L波段四位數字移相器的設計與仿真

1 引言

微波移相器是一種微波控制電路，其主要作用于是對微波信號的相位進行控制以滿足系統的需要。移相器在相控陣雷達、微波通信、衛星技術等眾多領域都具有非常廣闊的應用前景。特別是在相控陣雷達系統中，移相器是T/R組件的關鍵器件。自20世紀60年代以來，隨著移相器需求的增大，移相器理論得以不斷豐富完善，制造工藝也日趨成熟。微波移相器的實現形式也逐漸由波導、同軸線過渡到微帶線形式。在此基礎上出現了，混合微波集成電路（HMIC）移相器。進入20世紀80年代，計算機仿真技術的不斷完善和半導體材料及工藝的迅猛發展使基于單片微波集成電路（MMIC）的微波移相器在這一階段應運而生。國際上已經有多個型號的MMIC移相器研制成功并投入市場。受設備和技術等因素的限制，國內對MMIC移相器的研究開發進展相對緩慢，基本仍處于試制使用階段。從電路的性能指標、功率容量、價格等角度出發，HMIC移相器仍具有應用優勢。因此，進行高性能高移相精度的HMIC移相器的仿真研究具有非常重要的意義。Agilent公司的ADS軟件具有完整的設計和仿真優化功能，能快速有效地設計仿真出需要的電路，可以大大提高設計的成功率，從而減輕設計者的工作量。

2 移相器設計

2.1 本移相器的原理框圖及主要性能參數

與傳輸線串聯或并聯的任何電抗，都會引入相移，移相器電路4位分別為180°，90°，45°，22.5°。在0°～360°間以22.5°為步進形成16個移相。利用將四個相移位級聯起來的方法，即可構成本文設計的四位數字移相器（如圖1所示）。通過控制驅動電路輸出偏置電流從而能使PIN管處于正向或反向偏置狀態，從而實現16個相移狀態 。

圖1 PIN移相器原理框圖

設計的移相器的主要性能參數為：工作頻率為1.5GHz±100MHz，均方根相位誤差3°，插入損耗2.5dB，回波損耗15dB。

2.2 PIN管的仿真建模

PIN二極管作為開關元件進行控制，具有相移精度高、功率大、體積重量小、開關時間短、控制功率小、對溫度變化的穩定性好等優點。實際的PIN二極管并不是理想通斷的開關。通過查找文獻可得PIN管的等效電路，據此對PIN管進行建模，如圖2所示。

圖2（a）為PIN管正向偏置模型，圖2（b）為PIN管反向偏置模型。通過查閱技術文獻及實際測量，模型中、、、等參數均易于獲得。由于PIN管連接的兩段微帶線之間的間隙很?。?mm），它們之間的耦合無法避免，故在這里引入了一個間隙模塊（MGAP）來模擬這種情況。