移相器和延遲線的區(qū)別與移相器的實現(xiàn)方式

近些年相控陣雷達快速發(fā)展，移相器在T/R中是必不可少的器件。每個輻射單元背后都有一個電控移相器控制相移，從而使天線孔徑面的相位產(chǎn)生變化，實現(xiàn)波束靈活指向。這里主要介紹二極管開關(guān)移相器

1、移相器和延遲線的區(qū)別

第一次接觸移相器時，我下意識的想到用一節(jié)短傳輸線就實現(xiàn)了，實際上開關(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，那移相器和延遲線到底有什么區(qū)別呢。我的理解如下：

基礎公式：移 相 器：延 遲 線：

一節(jié)傳輸線當沒有色散的時候?qū)θ魏晤l率都是等延遲的，嚴格來說傳輸線是一個延遲線。當帶寬很窄的時候移相器可以用一節(jié)短延遲線實現(xiàn)，可以在一個相對窄的帶寬里實現(xiàn)等相位移動，所以開關(guān)線移相器只能用在窄帶情況下。

在信號帶寬很寬的情況下，信號通過移相器時由于對各個頻率的延遲不同，我個人理解實際上是色散效應，不知對系統(tǒng)使用是否有影響。

2、移相器的實現(xiàn)方式

移相器有圖 1所示的幾種實現(xiàn)方式，可以看到（a）到（d）均是讓信號產(chǎn)生時延差異來實現(xiàn)移相。圖（f）是矢量調(diào)制移相器的基本原理，采用了正交矢量合成來產(chǎn)生移相。

圖1 移相器的實現(xiàn)方式

個人認為混合型、高低通型、矢量合成型是比較適合超寬帶應用的結(jié)構(gòu)。這里分享下我對每種結(jié)構(gòu)的理解。

a) 開關(guān)線移相器

開關(guān)線移相器的基本原理是讓信號通過兩段不同長度的傳輸線，從而產(chǎn)生移相，由于恒定，對于大一點的相移（例如22.5°）在高頻時只能在很窄的帶寬里實現(xiàn)移相的相位恒定。對于超寬帶例如6~18G的情況，該方案無論在小相移還是大相移上并不理想。

圖2 開關(guān)線移相器常用移相態(tài)性能對比

b) 負載線移相器

負載線移相器產(chǎn)生移相的兩個態(tài)的電路原理見圖3所示，產(chǎn)生一個45°相移時的結(jié)果見圖 4所示。可以看出負載線式在中等帶寬，中等相移時可以有比較好的表現(xiàn)。但在超寬帶時負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一定的經(jīng)驗，這里通過濾波器及分支線電橋理論來解釋負載線移相器在超寬帶應用中的限制。

圖3 負載線移相器的兩個態(tài)（開關(guān)通斷兩態(tài)）

圖4 負載線移相器45°時的結(jié)果

濾波器觀點對負載線移相器在超寬帶應用中限制的解釋

認真觀察圖 3（a）的結(jié)構(gòu)，可以知道這是一個典型平面高通的結(jié)構(gòu)，（詳細理論參考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第6章的內(nèi)容），當并連線阻抗越高（線寬越窄）時，高通的截止頻率越低，當并連線阻抗越低（線寬越寬）時高通的截止頻率越高，從圖4的傳輸響應中可以看到圖 3（a）的高通響應。

認真觀察圖 3（b）的結(jié)構(gòu)，可以知道這是一個典型平面低通的結(jié)構(gòu)，（詳細理論參考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第5章的內(nèi)容），當并連線阻抗越高（線寬越窄）時，低通的截止頻率越高，當并連線阻抗越低（線寬越寬）時低通的截止頻率越低，從圖4的傳輸響應中可以看到圖 3（b）的低通響應。

從圖 3兩個態(tài)的高低通特性分析中可知，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。如果要超寬帶應用就需要極高的并聯(lián)阻抗線，這樣工藝條件就限制了負載線移相器的超寬帶應用。同時也可以把負載線形式看成高低通形式移相器的特殊實現(xiàn)方式，在負載線形式的移相器中高低通共用了傳輸線結(jié)構(gòu)。

分支線電橋觀點對負載線移相器在超寬帶應用中限制的解釋

在前期的微波筆記《貝茲孔波導定向耦合器的實現(xiàn)》中用奇偶模觀點解釋了分支線電橋原理，奇模電路（圖 3（a）等效）實現(xiàn)了θ的相移，偶模電路（圖 3（b）等效）實現(xiàn)了-θ的相移，而θ可以代表耦合度。因此一個特定耦合度的超寬帶的分支線電橋從對稱面剖開就是一個理想的寬帶移相器，但對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現(xiàn)，因為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?；旌闲鸵葡嗥鞯耐負湟妶D 5

圖5 混合型移相器拓撲圖

所示，該種結(jié)構(gòu)的相移帶寬取決于兩個分功率端的相移網(wǎng)絡的帶寬。通?？梢詫崿F(xiàn)大帶寬，大相移。

如果兩個分功率端直接短路，信號從輸入端輸入，從隔離端輸出后可以產(chǎn)生90度相移，通過一個開關(guān)便可以實現(xiàn)寬帶的90°相移位。

d) 高低通型移相器

高低通型移相器是通過開關(guān)高低通兩路信號產(chǎn)生不一樣的時延差，從而實現(xiàn)移相作用，通過合理選擇高低通的截止頻率和結(jié)構(gòu)，可以在很寬的頻段內(nèi)實現(xiàn)移相，例如圖 5的高低通結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)6~18G的一個11°的移相，一般5.6°，11.2°，22.5°的移相位均可采用高低通結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。當設計這些位數(shù)的移相器時就變成了如何設計一個開關(guān)高低通濾波器。

一個移相器實際上要實現(xiàn)一個隨頻率線性變化的時延，高低通濾波器的時延在一段頻率內(nèi)呈線性變化趨勢，合理設計和利用這一段趨勢是設計高低通移相網(wǎng)絡的關(guān)鍵。

圖 6 高低通移相器可以實現(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圖 7所示，一個特定耦合度的90°電橋分成的兩路信號經(jīng)過合成器合成后可以使信號移相，移相相位同兩個正交信號的電壓大小相關(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)實現(xiàn)連續(xù)相移，如移相精度達到1°。

圖 7 矢量合成移相器原理

3. 總結(jié)

由于對移相器僅限于在理論層面的了解，只是使用過，但無實際設計經(jīng)驗。根據(jù)現(xiàn)階段對移相理論的認知及自己在其他寬帶無源電路的經(jīng)驗，分析了超寬帶移相器可能的拓撲結(jié)構(gòu)，認知有限，期望通過交流自己也可以在這方面獲得更大的提升。