超寬帶數(shù)字移相器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種移相器，具體涉及一種數(shù)字移相器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著寬帶有源相控陣?yán)走_(dá)的不斷發(fā)展，人們對(duì)天線波束控制的需求不斷提高，對(duì)控制電路的研究也更加深入。
[0003]移相器作為波束控制的關(guān)鍵器件，由于其工作狀態(tài)及技術(shù)指標(biāo)較多，占用面積大，性能要求高，設(shè)計(jì)和制作難度大，一直是天線收發(fā)組件中關(guān)鍵的器件之一。相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展對(duì)移相器的帶寬，移相精度和集成面積等方面提出了更高的要求，因此，對(duì)寬帶以及超寬帶高性能移相器的研究具有重要的意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0004]反射型移相器廣泛應(yīng)用于寬帶移相器設(shè)計(jì)中，其中傳統(tǒng)的3dB耦合器如蘭格耦合器等面積較大，不利于集成，也增加了電路成本；傳統(tǒng)的反射電路很難滿足超寬帶的頻帶要求。
[0005]因此十分有必要研究出一種兼具拓寬帶寬和減小電路面積的緊湊的超寬帶數(shù)字移相器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本專利提供一種超寬帶數(shù)字移相器。
[0007]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的超寬帶數(shù)字移相器包括耦合器、第一阻抗網(wǎng)絡(luò)和第二阻抗網(wǎng)絡(luò)；
[0008]所述耦合器由螺旋形電感耦合單元級(jí)聯(lián)而成；每級(jí)螺旋形電感耦合單元包括相互耦合的第一螺旋電感和第二螺旋電感；各螺旋形電感耦合單元之間通過各級(jí)的第一螺旋電感串聯(lián)和各級(jí)的第二螺旋電感串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)；
[0009]所述耦合器中級(jí)聯(lián)連接的第一級(jí)螺旋形電感耦合單元中第一螺旋電感位于外側(cè)的一端為親合器的輸入端，同時(shí)作為移相器的輸入端，第二螺旋電感位于外側(cè)的一端為親合器與第一阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的耦合端；該耦合器中最后一級(jí)螺旋形電感耦合單元中的第一螺旋電感位于外側(cè)的一端為耦合器與第二阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的直通端，第二螺旋電感位于外側(cè)的一端為耦合器的隔離端，同時(shí)作為移相器的輸出端；
[0010]從外部到內(nèi)部耦合器中各螺旋形電感耦合單元的耦合間距或微帶線寬逐漸遞減。
[0011]優(yōu)選的，所述第一阻抗網(wǎng)絡(luò)和第二阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)目標(biāo)相移為180度時(shí)，所述各阻抗網(wǎng)絡(luò)為與耦合器的對(duì)應(yīng)連接端端接的一并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)中一路通過第一電感串聯(lián)第一開關(guān)接地，另一路通過第二電容串聯(lián)第二開關(guān)接地。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一阻抗網(wǎng)絡(luò)中的第一開關(guān)和第二開關(guān)工作狀態(tài)相同，第二阻抗網(wǎng)絡(luò)中的第一開關(guān)和第二開關(guān)工作狀態(tài)相同。
[0012]優(yōu)選的，所述第一阻抗網(wǎng)絡(luò)和第二阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)目標(biāo)相移為非180度時(shí)，所述各阻抗網(wǎng)絡(luò)為與耦合器的對(duì)應(yīng)連接端端接的第二電感串聯(lián)一并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)中一路通過第一電感串聯(lián)第一開關(guān)接地，另一路通過第二電容串聯(lián)第二開關(guān)接地。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一阻抗網(wǎng)絡(luò)中的第一開關(guān)和第二開關(guān)工作狀態(tài)相反，第二阻抗網(wǎng)絡(luò)中的第一開關(guān)和第二開關(guān)工作狀態(tài)相反。
[0013]作為優(yōu)選的，所述螺旋形電感耦合單元通過第一螺旋電感和第二螺旋電感位于同層金屬并采用邊際耦合實(shí)現(xiàn)相互耦合，或所述螺旋形電感耦合單元通過第一螺旋電感和第二螺旋電感位于不同層金屬，結(jié)合邊際耦合和上下層耦合實(shí)現(xiàn)相互耦合。
[0014]優(yōu)選的，所述各螺旋形電感耦合單元的第一、第二螺旋電感位于同一側(cè)的端口之間跨接有跨接電容，所述跨接電容的兩端分別通過接地電容接地。
[0015]優(yōu)選的，所述耦合器的電路結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，上下對(duì)稱。
[0016]優(yōu)選的，所述移相器中元件均為集總元件。
[0017]有益效果:本發(fā)明提供的超寬帶數(shù)字移相器，其具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018]1、由多個(gè)螺旋形電感耦合單元級(jí)聯(lián)而成的耦合器，結(jié)構(gòu)緊湊，加工簡(jiǎn)單，功率容量大，插入損耗低，與傳統(tǒng)的耦合器相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的工作帶寬，在帶寬上有著突出的優(yōu)勢(shì)；
[0019]2、阻抗網(wǎng)絡(luò)采用LC電路以及開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)，用開關(guān)切換阻抗網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，從而產(chǎn)生相移，結(jié)構(gòu)合理，易于實(shí)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)，能夠以更少的元件與開關(guān)個(gè)數(shù)在超寬帶頻率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的相移；阻抗網(wǎng)絡(luò)與耦合器聯(lián)接之后，可通過調(diào)節(jié)優(yōu)化各組成部分的元件值實(shí)現(xiàn)移相器整體更加良好的寬帶特性。
[0020]3、進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的移相器其元件全部采用集總元件，相較于傳統(tǒng)的寬帶反射型移相器，大大減少了電路面積，整體結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，成本低，耦合器與阻抗網(wǎng)絡(luò)基于超寬帶需求設(shè)計(jì)，可以將移相器的帶寬拓寬至4倍頻及以上，寬帶特性好，在集成芯片應(yīng)用中具有較大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用空間，可以廣泛應(yīng)用于射頻/微波/毫米波頻段的無線通信系統(tǒng)當(dāng)中。
[0021]總體而言，本發(fā)明提供的超寬帶數(shù)字移相器，其結(jié)構(gòu)緊湊，占用面積小，在超寬帶的頻率范圍內(nèi)具有良好的駐波特性，較小的相移波動(dòng)以及較低的插入損耗，可以很好地作為波束控制器件廣泛應(yīng)用在寬帶有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明提供的超寬帶數(shù)字移相器的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0023]圖2為單級(jí)螺旋形電感耦合單元的電路示意圖；
[0024]圖3為由4級(jí)螺旋形電感耦合單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成的耦合器的電路示意圖；
[0025]圖4為目標(biāo)相移為180度時(shí)移相器的電路示意圖；
[0026]圖5為目標(biāo)相移為非180度時(shí)移相器的電路示意圖；
[0027]圖6為4?16GHz超寬帶90度數(shù)字移相器在參考態(tài)下輸入輸出回波損耗仿真結(jié)果圖；
[0028]圖7為4?16GHz超寬帶90度數(shù)字移相器在相移態(tài)下輸入輸出回波損耗仿真結(jié)果圖；
[0029]圖8為4?16GHz超寬帶90度數(shù)字移相器在兩態(tài)下的插入損耗仿真結(jié)果圖；
[0030]圖9為4?16GHz超寬帶90度數(shù)字移相器的相移范圍仿真結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以下實(shí)施列對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成限定。
[0032]本實(shí)施例提供的超寬帶數(shù)字移相器，可以用較小的電路面積實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬，具有良好的相移平穩(wěn)度。如圖1所示，本實(shí)施例提供的超寬帶數(shù)字移相器包括耦合器、第一阻抗網(wǎng)絡(luò)和第二阻抗網(wǎng)絡(luò)；所述耦合器包括輸入端1、耦合端3、直通端2以及隔離端4，并由一級(jí)或兩級(jí)以上的螺旋形電感耦合單元級(jí)聯(lián)而成。
[0033]各螺旋形電感耦合單元的電路結(jié)構(gòu)相同，選取第一級(jí)螺旋形電感耦合單元為例來說明，其電路示意圖如圖2所示，包括該級(jí)中相互耦合的第一螺旋電感L11和第二螺旋電感L12，第一、第二螺旋電感同位于左側(cè)的端口之間跨接有跨接電容C1，第一、第二螺旋電感同位于右側(cè)的端口之間跨接有跨接電容C3，所述跨接電容C1的兩端分別通過接地電容C01、C02接地，所述跨接電容C3的兩端分別通過接地電容C21、C22接地。上下兩個(gè)緊耦合的螺旋電感(即第一、第二螺旋電感Lll、L12)提供電感耦合，在螺旋形電感耦合單元中通過第一螺旋電感和第二螺旋電感位于同層金屬并采用邊際耦合實(shí)現(xiàn)相互耦合，或通過第一螺旋電感和第二螺旋電感位于不同層金屬，結(jié)合邊際耦合和上下層耦合實(shí)現(xiàn)相互耦合。四個(gè)接地電容C01、C02、C21、C22以及兩個(gè)螺旋電感間的跨接電容Cl、C3用來提供合適的奇偶模阻抗，共同實(shí)現(xiàn)耦合功能。圖2中l(wèi)a、3a、2a、4a端口分別為各螺旋形電感耦合單元的輸入端，親合端，直通端，隔離端。
[0034]在該耦合器中，位于第一級(jí)的螺旋形電感耦合單元的輸入端la、耦合端3a分別與耦合器的輸入端1、耦合端3連通，位于最后一級(jí)的螺旋形電感耦合單元的直通端2a、隔離端4a分別與耦合器的直通端2、隔離端4連通。即耦合器中級(jí)聯(lián)連接的第一級(jí)螺旋形電感親合單元中第一螺旋電感位于外側(cè)的一端為親合器的輸入端，同時(shí)作為移相器的輸入端，第二螺旋電感位于外側(cè)的一端為耦合器與第一阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的耦合端；該耦合器中最后一級(jí)螺旋形電感耦合單元中的第一螺旋電感位于外側(cè)的一端為耦合器與第二阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的直通端，第二螺旋電感位于外側(cè)的一端為耦合器的隔離端，同時(shí)作為移相器的輸出端。
[0035]如圖1所示，各螺旋形電感耦合單元之間通過各級(jí)的第一螺旋電感串聯(lián)和各級(jí)的第二螺旋電感串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)。此處以一個(gè)由4個(gè)螺旋形電感耦合單元構(gòu)成的超寬帶耦合器為例，如圖3所示，介紹其【具體實(shí)施方式】:
[0036]為拓寬帶寬，將4個(gè)螺旋形電感耦合單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成如附圖3中所示的超寬帶耦合器，1、2、3、4端口分別為該超寬帶耦合器的輸入端，直通端，耦合端，隔離端，從左往右記分別為第一、第二、第三、第四級(jí)螺旋形電感耦合單元，各螺旋形電感耦合單元之間通過各級(jí)的第一螺旋電感串聯(lián)和各級(jí)的第二螺旋電感串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)，前后兩級(jí)之間共用跨接電容及位于跨接電容兩端的接地電容。該耦合器電路結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，左右對(duì)稱，即:第一、第二、第三、第四級(jí)螺旋形電感耦合單元結(jié)構(gòu)上以水平中心線和垂直中心線對(duì)稱，圖3中C01=C02 = C01 平中心線和垂，Cl = C1 ；C21 = C22 = C21 平中心線和垂，C3 = C32 ；C41 =C42 ；L11 = L12 = Lll 平中心線和垂；L21 = L22 = L21 平中心線和垂；M1、M2、M2'、Ml'分別表示第一、第二、第三、第四級(jí)螺旋形電感耦合單元中兩個(gè)緊耦合的螺旋電感的耦合系數(shù)，因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，所以Ml =M1'，M2 = M2'。耦合器在整個(gè)移相器中的功能主要是實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的隔離以及反映阻抗網(wǎng)絡(luò)在兩種狀態(tài)下的相移。
[0037]同時(shí)，本例中位于外部的兩個(gè)螺旋形電感耦合單元，即第一、第四螺旋形電感耦合單元中相互耦合的兩個(gè)螺旋電感的間距較大，耦合系數(shù)較小，而相對(duì)位于中心內(nèi)部的兩個(gè)螺旋形電感耦合單元，即第二、第三螺旋形電感耦合單元中相互耦合的兩個(gè)螺旋電感的間距較小，實(shí)現(xiàn)緊密耦合，耦合系數(shù)較大，從而有Ml = Ml耦〈M2 = M2合。這種耦合器結(jié)構(gòu)，從外部到內(nèi)部耦合器中各螺旋形電感耦合單元的耦合間距逐漸遞減，實(shí)現(xiàn)了耦合系數(shù)由外部到內(nèi)部的漸變，從而實(shí)現(xiàn)耦合器的超寬帶耦合。
[0038]當(dāng)然，上述僅僅為本發(fā)明的舉例，本發(fā)明提供的超寬帶數(shù)字移相器中的超寬帶耦合器可以根據(jù)實(shí)際需要，由多級(jí)螺旋形電感耦合單元級(jí)聯(lián)而成，如5級(jí)、6級(jí)、7級(jí)甚至更多，從外部到內(nèi)部，各級(jí)螺旋形電感耦合單元的耦合系數(shù)可通過各自相互耦合的兩個(gè)螺旋電感的耦合間距或微帶線寬實(shí)現(xiàn)漸變可調(diào)，本發(fā)明中從外部到內(nèi)部耦合器中各螺旋形電感耦合單元的耦合間距或微帶線寬逐漸遞減。
[0039]在本發(fā)明提供的超寬帶數(shù)字移相器的結(jié)構(gòu)上，通過電磁仿真優(yōu)化各螺旋形電感耦合單元的耦合間距以及電容容值，即可獲得所需的超寬工作