應(yīng)Hugo Lin（林豐涵）邀請(qǐng)寫一些寬帶移相器的內(nèi)容，看到這個(gè)題目自己著實(shí)沒有把握，我對(duì)移相器僅限于理論了解。但本著工程師愛鉆研的特質(zhì)，我請(qǐng)教了周邊的大拿，查閱了IEEE及國內(nèi)的期刊，加上自己對(duì)其他無源及控制電路的經(jīng)驗(yàn)，期望寫出來的理解不至于產(chǎn)生誤導(dǎo)。文章里面有紕漏的地方請(qǐng)大家留言探討，共同進(jìn)步。

近些年相控陣?yán)走_(dá)快速發(fā)展，移相器在T/R中是必不可少的器件。每個(gè)輻射單元背后都有一個(gè)電控移相器控制相移，從而使天線孔徑面的相位產(chǎn)生變化，實(shí)現(xiàn)波束靈活指向。這里主要介紹二極管開關(guān)移相器，對(duì)移相器的理解打算寫兩期，本期寫一些單bit的移相結(jié)構(gòu)，下期寫一下常用4bit或6bit的可能結(jié)構(gòu)。由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，這里我把個(gè)人學(xué)習(xí)移相器（主要是寬帶移相器）時(shí)的疑問及現(xiàn)階段的認(rèn)知分享出來。

1、移相器和延遲線的區(qū)別

第一次接觸移相器時(shí)，我下意識(shí)的想到用一節(jié)短傳輸線就實(shí)現(xiàn)了，實(shí)際上開關(guān)線移相器就是一節(jié)短傳輸線，但延遲線也是一節(jié)傳輸線，那移相器和延遲線到底有什么區(qū)別呢。我的理解如下：

基礎(chǔ)公式：△φ=ω·△t
移 相 器：△φ恒定，則△t和ω成反比
延 遲 線：△t恒定，則△φ和ω成正比

一節(jié)傳輸線當(dāng)沒有色散的時(shí)候?qū)θ魏晤l率都是等延遲的，嚴(yán)格來說傳輸線是一個(gè)延遲線。當(dāng)帶寬很窄的時(shí)候移相器可以用一節(jié)短延遲線實(shí)現(xiàn)，可以在一個(gè)相對(duì)窄的帶寬里實(shí)現(xiàn)等相位移動(dòng)，所以開關(guān)線移相器只能用在窄帶情況下。

在信號(hào)帶寬很寬的情況下，信號(hào)通過移相器時(shí)由于對(duì)各個(gè)頻率的延遲不同，我個(gè)人理解實(shí)際上是色散效應(yīng)，不知對(duì)系統(tǒng)使用是否有影響。

2、移相器的實(shí)現(xiàn)方式

移相器有圖1所示的幾種實(shí)現(xiàn)方式，可以看到（a）到（d）均是讓信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延差異來實(shí)現(xiàn)移相。圖（f）是矢量調(diào)制移相器的基本原理，采用了正交矢量合成來產(chǎn)生移相。

圖1、移相器的實(shí)現(xiàn)方式

個(gè)人認(rèn)為混合型、高低通型、矢量合成型是比較適合超寬帶應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。這里分享下我對(duì)每種結(jié)構(gòu)的理解。

a)開關(guān)線移相器

開關(guān)線移相器的基本原理是讓信號(hào)通過兩段不同長(zhǎng)度的傳輸線，從而產(chǎn)生移相，由于△t恒定，對(duì)于大一點(diǎn)的相移（例如22.5°）在高頻時(shí)只能在很窄的帶寬里實(shí)現(xiàn)移相的相位恒定。對(duì)于超寬帶例如6~18G的情況，該方案無論在小相移還是大相移上并不理想。

圖2、開關(guān)線移相器常用移相態(tài)性能對(duì)比

b)負(fù)載線移相器

負(fù)載線移相器產(chǎn)生移相的兩個(gè)態(tài)的電路原理見圖3所示，產(chǎn)生一個(gè)45°相移時(shí)的結(jié)果見圖4所示。可以看出負(fù)載線式在中等帶寬，中等相移時(shí)可以有比較好的表現(xiàn)。但在超寬帶時(shí)負(fù)載線型移相器也不能很好的勝任。由于自己在濾波器及分支線電橋上有一定的經(jīng)驗(yàn)，這里通過濾波器及分支線電橋理論來解釋負(fù)載線移相器在超寬帶應(yīng)用中的限制。

圖3、負(fù)載線移相器的兩個(gè)態(tài)（開關(guān)通斷兩態(tài)）

圖4、負(fù)載線移相器45°時(shí)的結(jié)果

· 濾波器觀點(diǎn)對(duì)負(fù)載線移相器在超寬帶應(yīng)用中限制的解釋

認(rèn)真觀察圖3（a）的結(jié)構(gòu)，可以知道這是一個(gè)典型平面高通的結(jié)構(gòu)，（詳細(xì)理論參考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第6章的內(nèi)容），當(dāng)并連線阻抗越高（線寬越窄）時(shí)，高通的截止頻率越低，當(dāng)并連線阻抗越低（線寬越寬）時(shí)高通的截止頻率越高，從圖4的傳輸響應(yīng)中可以看到圖3（a）的高通響應(yīng)。

認(rèn)真觀察圖3（b）的結(jié)構(gòu)，可以知道這是一個(gè)典型平面低通的結(jié)構(gòu)，（詳細(xì)理論參考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第5章的內(nèi)容），當(dāng)并連線阻抗越高（線寬越窄）時(shí)，低通的截止頻率越高，當(dāng)并連線阻抗越低（線寬越寬）時(shí)低通的截止頻率越低，從圖4的傳輸響應(yīng)中可以看到圖3（b）的低通響應(yīng)。

從圖3 兩個(gè)態(tài)的高低通特性分析中可知，并連線阻抗越高（線寬越窄），移相器的帶寬越寬，并連線阻抗越低（線寬越寬）帶寬越窄。如果要超寬帶應(yīng)用就需要極高的并聯(lián)阻抗線，這樣工藝條件就限制了負(fù)載線移相器的超寬帶應(yīng)用。同時(shí)也可以把負(fù)載線形式看成高低通形式移相器的特殊實(shí)現(xiàn)方式，在負(fù)載線形式的移相器中高低通共用了傳輸線結(jié)構(gòu)。

· 分支線電橋觀點(diǎn)對(duì)負(fù)載線移相器在超寬帶應(yīng)用中限制的解釋

在前期的微波筆記《貝茲孔波導(dǎo)定向耦合器的實(shí)現(xiàn)》中用奇偶模觀點(diǎn)解釋了分支線電橋原理，奇模電路（圖3（a）等效）實(shí)現(xiàn)了θ的相移，偶模電路（圖3（b）等效）實(shí)現(xiàn)了-θ的相移，而θ可以代表耦合度。因此一個(gè)特定耦合度的超寬帶的分支線電橋從對(duì)稱面剖開就是一個(gè)理想的寬帶移相器，但對(duì)超寬帶分支線電橋了解的人都知道，這種電橋很難用微帶線或平面電路實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦咦杩咕€的工藝限制。

c)混合型移相器

混合型移相器一般用到較大的移相位，例如90°和180°位。混合型移相器的拓?fù)湟妶D5

圖5、混合型移相器拓?fù)鋱D

所示，該種結(jié)構(gòu)的相移帶寬取決于兩個(gè)分功率端的相移網(wǎng)絡(luò)的帶寬。通?？梢詫?shí)現(xiàn)大帶寬，大相移。

如果兩個(gè)分功率端直接短路，信號(hào)從輸入端輸入，從隔離端輸出后可以產(chǎn)生90度相移，通過一個(gè)開關(guān)便可以實(shí)現(xiàn)寬帶的90°相移位。

d)高低通型移相器

高低通型移相器是通過開關(guān)高低通兩路信號(hào)產(chǎn)生不一樣的時(shí)延差，從而實(shí)現(xiàn)移相作用，通過合理選擇高低通的截止頻率和結(jié)構(gòu)，可以在很寬的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)移相，例如圖5的高低通結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)6~18G的一個(gè)11°的移相，一般5.6°，11.2°，22.5°的移相位均可采用高低通結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)這些位數(shù)的移相器時(shí)就變成了如何設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)高低通濾波器。

一個(gè)移相器實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)一個(gè)隨頻率線性變化的時(shí)延，高低通濾波器的時(shí)延在一段頻率內(nèi)呈線性變化趨勢(shì)，合理設(shè)計(jì)和利用這一段趨勢(shì)是設(shè)計(jì)高低通移相網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

圖6、高低通移相器可以實(shí)現(xiàn)寬帶性能

e)矢量合成型移相器

矢量合成移相器的原理見圖7所示，一個(gè)特定耦合度的90°電橋分成的兩路信號(hào)經(jīng)過合成器合成后可以使信號(hào)移相，移相相位同兩個(gè)正交信號(hào)的電壓大小相關(guān)。這也是矢量調(diào)制移相器的工作原理，這種移相器可以在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)相移，如移相精度達(dá)到1°。

圖7、矢量合成移相器原理

3、總結(jié)

由于對(duì)移相器僅限于在理論層面的了解，只是使用過，但無實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)階段對(duì)移相理論的認(rèn)知及自己在其他寬帶無源電路的經(jīng)驗(yàn)，分析了超寬帶移相器可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，認(rèn)知有限，期望通過交流自己也可以在這方面獲得更大的提升。

作者：趙強(qiáng) 微信號(hào)：q_zhao_ls

簡(jiǎn)介：
2004～2011 華中科技大學(xué) 微電子學(xué)與固體電子學(xué) 碩士
2011～2015 中電29所西科微波通訊有限公司
2015~ 2018 華為技術(shù)有限公司
2018～至今 航天微電科技有限公司成都分公司

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