L波段四位数字移相器的设计与仿真

1 引言

微波移相器是一种微波控制电路，其主要作用于是对微波信号的相位进行控制以满足系统的需要。移相器在相控阵雷达、微波通信、卫星技术等众多领域都具有非常广阔的应用前景。特别是在相控阵雷达系统中，移相器是T/R组件的关键器件。自20世纪60年代以来，随着移相器需求的增大，移相器理论得以不断丰富完善，制造工艺也日趋成熟。微波移相器的实现形式也逐渐由波导、同轴线过渡到微带线形式。在此基础上出现了，混合微波集成电路（HMIC）移相器。进入20世纪80年代，计算机仿真技术的不断完善和半导体材料及工艺的迅猛发展使基于单片微波集成电路（MMIC）的微波移相器在这一阶段应运而生。国际上已经有多个型号的MMIC移相器研制成功并投入市场。受设备和技术等因素的限制，国内对MMIC移相器的研究开发进展相对缓慢，基本仍处于试制使用阶段。从电路的性能指标、功率容量、价格等角度出发，HMIC移相器仍具有应用优势。因此，进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义。Agilent公司的ADS软件具有完整的设计和仿真优化功能，能快速有效地设计仿真出需要的电路，可以大大提高设计的成功率，从而减轻设计者的工作量。

2 移相器设计

2.1 本移相器的原理框图及主要性能参数

与传输线串联或并联的任何电抗，都会引入相移，移相器电路4位分别为180°，90°，45°，22.5°。在0°～360°间以22.5°为步进形成16个移相。利用将四个相移位级联起来的方法，即可构成本文设计的四位数字移相器（如图1所示）。通过控制驱动电路输出偏置电流从而能使PIN管处于正向或反向偏置状态，从而实现16个相移状态 。

图1 PIN移相器原理框图

设计的移相器的主要性能参数为：工作频率为1.5GHz±100MHz，均方根相位误差3°，插入损耗2.5dB，回波损耗15dB。

2.2 PIN管的仿真建模

PIN二极管作为开关元件进行控制，具有相移精度高、功率大、体积重量小、开关时间短、控制功率小、对温度变化的稳定性好等优点。实际的PIN二极管并不是理想通断的开关。通过查找文献可得PIN管的等效电路，据此对PIN管进行建模，如图2所示。

图2（a）为PIN管正向偏置模型，图2（b）为PIN管反向偏置模型。通过查阅技术文献及实际测量，模型中、、、等参数均易于获得。由于PIN管连接的两段微带线之间的间隙很小（1mm），它们之间的耦合无法避免，故在这里引入了一个间隙模块（MGAP）来模拟这种情况。