設(shè)置在兩個(gè)金屬層之間的平面螺旋電感線圈；所述平面螺旋電感線圈由兩個(gè)在同一平面內(nèi)螺旋卷繞在一起的電感線圈構(gòu)成，電感線圈的四個(gè)接頭分別對(duì)稱引出構(gòu)成輸入端口、隔離端口、傳輸端口和耦合端口 ；所述金屬層與平面螺旋電感線圈之間還設(shè)置有中間介質(zhì)層。按照本實(shí)用新型所提供的微波單片數(shù)控移相器，其特征在于所述平面螺旋電感線圈與兩個(gè)金屬層相互平行設(shè)置。綜上所述，本實(shí)用新型所提供的微波單片數(shù)控移相器通過采用以電感、電容為基礎(chǔ)的集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)正交螺旋電橋，該電橋相對(duì)于傳統(tǒng)廣泛使用的Lange電橋，保留了它的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的正交幅相特性，同時(shí)面積緊湊，回避了電橋長(zhǎng)度隨頻率減小而增加的缺點(diǎn)。本實(shí)用新型所提供的采用正交螺旋電橋?yàn)榛A(chǔ)設(shè)計(jì)微波單片數(shù)控移相器，相對(duì)于采用Lange電橋的微波單片數(shù)控移相器，面積大幅度減小，從而減低芯片成本、提高芯片在小型化系統(tǒng)中的易用性，同時(shí)能保持優(yōu)異的寬帶移相特性。該微波單片數(shù)控移相器為2-6GHz單片數(shù)控移相器時(shí)，其面積只有現(xiàn)有的產(chǎn)品的1/3，有效的解決了低頻段寬帶單片移相器難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題。

圖1是正交螺旋電橋的等效電路圖；圖2是正交螺旋電橋中平面螺旋電感線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是5. 625度移相位的拓?fù)鋱D；圖4是11. 25度和22. 5度移相位的拓?fù)鋱D；圖5是45度和90度移相位的拓?fù)鋱D；圖6是180度移相位的拓?fù)鋱D；圖7是微波單片數(shù)控移相器的組成框圖。其中，P為信號(hào)端口 ；C為電容；L為平面螺旋電感；R為電阻；TL為微帶線；T為場(chǎng)效應(yīng)晶體管；GND為接地；Hy.b為正交螺旋電橋；CT為控制信號(hào)；5. 625、11. 25、22. 5、45、90、180為各移相位的移相度數(shù)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述，但它們不是對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步限制。本實(shí)用新型所提供的微波單片數(shù)控移相器將傳統(tǒng)寬帶微波單片數(shù)控移相器中Lange電橋用正交螺旋電橋替換,該螺旋電橋的等效模型如圖1所示，電橋由集總元件電感、電容搭建，在微波低端寬頻帶范圍內(nèi)，該螺旋電橋仍保持緊湊的面積，與Lange電橋相當(dāng)?shù)姆嘈阅堋Ｔ?-6GHz頻率范圍內(nèi)，如采用Lange電橋，其電橋長(zhǎng)度為6. 6mm，采用本實(shí)用新型中提出的正交螺旋電橋，電橋長(zhǎng)寬均控制在Imm以內(nèi)。該正交螺旋電橋由兩個(gè)互感電感和六個(gè)電容組成，端口 I為輸入端口，端口 2為隔離端口，端口 3為傳輸端口，端口 4為耦合端口，四個(gè)端口互相對(duì)稱。在微波單片應(yīng)用中，互感電感采用兩個(gè)螺旋電感交叉繞圈實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，通過兩個(gè)電感的間距來控制互感量；電容由兩層金屬及中間介質(zhì)層一起形成平板電壓，通過精確控制電容大小來控制正交螺旋電橋的耦合端口和直通端口的相位差。為增加電橋的工作帶寬，可將兩級(jí)螺旋電橋進(jìn)行串聯(lián)，在設(shè)計(jì)時(shí)，為獲取最佳性能，通過電磁場(chǎng)仿真軟件優(yōu)化電感的圈數(shù)、線寬、縫隙以及電容的容值大小。在將低頻寬帶微波單片數(shù)控移相器中對(duì)面積制約最關(guān)鍵的Lange電橋用正交螺旋電橋替換以后，開展微波單片數(shù)控移相器設(shè)計(jì)。微波單片數(shù)控移相器的整體性能取決于單個(gè)移相位的設(shè)計(jì)，由于端口駐波對(duì)移相性能影響很大，在單個(gè)移相位設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證各移相位在工作頻段內(nèi)駐波足夠小，試驗(yàn)證明駐波必須小于1. 5。
以下結(jié)合附圖依次描述設(shè)計(jì)步進(jìn)為5. 625度、六位微波單片數(shù)控移相器中各移相位設(shè)計(jì)。5. 625度移相位拓?fù)淙鐖D3所示，其電路 工作原理是通過三個(gè)開關(guān)控制電路，通過改變控制關(guān)系實(shí)現(xiàn)高通和低通網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)微波信號(hào)通過高通網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相位超前；當(dāng)微波信號(hào)通過低通網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相位滯后；當(dāng)開關(guān)在高低通網(wǎng)絡(luò)間切換時(shí)，實(shí)現(xiàn)移相。圖3中，電阻R串聯(lián)在晶體管柵極上，避免晶體管柵極射頻短路；當(dāng)晶體管Tl、T3打開，T2關(guān)斷時(shí)，信號(hào)經(jīng)過T1-C1-T3高通網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)晶體管T1、T3關(guān)斷，Τ2打開時(shí)，信號(hào)經(jīng)過TL1-T2-TL2低通網(wǎng)絡(luò)。其高低通網(wǎng)絡(luò)相位差實(shí)現(xiàn)移相功能。該電路的特點(diǎn)是面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插損小，而且適合寬帶應(yīng)用。如采用此拓?fù)湟葡辔?，?-6GHz頻帶范圍內(nèi)，移相誤差小于O. 5度、插損小于O. 6dB、駐波小于1. 3，在整個(gè)寬帶內(nèi)具有非常優(yōu)異的性能。11. 25度和22. 5度移相位的拓?fù)淙鐖D4所示，這兩位的移向量均不大，也適合采用高低通網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)也是芯片面積小、插損小。當(dāng)晶體管T1、T2關(guān)斷，T3打開時(shí)，信號(hào)經(jīng)過TL1、TL2高通網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)晶體管Τ1、Τ2打開，Τ3關(guān)斷時(shí)，信號(hào)經(jīng)過晶體管Tl傳輸，同時(shí)，電感LI通過Τ2接入網(wǎng)絡(luò)，和TL1、TL2 —起可以調(diào)節(jié)整個(gè)寬帶內(nèi)的插損波動(dòng)。電感LI有一個(gè)到地的回路，會(huì)造成低通狀態(tài)時(shí)低端插損較大，解決這個(gè)問題只有增大電感值，但增大電感值會(huì)使駐波變差，同時(shí)移相波動(dòng)增大，因此需綜合考慮選擇合適的電感值。舉例說明，采用此拓?fù)?，?-6GHz頻段內(nèi)，11. 25度移相誤差小于O. 3度、插損小于1. 2dB、駐波優(yōu)于1. 3 ；22. 5度移相誤差小于1. 2度、插損小于2dB、駐波優(yōu)于1. 5。45度和90度移相位的拓?fù)淙鐖D5所示，這兩位的移向量較大，需采用性能和Lange電橋類似的反射式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工作頻帶寬、駐波好、適合大移向量，缺點(diǎn)是插損較大。采用Lange電橋時(shí),在低頻段應(yīng)用時(shí)由于Lange電橋長(zhǎng)度過大,導(dǎo)致芯片面積很大，增加了芯片成本，降低了芯片的可靠性和成品率。圖5中，采用圖1所示的正交螺旋電橋?qū)崿F(xiàn)反射式移相位，輸入輸出信號(hào)從端口 Pl到端口 P2傳輸，通過晶體管Tl和T2互補(bǔ)式打開、關(guān)斷，改變螺旋電橋端口負(fù)載的阻抗特性，從而改變負(fù)載反射系數(shù)的相位，使入射波和反射波之間產(chǎn)生相位差。拓?fù)渲校瑐鬏斁€、電容、電阻均為特定相位差而選取合適值。舉例說明，采用此拓?fù)?，?-6GHz頻段內(nèi)，45度移相位移相誤差小于2. 5度、插損小于4. 5dB、駐波優(yōu)于1. 5 ；90度移相位移相誤差小于3. 5度、插損小于4. 2dB、駐波優(yōu)于1. 5。180度移相位的拓?fù)淙鐖D6所示，由于移向量特別大，在寬帶應(yīng)用中常用Boire結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)需要1/4波長(zhǎng)傳輸線，在低頻寬帶應(yīng)用時(shí)和Lange電橋的長(zhǎng)度尺寸基本一樣，會(huì)占用大量的芯片面積，為縮小芯片面積、降低芯片成本，選擇類似于45度和90度移相位的反射式結(jié)構(gòu)，其中所需的Lange電橋采用正交螺旋電橋替換。舉例說明，采用此拓?fù)洌?_6GHz頻段內(nèi)，180度移相位移相誤差小于3度、插損小于5dB、駐波優(yōu)于1. 5。六位微波單片數(shù)控移相器的組成框圖如圖7所示，由5. 625,11. 25,22. 5、45、90、180度移相位組成，前面描述了為獲得最佳性能，針對(duì)不同的移相量選取不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)好的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是使設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)要求的基礎(chǔ)，也是減少工作量，提高設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵。在完成單個(gè)移相位設(shè)計(jì)后，需要將各級(jí)移相位級(jí)聯(lián)進(jìn)行綜合仿真，主要考慮的指標(biāo)由移向量、不同移相態(tài)的幅度調(diào)制、輸入輸出駐波等，每位移相位需放置在合適的位置已達(dá)到電路最優(yōu)性能，經(jīng)過原理圖優(yōu)化仿真，電磁場(chǎng)優(yōu)化仿真后完成全部版圖設(shè)計(jì)工作。 本實(shí)用新型提出采用結(jié)構(gòu)緊湊的正交螺旋電橋替換Lange電橋，設(shè)計(jì)的寬帶數(shù)控移相器具有面積小、成本低、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，其芯片面積相對(duì)于同類采用Lange電橋芯片
面積可減少70%以上，同時(shí)保持了相當(dāng)?shù)男阅?，有利于在小型化組件中的使用，此結(jié)構(gòu)在低頻段寬帶數(shù)控移相器中具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1.一種微波單片數(shù)控移相器，包括沿信號(hào)傳輸方向級(jí)聯(lián)在一起的5. 625度移相位、11.25度移相位、22. 5度移相位、45度移相位、90度移相位和/或180度移相位；其特征在于所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中均采用了正交螺旋電橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波單片數(shù)控移相器，其特征在于所述45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中設(shè)置有兩個(gè)或兩個(gè)以上串接在一起的正交螺旋電橋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波單片數(shù)控移相器，其特征在于所述正交螺旋電橋包括兩個(gè)相互平行設(shè)置的金屬層以及設(shè)置在兩個(gè)金屬層之間的平面螺旋電感線圈；所述平面螺旋電感線圈由兩個(gè)在同一平面內(nèi)螺旋卷繞在一起的電感線圈構(gòu)成，電感線圈的四個(gè)接頭分別對(duì)稱引出構(gòu)成輸入端口、隔離端口、傳輸端口和耦合端口 ；所述金屬層與平面螺旋電感線圈之間還設(shè)置有中間介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波單片數(shù)控移相器，其特征在于所述平面螺旋電感線圈與兩個(gè)金屬層相互平行設(shè)置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種微波單片數(shù)控移相器，包括沿信號(hào)傳輸方向級(jí)聯(lián)在一起的5.625度移相位、11.25度移相位、22.5度移相位、45度移相位、90度移相位和/或180度移相位；其特征在于45度移相位、90度移相位和/或180度移相位中均采用了正交螺旋電橋。正交螺旋電橋包括兩個(gè)相互平行設(shè)置的金屬層以及設(shè)置在兩個(gè)金屬層之間的平面螺旋電感線圈；平面螺旋電感線圈由兩個(gè)在同一平面內(nèi)螺旋卷繞在一起的電感線圈構(gòu)成，電感線圈的四個(gè)接頭分別對(duì)稱引出構(gòu)成輸入端口、隔離端口、傳輸端口和耦合端口；金屬層與平面螺旋電感線圈之間還設(shè)置有中間介質(zhì)層。該移相器通過采用正交螺旋電橋有效地解決了移相器中電橋長(zhǎng)度隨頻率減小而增加導(dǎo)致移相器面積過大的問題。
文檔編號(hào)H01P1/18GK202839906SQ20122049995
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者胡柳林, 黃華, 全金海, 劉云剛 申請(qǐng)人:成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司