移相器有模拟和数字两种形式,模拟式移相器相移量可在一定范围内连续可变,而数字式移相器的相移量只能在一定范围内取某些特定值。如果要构成 n位数字移相器可用 n 个相移数值不同的子移相器串联而成。每个子移相器应有移相和不移相两个状态。最小的子移相器的相移量为
。故 n 位数字移相器可得到个不同相移值。数字移相器可以用数字控制,电路来进行控制与外电路的接口比较容易。而模拟式移相器可实现360°范围内的无极扫描,这样可以有更高的移相精度,它多用在系统相位自动调整的场合和移相精度要求特别高的场合。
按使用材料分,移相器有铁氧体移相器、铁电陶瓷移相器、半导体二极管移相器、砷化镓 MMIC(单片微波集成电路)移相器和MEMS(微电子机械系统)移相器等。根据功率电平分有高功率移相器和低功率移相器;按传输线形式分有波导移相器、同轴线移相器、带状线移相器、微带线移相器、共面波导移相器、根据所采用的元件还可以分为集中参数移相器和分布参数移相器。下面将介绍几种比较常用的移相器的结构以及工作原理。
铁氧体移相器
铁氧体移相器可分为环行移相器、双模移相器和旋转场移相器等。其基本原理是利用外加磁场改变波导内铁氧体的磁导率,从而改变电磁波的相速得到不同的相移量。
图1-1所示为常用的一种铁氧体移相器,在矩形波导宽边中央有一条截面为环形的铁氧体环,环中央有一根磁化导线。根据铁氧体的磁滞特性,当磁化导线中通过足够大的脉冲电流时,所产生的外加磁场也足够强(它与磁化电流强度成正比),铁氧体磁化达到饱和,脉冲结束后,铁氧体内便有一个剩磁感应(其强度为)。当所加脉冲极性改变时,剩磁感应的方向也相应改变(其强度为Br)。这两个方向不同的剩磁感应对波导内传输的TE10波来说对应两个不同的磁导率,也就是两种不同极性的脉冲在该段铁氧体对应有两个不同的相移量,铁氧体产生的总的相移量为这两个相移量之差。只要铁氧体环在每次磁化时都达到饱和,其剩磁感应大小就保持不变,这样相移差的值便取决于铁氧体的长度。铁氧体移相器具有较大的功率容量,插入损耗比较小,移相度也可做到很大,但是由于需要励磁线圈来提供驱动电流,所以体积很庞大,只能用于无源相控阵雷达,不适合机载和星载雷达,而且其响应速度比较慢,也不能适应高速毫米波雷达的要求。
图1-1 铁氧体移相器
半导体PIN二极管移相器
半导体PIN二极管移相器是发展最早也是现在使用最广泛的一种数字式移相器。按电路结构分可分为开关线式移相器、加载线式移相器、反射式移相器、变阻抗移相器等。不管采用那种结构其原理都是利用PIN二极管在正偏和反偏时的两种不同开关状态,使一段传输线接通或断开来实现移相。它的优点是易于采用数字信号控制,工作速度快,但功耗大,尤其是在微波频段;功率容量比较小。下面是几种不同结构的PIN二极管移相器。
(a)开关线式移相器 (b)加载线式移相器
(c)环行器移相器
图2-1PIN二极管移相器
此结构也存在一些不足,首先是所需PIN开关二极管较多,其次,这种结构对管子一致性要求较高,而且工作频率越高,对一致性要求越高;再次,由于PIN二极管隔离带的限制,断开通道将会对导通通道产生附加影响,断开通道的点长度为或其整数倍时,断开的通道将产生谐振,吸收大量信号能量,此时,不仅移相器的插入损耗将急剧上升,而且在谐振频率附近将产生很大的相移误差。为了避免这种谐振现象,必须对两个通道的电长度合理选择。最后,微波功率要在两条通路之间来回转换,二极管将承受很高的射频电压和电流。
砷化镓MMlC移相器
基于砷化镓集成电路工艺的MMIC近年来也有了很大的发展。砷化镓MMIC移相器也随之出现,其使用频率主要是在微波低频段如L波段,C波段等。在MMIC移相器的设计中为了缩小体积,通常采用反射式的结构,因此其设计的关键就是实现微波信号的反射传输。微波信号的反馈通常是由长的3dB耦合线实现的,耦合线一般采用微带线或共面波导的形式,也可以用过集总参数的电容和电感实现。砷化镓MMIC移相器的优点是制作工艺成熟、工艺误差对器件电性能的影响比较小、温度稳定性也好,但同半导体PIN二极管一样在微波高频段时其插入损耗很大,功率容量也比较小,且工艺难度大。
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