基于缺陷地技术六位数字移相器的设计

李伟忠， 赵世巍， 王俐聪

（1.海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海201109；2.上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

移相器是微波电路中的关键器件，在通信、雷达等系统中有着广泛的应用。移相器的移相位数越多，对相位的控制越精细。国内外对数字移相器进行了大量的研究［1-3］。本文利用缺陷地（Defected Ground Structure，DGS）结构的特点，设计了高性能双频段六位移相器。移相器正面采用开路短截线和短路短截线扩展工作频率，背面采用DGS结构实现双频功能。该结构的移相器具有插入损耗小、移相精度高等特点。

1 缺陷地结构移相器的设计与结构

1.1 开关式移相器设计方法

开关线式移相器采用两条传输通路（l1和l2），二者的电长度之差等于所需的相移量。当微波信号由较短路径转换至较长路径时，电路附加的相 位 延 迟 为Δθ＝β（l2-l1）＝2π／λg（l2-l1）［4-5］。移相器的性能指标主要有工作频带、相移量、相移精度、插入损耗、电压驻波比、移相器开关时间等。设计时需要注意：

a）当开关传输线l1或l2长度为某个频率的半波长时，将产生谐振现象，增大插入损耗，设计时应注意避免谐振；

b）移相器输入端应匹配，且具有小的插入损耗，否则会引起寄生调幅。

图1为传统开关移相单元，包含四个二极管（D1、D2、D3和D4）。移相单元下半部分为路径1，特性阻抗为Z0（一般为50Ω），电长度为θ1；移相单元上半部分为路径2，路径2的特性阻抗为Z0，电长度为θ2。两个路径相位差即为相移量。

图1 传统的开关移相器单元

图2为采用加载开路和短路匹配线移相单元，该结构包括固定主线，以及平行短路和开路线。下半部分为路径1，主线特性阻值为Zm1，电长度为θm1；上半部分为路径2，主线特性阻值为Zm2，电长度为θm2。路径1的平行开路和短路线特性阻抗为Zs1，电长度为θs1。路径2 的平行开路线和短路线的特性阻值为Zs2，电长度为θs2。根据 所 需 要 的 相 移，通 过 控 制 微 带 线Zm1、Zm2、Zs1和Zs2调整相移的频率。与传统的移相单元相比，该移相单元具有更宽的工作频率。图2所示的加载开路短截线和短路短截线的移相单元适用于不超过90°的相移器。例如，在设计相移为45°的移项器时，在中心频率处，如果Zm1＜Zm2，Zs1＞Zs2和θm1＝θm2＝π，θs1＝θs2＝π／4，可以得到较理想的效果。这种移相器比传统移相单元具有更宽的工作频率，更好的端口匹配。

图2 加载开路和短路匹配线移相单元

1.2 缺陷地结构的微波移相电路的研究

（1）DGS的长度和宽度调整方式

移相单元的正面结构如图3所示，开路短截线和短路短截线的长度为l（l＝la+lb），宽度为b，主线之间距离为d。图4为背面DGS结构，其中实线填充部分为正面移相单元，斜纹填充部分为背面空隙矩形环结构。矩形环DGS由长为a，宽为b，间缝为c的矩形环组成，两个矩形环之间的中心距为d，通过以上的双面结构实现双频移相功能。

图3 正面加载短截线的传输线结构

图4 背面DGS结构

图5 加载短截线DGS的双频仿真结果

正面的加载微带短截线会改变工作频率，l和b 的越大，工作频率越小，可以通过改变微带短截线的长度来调整工作频率。背面DGS结构的长度a 和宽度b 对通带也有较大的影响，随着a的增大，阻带向低频段移动，且越来越陡峭。随着b的增大，阻带向高频段移动，且越来越陡峭。因此，通过调整矩形环DGS的长度和宽度，可以调节阻带的位置，进而实现调节移相器的阻带特性。

（2）缺陷地结构双频移相器的仿真结果

双频滤波功能的DGS结构仿真结果如图5所示，从图中可以看出，在2.30GHz～2.55GHz，以及2.85GHz～3.20GHz的频率范围内，S21小于-0.5dB，S11大于-15dB，实现了双频移相的性能。通过调整DGS长和宽的长度，移相器的频率就会发生变化，设计时可以根据项目的具体需要，可以灵活调整移相器通带的频率。由图5可知该DGS 结构能实现2.3 GHz～2.5 GHz和3.0GHz～3.2GHz两个工作通带。

2 缺陷地移相器的电路加工和测试

电路采用Rogers RT／duroid 5880基片进行加工，介电常数为2.22，介质厚度为0.254mm，属厚度为0.018mm，T 为0.035mm 材料。图6金为45°DGS结构移相单元的实际加工图，左图为正面加载开路短截线和短路短截线移相单元，右图为背面DGS结构。图7为六位数字移相器的实际加工电路。其中从左到右，相移分别为180.0°，5.6°，11.3°，22.5°，45.0°和90.0°。

图6 缺陷地结构45.0°移相单元实物照片

图7 DGS结构六位数字移相器实物照片

缺陷地六位数字移相器的测试结果如表1所示。

表1 DGS数字移相器测试结果

由表1可知，六位数字移相器的实际通常为2.5GHz～2.7GHz和3.3GHz～3.5GHz。实际DGS结构移相器的测试结果与仿真数据有所偏移，主要由于微带线加工误差和设计余量考虑不足等原因。从DGS移相器样品测试基本上验证了该结构移相器设计的合理性。

3 结论

新型DGS六位数字移相器，不仅可实现所需要的双频功能，还具有插入损耗小，移相精度高，驻波低等性能。利用DGS 技术设计制作2.3 GHz～2.5GHz和3.0GHz～3.2GHz的双通带六位数字移相器，并取得了较好的测试结果。

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