一款X波段带状线移相器的设计*

邢　君　白明强　李畅游

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所　扬州　225001)



一款X波段带状线移相器的设计*

邢君白明强李畅游

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所扬州225001)

论文设计了一款基于Schiffman移相器改进形式的X波段带状线移相器,具有带宽宽、移相精度较好、插损小的特点。使用了软件ADS、HFSS进行仿真设计,最终得到符合仿真结果的实物。此款移相器适用于射频前端的使用。

移相器; X波段; 带状线

Class NumberTN623

1　引言

目前,小型化、宽频带移相器成为发展的主流,也出现了很多数字控制的移相器芯片,虽然数控移相器体积更小,控制移相精度比较高[1～2]。但在射频接收前端,系统较低的噪声系数要求移相器插损不能过大,而数控移相器很难满足这点[3～4]。因此研究了这款无源宽带带状线移相器。

2　移相器理论

本设计以最早期的Schiffman[5]提出的90°宽带移相器理论为基础,其基本原理为利用一段耦合传输线与非耦合线的相位差在一定带宽内不变,原理如图1所示。

移相支路为一段λ0/4耦合线,λ0为中心频点波长,其移相为[6～8]

(1)

其参考支路为一段3λ0/4的非耦合传输线,相位为φ2=3θ,θ=(λ0/λ)·(π/2)。

图1　Schiffman移相器原理图

考虑到ρ的取值过大,在工程中不易实现,同时对移相器有更小型化的需求,本设计参考美国Anaren公司的做法,对Schiffman移相电路做变形应用[9～10]。

如图2所示,移相支路由两级λ0/4耦合线(耦合系数为ρ1),和一级λ0/2耦合线(耦合系数为ρ2)组成,同时将50Ω线对分为100Ω的特性阻抗线,工艺上易于实现。参考电路电长度相应增至9λ0/4。

图2　改进的移相器原理图

两段移相相位差为

(2)

θ=(λ0/λ)·(π/2)

(3)

3　设计目标

工作频率6GHz～18GHz;移相范围90±5°;插入损耗≤1dB;基片尺寸<15×40mm2。

3.1设计方案

设计频段6GHz～18GHz,中心频点12GHz。代入式(3):

θ=(λ0/λ)·(π/2)=(f/f0)·(π/2)

此ρ1、ρ2的取值作为初始值。

(4)

(5)

代入ADS软件计算耦合线的宽度和缝隙宽度后进一步优化结果。

3.2仿真与优化

选用的材料为罗杰斯5880,介电常数2.2,厚度0.7874mm。将式(4)、(5)求得的奇偶模特性阻抗代入ADS软件计算[3]。得到两组耦合线的宽度、缝隙宽度、长度。

将参数代入HFSS建模,形成变量。

图3　HFSS建模

图4　仿真相位85°～93°

图5　仿真插损<0.6dB

图6　仿真驻波<1.8

4　实物与测试

射频部分实物图如图7、8所示。

图7　加工的基片

图8　测试架

印制结构尺寸如图9所示。

相位和插入损耗的测试图如图10、11所示。

图10　参考支路相位、插损

图11　移相支路相位、插损

采用安捷伦公司的N5230c矢量网络分析仪得到的测试结果:6GHz～18GHz频率范围内,移相范围为85°～93°,插损≤1dB,驻波<2.2,基片尺寸为15×40mm2,能够满足设计指标的要求。

5　结语

本文应用Schiffman移相电路的改进形式,借助仿真软件ADS和HFSS设计了一款X波段的90°移相器,这款移相器在有限的体积下具有相对带宽宽、移相精度较好、插损小的特点,适用于微波接收前端的使用。

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Design of Stripline Phase Shifter at X-band

XING JunBAI MingqiangLI Changyou

(723 Research Institute, CSIC, Yangzhou225001)

This paper designed a stripline phase shifter based on improved Schiffman at the frequency of x-band. It has the characteristics of broad band, phase shift with high precision and small insertion loss. The simulation of the design is supported by the software ADS and HFSS. Finally the object conformed to the simulation results is gotten. The phase shifter is suitable for the use of RF front end.

phase shifter, x-band, stripline

2016年4月3日,

2016年5月21日

邢君,女,硕士,研究方向:雷达与电子对抗技术。白明强,男,硕士,研究方向:接收前端设计。李畅游,男,研究员,研究方向:雷达与电子对抗技术。

TN623

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.042