电调数字移相器及其控制方法

1.本申请涉及数字移相器技术领域，尤其涉及一种电调数字移相器及其控制方法。


背景技术：

2.相控阵天线由于其高增益和电控波束扫描等特性在无线通信、雷达侦测、遥感成像等领域具有广泛的应用。微波移相器作为相控阵天线系统的核心器件，通常用于控制辐射单元的馈电相位以形成和控制波束，对系统的性能起着至关重要的作用。开关线型移相器是最常用的数字移相器类型。它通过若干条不同长度的传输路径之间的简单时延差来提供所需的相移，并使用多个电子开关器件来选择所需的传输路径。
3.通常，开关线型移相器需要4个或更多电子开关器件和多条微带线等传输结构，器件多，尺寸大，控制电路复杂。反射式移相器可以通过在耦合器或环行器的端口连接加载电子开关器件的反射式负载进行相位调节，从而减少所需电子开关器件的数量，但反射式移相器的带宽通常都较窄。


技术实现要素：

4.本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本申请的第一个目的在于提出一种电调数字移相器，以实现通过电子开关器件在导通和截止两个状态，移相器可以在宽频带内实现相位差约为90
°
的两种相移状态，且插损小；移相器的结构简单且紧凑，适用多种类型电子开关器件，设计灵活；以及移相器加载两个电子开关器件始终工作在同一导通或截止状态，控制电路设计简单，实施方便。
6.本申请的第二个目的在于提出一种电调数字移相器的控制方法。
7.为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种电调数字移相器，包括：金属层(1)、介质板(2)、金属地(3)、第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)；
8.所述金属层(1)构成两条长度相同的平行耦合线一端直接相连，并连接负载，所述负载上加载所述第一电子开关器件；
9.在所述平行耦合线的另一端，所述第二电子开关器件加载在两条平行耦合线之间，所述金属层(1)与贯穿介质板(2)并与金属地(3)直接相连；
10.所述第一电子开关器件(41)和所述第二电子开关器件(42)用于为不同工作状态下移相器提供不同的相位响应。
11.本申请实施例的电调数字移相器，包括金属层(1)、介质板(2)、金属地(3)、第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)；金属层(1)构成两条长度相同的平行耦合线一端直接相连并连接负载，负载上加载第一电子开关器件；在平行耦合线另一端，第二电子开关器件加载在两条平行耦合线之间，金属层(1)与贯穿介质板(2)并与金属地 (3)直接相连；第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)用于为不同工作状态下移相器提供不同的相位响应。本申请移相器通过电子开关器件在导通和截止两个状态，移相器可以在宽频带内实现相位差约为90
°
的两种相移状态，且插损小；移相器的结构简单且紧凑，适用多
种类型电子开关器件，设计灵活；以及移相器加载两个电子开关器件始终工作在同一导通或截止状态，控制电路设计简单，实施方便。
12.在本申请的一个实施例中，所述第一电子开关器件(41)和所述第二电子开关器件(42) 为pin二极管，射频mems开关和fet管中任一种。
13.在本申请的一个实施例中，所述第一电子开关器件(41)和所述第二电子开关器件(42)，具体用于工作在导通和截止两个状态，所述移相器在目标频率产生两种不同的相位响应，其中，相位差为90
°
。
14.在本申请的一个实施例中，通过调整所述平行耦合线的长度参数和所述负载的长度参数使所述移相器工作在所述目标频率。
15.在本申请的一个实施例中，其中，所述金属层(1)包括矩形贴片(11)、矩形贴片(12) 构成的传输线部分、矩形贴片(13)、矩形贴片(14)构成的平行耦合传输线部分、矩形贴片(141)、矩形贴片(142)构成的焊盘结构、矩形贴片(16)构成的负载结构和金属圆柱过孔(17)构成的接地结构；
16.其中，所述第一电子开关器件的正极焊接在所述矩形贴片(11)上，负极焊接在所述矩形贴片(12)上，电容两端分别焊接在矩形贴片(141)和矩形贴片(142)上；
17.所述第二电子开关器件(42)的正极焊接在矩形贴片(15)上，负极焊接在矩形贴片 (16)上，所述矩形贴片(16)与所述金属圆柱过孔(17)相连，所述金属圆柱过孔(17) 贯穿所述介质板2并与所述金属地3直接相连。
18.在本申请的一个实施例中，所述矩形贴片(13)和所述矩形贴片(14)形状相同。
19.为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了电调数字移相器的控制方法，包括：
20.在移相器的输入端口输入信号，在所述移相器的输出端口生成两种不同相位响应的输出信号；其中，所述移相器的电子开关器件用于为不同工作状态下所述移相器提供不同的相位响应。
21.本申请实施例的电调数字移相器的控制方法，通过电子开关器件在导通和截止两个状态，移相器可以在宽频带内实现相位差约为90
°
的两种相移状态，且插损小；移相器的结构简单且紧凑，适用多种类型电子开关器件，设计灵活；以及移相器加载两个电子开关器件始终工作在同一导通或截止状态，控制电路设计简单，实施方便。
22.在本申请的一个实施例中，通过调整所述移相器的平行耦合线的长度参数和所述移相器的负载的长度参数使所述移相器工作在目标频率。
23.在本申请的一个实施例中，所述移相器的电子开关器件，用于工作在导通和截止两个状态，所述移相器在目标频率产生两种不同的相位响应，其中，相位差为90度。
24.在本申请的一个实施例中，当所述移相器的两个电子开关器件都工作在导通状态时，所述输出端口输出的第一电磁波相位；
25.当所述移相器的两个电子开关器件都工作在截止状态时，所述输出端口输出的第二电磁波相位；
26.当所述移相器的两个电子开关器件工作在不同状态时，所述输出端口输出的相位差为所述第一电磁波相位减去所述第二电磁波相位。
27.本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
28.本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
29.图1为本申请实施例一所提供的一种电调数字移相器的结构示意图；
30.图2为本申请实施例一所提供的另一种电调数字移相器的结构示意图；
31.图3为本申请实施例基于pin二极管的x波段90
°
数字移相器整体结构示意图；
32.图4为本申请实施例基于pin二极管的x波段90
°
电调数字移相器正视图；
33.图5a
‑
5b为本申请实施例基于pin二极管的x波段90
°
电调数字移相器仿真结果。
具体实施方式
34.下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
35.下面参考附图描述本申请实施例的电调数字移相器及其控制方法。
36.图1为本申请实施例一所提供的一种电调数字移相器的结构示意图。
37.本申请提出的电调数字移相器，能在需要的频率实现两种不同相位响应的工作状态，相位差约为90
°
，且插损小，可以适用多种类型电子开关器件控制的电路，如pin二极管 (光电二极管)，射频mems(micro
‑
electro
‑
mechanical system，微机电系统)开关，fet 管(field effect transistor，场效应晶体管)等等。该移相器基于平行耦合传输线设计，两条长度相同的平行耦合线一端直接相连，并连接加载一个电子开关器件的负载；在平行耦合线的另一端，另一个电子开关器件直接加载在两条耦合线之间。该90
°
电调数字移相器为层状结构，包括金属贴片层、介质板和金属地。本发明具有如下优点：电子开关器件在导通和截止两个状态，移相器可以在宽频带内实现相位差约为90
°
的两种相移状态，且插损小；移相器的结构简单且紧凑，适用多种类型电子开关器件，设计灵活；移相器加载两个电子开关器件始终工作在同一导通或截止状态，控制电路设计简单，实施方便。
38.如图1所示，该电调数字移相器包括：金属层(1)、介质板(2)(图1中未示出)、金属地(3)(图1中未示出)、第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)。
39.金属层(1)构成两条长度相同的平行耦合线一端直接相连，并连接负载，负载上加载所述第一电子开关器件。
40.在平行耦合线的另一端，第二电子开关器件加载在两条平行耦合线之间，金属层(1) 与贯穿介质板(2)并与金属地(3)直接相连。
41.第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)用于为不同工作状态下移相器提供不同的相位响应。
42.在本申请的一个实施例中，第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)为pin 二极管，射频mems开关和fet管中任一种。
43.在本申请的一个实施例中，第一电子开关器件(41)和所述第二电子开关器件(42)，具体用于工作在导通和截止两个状态，移相器在目标频率产生两种不同的相位响应，其中，相位差为90
°
。
44.在本申请的一个实施例中，通过调整平行耦合线的长度参数和负载的长度参数使
移相器工作在所述目标频率。
45.在本申请的一个实施例中，其中，金属层(1)包括矩形贴片(11)、矩形贴片(12) 构成的传输线部分、矩形贴片(13)、矩形贴片(14)构成的平行耦合传输线部分、矩形贴片(141)、矩形贴片(142)构成的焊盘结构、矩形贴片(16)构成的负载结构和金属圆柱过孔(17)构成的接地结构；其中，第一电子开关器件的正极焊接在矩形贴片(11)上，负极焊接在矩形贴片(12)上，电容两端分别焊接在矩形贴片(141)和矩形贴片(142) 上；第二电子开关器件(42)的正极焊接在矩形贴片(15)上，负极焊接在矩形贴片(16) 上，矩形贴片(16)与金属圆柱过孔(17)相连，金属圆柱过孔(17)贯穿所述介质板2 并与金属地3直接相连。
46.在本申请的一个实施例中，矩形贴片(13)和所述矩形贴片(14)形状相同。
47.本申请实施例的电调数字移相器，包括金属层(1)、介质板(2)、金属地(3)、第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)；金属层(1)构成两条长度相同的平行耦合线一端直接相连并连接负载，负载上加载第一电子开关器件；在平行耦合线另一端，第二电子开关器件加载在两条平行耦合线之间，金属层(1)与贯穿介质板(2)并与金属地 (3)直接相连；第一电子开关器件(41)和第二电子开关器件(42)用于为不同工作状态下移相器提供不同的相位响应。本申请移相器通过电子开关器件在导通和截止两个状态，移相器可以在宽频带内实现相位差约为90
°
的两种相移状态，且插损小；移相器的结构简单且紧凑，适用多种类型电子开关器件，设计灵活；以及移相器加载两个电子开关器件始终工作在同一导通或截止状态，控制电路设计简单，实施方便。
48.图2为本申请实施例一所提供的另一种电调数字移相器的结构示意图。
49.在本申请实施例中，如图2所示，移相器基于平行耦合传输线设计，两条长度相同的平行耦合线一端直接相连，并连接负载，负载上加载一个电子开关器件；在平行耦合线的另一端，另一个电子开关器件直接加载在两条耦合线之间。在移相器的输入端口输入信号，在移相器的输出端口生成两种不同相位响应的输出信号；其中，移相器的电子开关器件用于为不同工作状态下移相器提供不同的相位响应。
50.在本申请实施例中，通过调整移相器的平行耦合线的长度参数和移相器的负载的长度参数使移相器工作在目标频率。
51.在本申请实施例中，移相器的电子开关器件，用于工作在导通和截止两个状态，移相器在目标频率产生两种不同的相位响应，其中，相位差为90度
52.在本申请实施例中，当移相器的两个电子开关器件都工作在导通状态时，输出端口输出的第一电磁波相位；当移相器的两个电子开关器件都工作在截止状态时，输出端口输出的第二电磁波相位；当移相器的两个电子开关器件工作在不同状态时，输出端口输出的相位差为第一电磁波相位减去所述第二电磁波相位。
53.为了更加清楚说明上述实施例，本申请实例中电子开关器件以pin二极管为例进行详细说明。
54.本申请公开了一个工作在x波段的90
°
电调数字移相器设计实例，移相器整体结构如图3所示，正视图如图4所示，移相器自上而下包括：金属层1、介质板2、金属地3，其中：
55.金属层1包括矩形贴片11、12构成的传输线部分、矩形贴片13、14构成的平行耦合传输线部分、矩形贴片141、142构成的焊盘结构、矩形贴片16构成的负载结构和金属圆柱过孔17构成的接地结构。其中一个电子开关器件，如pin二极管，正极焊接在金属贴片11上，负
极焊接在金属贴片12上。为了使电子开关器件正常工作，引入电容隔断直流通路，电容两端分别焊接在金属贴片141和142上。另一个电子开关器件，如pin二极管，正极焊接在金属贴片15上，负极焊接在金属贴片16上。金属贴片16与金属圆柱过孔17 相连，金属圆柱过孔17贯穿介质板2(图4中未示出)并与金属地3(图4中未示出)直接相连。
56.移相器工作原理：电磁波从port1(输入端口)输入、port2(输出端口)输出；由于电路的对称性，电磁波也可从port2输入，port1输出，本实例以port1输入、port2输出为例阐述工作原理。根据等效电路理论，当电子开关器件，如pin二极管，加载正或者负偏置电压时，其可等效为不同的电路，因此移相器负载等效电路和耦合线间的耦合系数将相应改变。加载的两个pin二极管都工作在导通状态和都工作在截止状态时，移相器对port1输入信号的响应不同，产生一定的传输相位差。如当两个pin二极管都工作在导通状态时，输出端口port2输出的电磁波相位为当两个pin二极管都工作在截止状态时，输出端口port2 输出的电磁波相位为两个pin二极管工作在不同状态时，输出端口port2的相位差图5为设计工作在x波段的90
°
电调数字移相器在两个pin二极管同时导通和截止两种状态下的仿真结果，图5a为s21幅度曲线，图5b为s21相位曲线。
57.在本申请的实例中，pin二极管可以为macom公司生产madp
‑
000907
‑
14020，其工作状态包括：导通、截止。也可选用其它型号或其他供应商提供的pin二极管。对于其它型号的电子开关器件，适当优化平行耦合线和负载参数，移相器即可达到良好的90
°
移相效果。在本申请的实例中，介质板2为taconic tlx
‑
8，相对介电常数为2.55。也可选用其它型号的介质板来实现该移相器。
58.本申请提出的90
°
电调数字移相器结构中，平行耦合线的长度的参数pl和负载的长度参数t决定了工作频率，通过调整pl和t，可使该移相器工作在需要的频率。该移相器能适用多种类型电子开关器件控制的电路，如pin二极管，射频mems开关，fet管等等。矩形贴片141、142构成的焊盘结构及其上焊接的电容，可为pin二极管等二端口电子开关器件提供直流隔断功能，以保障其正常工作。对于已具备输入、输出端口直流隔断功能的电子开关器件，则无需矩形贴片141、142构成的焊盘结构及其上焊接的电容，矩形贴片14 与矩形贴片13形状相同。
59.由此，基于耦合传输线实现90
°
电调数字移相器的方法，能在需要的频率实现两种不同相位响应的工作状态，相位差约为90
°
，且插损小，可以适用多种类型电子开关器件控制的电路，如pin二极管，射频mems开关，fet管等等。该移相器基于平行耦合传输线设计，两条长度相同的平行耦合线一端直接相连，并连接加载一个电子开关器件的负载；在平行耦合线的另一端，另一个电子开关器件直接加载在两条耦合线之间。该90
°
电调数字移相器为层状结构，包括金属贴片层、介质板和金属地。本申请具有如下优点：电子开关器件在导通和截止两个状态，移相器可以在宽频带内实现相位差约为90
°
的两种相移状态，且插损小；移相器的结构简单且紧凑，适用多种类型电子开关器件，设计灵活；移相器加载两个电子开关器件始终工作在同一导通或截止状态，控制电路设计简单，实施方便。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
61.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
62.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
63.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
64.应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
65.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
66.此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
67.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描
述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。