基于缺陷地技術(shù)六位數(shù)字移相器的設(shè)計(jì)

李偉忠， 趙世巍， 王俐聰

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201109；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

移相器是微波電路中的關(guān)鍵器件，在通信、雷達(dá)等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。移相器的移相位數(shù)越多，對(duì)相位的控制越精細(xì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)字移相器進(jìn)行了大量的研究［1-3］。本文利用缺陷地（Defected Ground Structure，DGS）結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高性能雙頻段六位移相器。移相器正面采用開(kāi)路短截線和短路短截線擴(kuò)展工作頻率，背面采用DGS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻功能。該結(jié)構(gòu)的移相器具有插入損耗小、移相精度高等特點(diǎn)。

1 缺陷地結(jié)構(gòu)移相器的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

1.1 開(kāi)關(guān)式移相器設(shè)計(jì)方法

開(kāi)關(guān)線式移相器采用兩條傳輸通路（l1和l2），二者的電長(zhǎng)度之差等于所需的相移量。當(dāng)微波信號(hào)由較短路徑轉(zhuǎn)換至較長(zhǎng)路徑時(shí)，電路附加的相 位 延 遲 為Δθ＝β（l2-l1）＝2π／λg（l2-l1）［4-5］。移相器的性能指標(biāo)主要有工作頻帶、相移量、相移精度、插入損耗、電壓駐波比、移相器開(kāi)關(guān)時(shí)間等。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：

a）當(dāng)開(kāi)關(guān)傳輸線l1或l2長(zhǎng)度為某個(gè)頻率的半波長(zhǎng)時(shí)，將產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，增大插入損耗，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免諧振；

b）移相器輸入端應(yīng)匹配，且具有小的插入損耗，否則會(huì)引起寄生調(diào)幅。

圖1為傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)移相單元，包含四個(gè)二極管（D1、D2、D3和D4）。移相單元下半部分為路徑1，特性阻抗為Z0（一般為50Ω），電長(zhǎng)度為θ1；移相單元上半部分為路徑2，路徑2的特性阻抗為Z0，電長(zhǎng)度為θ2。兩個(gè)路徑相位差即為相移量。

圖1 傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)移相器單元

圖2為采用加載開(kāi)路和短路匹配線移相單元，該結(jié)構(gòu)包括固定主線，以及平行短路和開(kāi)路線。下半部分為路徑1，主線特性阻值為Zm1，電長(zhǎng)度為θm1；上半部分為路徑2，主線特性阻值為Zm2，電長(zhǎng)度為θm2。路徑1的平行開(kāi)路和短路線特性阻抗為Zs1，電長(zhǎng)度為θs1。路徑2 的平行開(kāi)路線和短路線的特性阻值為Zs2，電長(zhǎng)度為θs2。根據(jù) 所 需 要 的 相 移，通 過(guò) 控 制 微 帶 線Zm1、Zm2、Zs1和Zs2調(diào)整相移的頻率。與傳統(tǒng)的移相單元相比，該移相單元具有更寬的工作頻率。圖2所示的加載開(kāi)路短截線和短路短截線的移相單元適用于不超過(guò)90°的相移器。例如，在設(shè)計(jì)相移為45°的移項(xiàng)器時(shí)，在中心頻率處，如果Zm1＜Zm2，Zs1＞Zs2和θm1＝θm2＝π，θs1＝θs2＝π／4，可以得到較理想的效果。這種移相器比傳統(tǒng)移相單元具有更寬的工作頻率，更好的端口匹配。

圖2 加載開(kāi)路和短路匹配線移相單元

1.2 缺陷地結(jié)構(gòu)的微波移相電路的研究

（1）DGS的長(zhǎng)度和寬度調(diào)整方式

移相單元的正面結(jié)構(gòu)如圖3所示，開(kāi)路短截線和短路短截線的長(zhǎng)度為l（l＝la+lb），寬度為b，主線之間距離為d。圖4為背面DGS結(jié)構(gòu)，其中實(shí)線填充部分為正面移相單元，斜紋填充部分為背面空隙矩形環(huán)結(jié)構(gòu)。矩形環(huán)DGS由長(zhǎng)為a，寬為b，間縫為c的矩形環(huán)組成，兩個(gè)矩形環(huán)之間的中心距為d，通過(guò)以上的雙面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻移相功能。

圖3 正面加載短截線的傳輸線結(jié)構(gòu)

圖4 背面DGS結(jié)構(gòu)

圖5 加載短截線DGS的雙頻仿真結(jié)果

正面的加載微帶短截線會(huì)改變工作頻率，l和b 的越大，工作頻率越小，可以通過(guò)改變微帶短截線的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整工作頻率。背面DGS結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度a 和寬度b 對(duì)通帶也有較大的影響，隨著a的增大，阻帶向低頻段移動(dòng)，且越來(lái)越陡峭。隨著b的增大，阻帶向高頻段移動(dòng)，且越來(lái)越陡峭。因此，通過(guò)調(diào)整矩形環(huán)DGS的長(zhǎng)度和寬度，可以調(diào)節(jié)阻帶的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)移相器的阻帶特性。

（2）缺陷地結(jié)構(gòu)雙頻移相器的仿真結(jié)果

雙頻濾波功能的DGS結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，在2.30GHz～2.55GHz，以及2.85GHz～3.20GHz的頻率范圍內(nèi)，S21小于-0.5dB，S11大于-15dB，實(shí)現(xiàn)了雙頻移相的性能。通過(guò)調(diào)整DGS長(zhǎng)和寬的長(zhǎng)度，移相器的頻率就會(huì)發(fā)生變化，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)項(xiàng)目的具體需要，可以靈活調(diào)整移相器通帶的頻率。由圖5可知該DGS 結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)2.3 GHz～2.5 GHz和3.0GHz～3.2GHz兩個(gè)工作通帶。

2 缺陷地移相器的電路加工和測(cè)試

電路采用Rogers RT／duroid 5880基片進(jìn)行加工，介電常數(shù)為2.22，介質(zhì)厚度為0.254mm，屬厚度為0.018mm，T 為0.035mm 材料。圖6金為45°DGS結(jié)構(gòu)移相單元的實(shí)際加工圖，左圖為正面加載開(kāi)路短截線和短路短截線移相單元，右圖為背面DGS結(jié)構(gòu)。圖7為六位數(shù)字移相器的實(shí)際加工電路。其中從左到右，相移分別為180.0°，5.6°，11.3°，22.5°，45.0°和90.0°。

圖6 缺陷地結(jié)構(gòu)45.0°移相單元實(shí)物照片

圖7 DGS結(jié)構(gòu)六位數(shù)字移相器實(shí)物照片

缺陷地六位數(shù)字移相器的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 DGS數(shù)字移相器測(cè)試結(jié)果

由表1可知，六位數(shù)字移相器的實(shí)際通常為2.5GHz～2.7GHz和3.3GHz～3.5GHz。實(shí)際DGS結(jié)構(gòu)移相器的測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)有所偏移，主要由于微帶線加工誤差和設(shè)計(jì)余量考慮不足等原因。從DGS移相器樣品測(cè)試基本上驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)移相器設(shè)計(jì)的合理性。

3 結(jié)論

新型DGS六位數(shù)字移相器，不僅可實(shí)現(xiàn)所需要的雙頻功能，還具有插入損耗小，移相精度高，駐波低等性能。利用DGS 技術(shù)設(shè)計(jì)制作2.3 GHz～2.5GHz和3.0GHz～3.2GHz的雙通帶六位數(shù)字移相器，并取得了較好的測(cè)試結(jié)果。

［1］ 李芹，王志功，李偉，等.6～18GHz四位數(shù)控移相器單片集成電路的設(shè)計(jì)［J］.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2008，28（2）：208-211.

［2］ Soon-Yong Eom1，Han-Kyu.New Switched-network Phase Shifter with Broad Characteristics.［J］.IEEE Microwave and Optical Technology Letter，2003，38（4）：255-257.

［3］ 周葉華，官伯然.3G 波段四位數(shù)字移相器［J］.杭州電子工業(yè)學(xué)報(bào)，2008，24（4）：60-62.

［4］ Mary Teshiba，Robert Van Leeuwen，Glenn Sakamoto，etc.A SiGe 6-Bit PIN Diode Phase Shifter［J］.IEEE Microwave and Wireless Components，2002，12（12）：500-501.

［5］ 高葆薪.微波集成電路［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994：387-390.