中頻及微波數(shù)字移相器.ppt

中頻、微波數(shù)字移相器,主要內(nèi)容,引言 移相器基本原理 中頻寬帶五位數(shù)字移相器研究 Ku波段六位數(shù)字移相器研究 結(jié)論,引言,移相器發(fā)展動(dòng)態(tài) 國(guó)外 國(guó)外開展MMIC研究較早，設(shè)備先進(jìn)，工藝成熟，MMIC工藝線可以實(shí)現(xiàn)代加工（Foundry）生產(chǎn) ，大部分移相器已實(shí)現(xiàn)單片化 K波段五位小型MMIC移相器 ，在19GHz時(shí)測(cè)得的移相器的插入損耗為50.6dB，均方根相位誤差為3度。,引言,移相器發(fā)展動(dòng)態(tài) 國(guó)內(nèi) 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)MMIC的研究起步較晚，工藝還不成熟，但也進(jìn)行了各類MMIC的研制，包括MMIC移相器，并取得了一定的成果 國(guó)內(nèi)對(duì)移相器的研究仍集中在混合集成方面 十三所研制出了一種60MHz的八位數(shù)字移相器，插入損耗最大4.5dB,外形尺寸是135mm118mm36mm .并且與美國(guó)Merrimac公司生產(chǎn)的同類產(chǎn)品相當(dāng). 隨著新材料和新工藝的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，移相器將繼續(xù)朝著高性能、小型化和低成本方向發(fā)展,引言,主要內(nèi)容： 中頻寬帶五位數(shù)字移相器的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。 Ku波段5.625度相移位單元電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。 Ku波段45度相移位單元電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。 Ku波段90度相移位單元電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。 Ku波段180度相移位單元電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。 Ku波段六位數(shù)字移相器的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。 數(shù)字移相器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與制作。,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：,工作頻率：6010MHz 輸入信號(hào)：-1010dBm 插入損耗：5dB 相位誤差：3.5度 輸入、輸出端電壓駐波比小于2 移相范圍：360度 幅度不平衡：1dB,工作電壓：5V 電流：0.1A 控制電壓：TTL電平 外形尺寸：40mmX30mmX20mm 可拆卸式SMA(I/O) 端口阻抗（I/O）:50 并且要通過高低溫、振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn),引言,引言,Ku波段六位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì)指標(biāo)如下： 工作頻率：15GHz 插入損耗：6dB 移相范圍：360度，步進(jìn)5.625度 相位誤差：4度 幅度不平衡：1dB 輸入、輸出電壓駐波比：2 接頭：RF端口用SMA-K 控制端口用調(diào)制插座（9線）,移相器基本原理,移相器的分類（根據(jù)電路拓?fù)洌?加載線型移相器 耦合器型移相器 開關(guān)線型移相器 高通低通濾波器型移相器,移相器的類型和主要技術(shù)指標(biāo),技術(shù)指標(biāo) 工作頻率 相移量 相移精度 移相器開關(guān)時(shí)間 寄生調(diào)幅,加載線型移相器,加載線型移相器通常用于小相移位.,移相器基本原理,（a）電路結(jié)構(gòu)示意圖,（b）加載電納,（c）等效傳輸線,圖4（c）是均勻傳輸線，為了滿足輸入匹配的要求，應(yīng)該有,圖4（c）的歸一化矩陣a為,圖4（b）的三個(gè)元件級(jí)聯(lián)矩陣是,根據(jù)矩陣元素相等的原則，可得,于是可以得到相移量和加載電抗的關(guān)系式,耦合器型移相器,耦合器型移相器通常用于實(shí)現(xiàn)較大相移.,移相器基本原理,輸出,輸入,相移網(wǎng)絡(luò),耦合器,變換網(wǎng)絡(luò),變換網(wǎng)絡(luò),通過電抗網(wǎng)絡(luò)后，相應(yīng)兩種狀態(tài)的反射系數(shù)是,開關(guān)線型移相器,基于延遲線電路理論 諧振現(xiàn)象,移相器基本原理,開關(guān)線移相器,要注意的幾個(gè)技術(shù)問題： 當(dāng)開關(guān)傳輸線長(zhǎng)度達(dá)到某個(gè)頻率的半波長(zhǎng)時(shí)，將產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，從而增大插入損耗。 要求在兩種狀態(tài)下輸入端都要良好匹配 。 開關(guān)的兩條移相線相互距離要足夠遠(yuǎn) 。,平衡式移相器,高通低通濾波器型移相器,適用于頻率低端 適于寬頻帶應(yīng)用,移相器基本原理,各種移相器的特點(diǎn)比較 開關(guān)線移相器 小移相位(22.5o和45o)的尺寸可以做的很小 ,其每位都需要四個(gè)二極管 ,其損耗比加載線型也大的多 加載線移相器 用于小移相位時(shí)，其性能指標(biāo)較好 反射型移相器 二極管用量少,尺寸比較大, 其插入損耗隨著移相位的增大而增加。 平衡式移相器 能做到無寄生調(diào)幅，而且駐波比也一樣,輸入/輸出信號(hào)相互隔離很好 ,缺點(diǎn)是微帶-槽線轉(zhuǎn)換多，移相器總損耗較大。,中頻寬帶五位數(shù)字移相器研究,中頻寬帶五位數(shù)字移相器設(shè)計(jì)方案 型結(jié)構(gòu)的高通/低通濾波器型移相器理論相位誤差分析 中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì) 中頻寬帶五位數(shù)字移相器的實(shí)現(xiàn) 中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)要求（難點(diǎn)） 、相對(duì)帶寬超過33 、超小的實(shí)物外形40mm30mm20mm 高通/低通濾波器型移相器,11.25度、22.5度、45度和90相移位具體電路結(jié)構(gòu)圖,中頻寬帶五位數(shù)字移相器設(shè)計(jì)方案,180度相移位具體電路結(jié)構(gòu)圖,三級(jí)單位60度相移單元級(jí)聯(lián)獲得180度相移位,中頻寬帶五位數(shù)字移相器設(shè)計(jì)方案, 型結(jié)構(gòu)的高通/低通濾波器型移相器理論相位誤差分析,論證了所選用方案的可行性, 在6010MHz頻率范圍內(nèi)的理論相位誤差,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),各相移位高通和低通支路中電感和電容的初值計(jì)算 中心頻率的歸一化電納 中心頻率的歸一化電抗,180度相移位元件初值,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化 根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果選定距離理論值最近的電感量，再對(duì)電容進(jìn)行優(yōu)化，直到技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最佳結(jié)果，最后，根據(jù)實(shí)際的電容值組合出距離優(yōu)化值最近的電容組合.,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,單位電路的仿真模型,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,（a）插入損耗 （b）相移,（c）回波損耗 （d）最終元件值,11.25度相移位的優(yōu)化結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,（a）插入損耗 （b）相移,（c）回波損耗 （d）最終元件值,22.5度相移位的優(yōu)化結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,（a）插入損耗 （b）相移,（c）回波損耗 （d）最終元件值,45度相移位的優(yōu)化結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,（a）插入損耗 （b）相移,（c）回波損耗 （d）最終元件值,90度相移位的優(yōu)化結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,180度相移位的電路模型,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,（a）插入損耗 （b）相移,（c）回波損耗 （d）最終元件值,180度相移位的優(yōu)化結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),仿真結(jié)果顯示,在6010MHz頻率范圍內(nèi)，所有狀態(tài)的指標(biāo)都優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，所以認(rèn)為設(shè)計(jì)方案可行.,實(shí)際電路的仿真和優(yōu)化,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的電路設(shè)計(jì),控制電路設(shè)計(jì),偏置電路拓?fù)鋱D,驅(qū)動(dòng)電路原理圖,線繞電感,偏壓（即驅(qū)動(dòng)器輸出）,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的實(shí)現(xiàn),1、采用了立體結(jié)構(gòu) 2、外形尺寸是40mmX30mmX20mm，比國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的體積減小了30%以上,中頻寬帶五位數(shù)字移相器實(shí)物圖,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試系統(tǒng),中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試框圖,直流穩(wěn)壓電源、TTL電平,中頻寬帶五位數(shù)字移相器,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,0度相移位測(cè)試結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,11.25度相移位測(cè)試結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,22.5度相移位測(cè)試結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,45度相移位測(cè)試結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,90度相移位測(cè)試結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,180度相移位測(cè)試結(jié)果,中頻寬帶五位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,在6010MHz頻率范圍內(nèi)，32個(gè)相位狀態(tài)的插入損耗都低于2.3dB，幅度不平衡小于0.3dB,相位誤差小于3.3度，電壓駐波比小于1.7；腔體的外形尺寸是40mm30mm20mm 。所以，設(shè)計(jì)的中頻寬帶五位數(shù)字移相器的所有性能都優(yōu)于設(shè)計(jì)要求.,中頻寬帶五位數(shù)字移相器結(jié)果分析,制作的四個(gè)樣品通過了電子五所的新品檢驗(yàn)包括高低溫、振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn),Ku波段六位數(shù)字移相器研究,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn) Ku波段六位數(shù)字移相器的方案設(shè)計(jì) Ku波段六位數(shù)字移相器的實(shí)現(xiàn) Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,射頻電路采用微帶線形式 開關(guān)元件采用PIN二極管 采用71的主線特性阻抗,Ku波段六位數(shù)字移相器研究,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),主線加載的加載線型移相器原理圖和仿真模型,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度相移位在15GHz處各參數(shù)隨加載支節(jié)長(zhǎng)度變化的仿真結(jié)果（HFSS）,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度相移位仿真結(jié)果,狀態(tài)一為二極管反向偏置，狀態(tài)二為二極管正向偏置(以下相同),Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),1、阻抗變換漸變線阻抗變換器 2、偏置網(wǎng)絡(luò),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),進(jìn)行單元電路實(shí)驗(yàn)，首先要解決兩個(gè)問題：,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),本文采用的偏置網(wǎng)絡(luò),本文采用的直流通路,主線加載的加載線型移相器的完整仿真模型,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度相移位加上阻抗變換器、偏置網(wǎng)絡(luò)和直流通路后的仿真結(jié)果,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),1、引入漸變線阻抗變換器、偏置網(wǎng)絡(luò)和直流通路后各項(xiàng)指標(biāo)都變化不大. 2、簡(jiǎn)化仿真模型可以表征引入漸變線阻抗變換器、偏置網(wǎng)絡(luò)和直流通路后的完整電路模型.,5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度相移位單元電路實(shí)物圖和測(cè)試結(jié)果,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),45度相移位單元電路實(shí)物圖和測(cè)試結(jié)果,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),1、測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相比，幅度不平衡度、相位誤差和中心頻點(diǎn)的相移都相差很小. 2、通過實(shí)驗(yàn)證明了，調(diào)節(jié)加載線的長(zhǎng)短可以非常方便的調(diào)整相移量的大小. 3、簡(jiǎn)化仿真模型基本可以反映實(shí)際電路的性能,5.625度和45度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),1、反射型移相器 2、開關(guān)線型移相器,90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),反射型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),90度相移位的仿真模型（反射型）,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),反射型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),90度相移位單元電路實(shí)物圖和測(cè)試結(jié)果（反射型）,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),1、相位誤差和中心頻點(diǎn)的相移相差較小. 2、幅度不平衡度較大. 3、通過實(shí)驗(yàn)也證明了，調(diào)節(jié)二極管末端的微帶線長(zhǎng)度可以非常方便的調(diào)整相移量的大小.,反射型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),加載式的開關(guān)線型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),90度相移位的仿真模型（加載式的開關(guān)線型）,L1,L2,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),加載式的開關(guān)線型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),90度相移位在15GHz處各參數(shù)隨調(diào)諧塊長(zhǎng)度L1變化的仿真結(jié)果（HFSS）,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),加載式的開關(guān)線型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),90度相移位單元電路實(shí)物圖和測(cè)試結(jié)果（加載式的開關(guān)線型）,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),1、仿真模型基本可以反映實(shí)際電路的射頻性能 . 2、相比反射型移相器，加載式的開關(guān)線型移相器不但移相電路尺寸小，而且?guī)缀跛猩漕l性能都有所提高，特別是幅度不平衡和相位誤差 . 3、通過實(shí)驗(yàn)也證明了，調(diào)節(jié)調(diào)諧塊L1和加載支節(jié)L2的長(zhǎng)度可以非常方便的調(diào)整相移量的大小 .,加載式的開關(guān)線型90度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),加載式的開關(guān)線型180度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),180度相移位單元電路實(shí)物圖和測(cè)試結(jié)果（加載式的開關(guān)線型）,1、180度相移位與90度相移位的射頻性能相當(dāng). 2、通過實(shí)驗(yàn)也證明了，調(diào)節(jié)調(diào)諧塊L1的長(zhǎng)度可以非常方便的調(diào)整相移量的大小 . 3、相比反射型移相器，加載式的開關(guān)線型移相器有更為優(yōu)越的射頻性能.,Ku波段幾個(gè)基本相移位的單元電路實(shí)驗(yàn),加載式的開關(guān)線型180度相移位單元電路實(shí)驗(yàn),Ku波段六位數(shù)字移相器的方案設(shè)計(jì),射頻部分 1、5.625度、11.25度、22.5度和45度相移位均采用主線加載的加載線形式 2、90度和180度相移位均采用加載式的開關(guān)線形式,Ku波段六位數(shù)字移相器的方案設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)部分,晶體管雙態(tài)驅(qū)動(dòng)電路原理圖,Ku波段六位數(shù)字移相器的實(shí)現(xiàn),射頻部分,驅(qū)動(dòng)電路部分,Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,0度相移位測(cè)試結(jié)果,Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,5.625度相移位測(cè)試結(jié)果,Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試及結(jié)果分析,Ku波段六位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果,11.