專利名稱：微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器的制作方法
專利說明
一技術領域本實用新型涉及一種用于通信、制導的電子部件，特別是一種微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器。
二
背景技術：
微波毫米波寬帶三分貝正交移相器是一種主要用于數字微波通信、移動通信、雷達、電子對抗和制導儀器等電子系統設備中的電子部件。在寬帶微波毫米波頻段的控制電路中，數字移相器是微波毫米波主要控制電路之一，描述這種產品性能的主要技術指標有1)工作頻率帶寬；2)相移位數；3)相移量4)相移精度；5)插入損耗；6)各態插入損耗差；7)各態輸入和輸出端電壓駐波比；8)開關速度；9)電路尺寸；10)輸出功率1分貝壓縮電平；11)電路間電性能的一致性。90度(正交)相移量數字移相器的同類產品，由于設計采用的電路拓撲和工藝實現途徑的缺陷，加之頻帶寬、相移量大，無論是采用同軸、波導、混合集成、低溫共燒陶瓷立體集成電路等方式，還是采用砷化鎵單片集成電路方式實現，通常電性能指標均較差。主要缺點有1)電路拓撲復雜；2)設計難度大；3)工藝加工難度大；4)相移精度低；5)輸入和輸出端電壓駐波比差；6)工作頻率帶寬較窄；7)成品率較低；8)受工藝控制參數影響，電路間電性能一致性較差；9)電路尺寸較大。
三
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種電路拓撲結構簡單，設計簡便，工藝難度小，能夠提高相移精度，改善各態的輸入和輸出端電壓駐波比，展寬工作頻率帶寬，減小各態插入損耗差，使電路之間電性能一致性受工藝控制參數影響最小，成品率高，減小電路尺寸的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器。
實現本實用新型目的的技術解決方案是一種微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器，其特征在于它由寬帶三分貝定向耦合器、寬帶匹配型單刀雙擲開關和寬帶標準匹配負載組成，與寬帶三分貝正交定向耦合器信號輸入/輸出端對應的隔離端接寬帶標準匹配負載，與寬帶三分貝正交定向耦合器信號輸入/輸出端對應的直通端接寬帶匹配型單刀雙擲開關的一個支路的輸入/輸出端，與寬帶三分貝正交定向耦合器信號輸入/輸出端對應的耦合端接寬帶匹配型單刀雙擲開關的另一個支路的輸入/輸出端，寬帶匹配型單刀雙擲開關的公共路接另一個信號輸出/輸入端，K1和K2控制寬帶匹配型單刀雙擲開關兩個支路中的一個支路導通另一個支路截止，或一個支路截止另一個支路導通。
本實用新型與現有技術相比，其顯著優點是1、電路拓撲簡單，該移相器實際上由寬帶三分貝正交定向耦合器和寬帶匹配型單刀雙擲開關中構成；2、設計簡單，只要設計寬帶三分貝正交定向耦合器和寬帶匹配型單刀雙擲開關即可，而設計寬帶三分貝正交定向耦合器和寬帶匹配型單刀雙擲開關遠比同類產品的設計簡單的多；3、制造中工藝難度和控制精度遠比同類產品要求低；4、成品率比同類產品高；5、電性能改善大，由于寬帶三分貝正交定向耦合器和寬帶匹配型單刀雙擲開關電性能較容易設計和制造好，所以，該移相器工作頻率帶寬、相移精度高、輸入和輸出電壓駐波比低、各態插入損耗差值小；6、電路之間電性能批量一致性好；7、電路尺寸小；8、成本低；9、由于電性能優異，可將這種移相器采用三級級聯方式構成四相相移鍵控調相器。
四
圖1是本實用新型的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器的電路結構框圖。
圖2是本實用新型的寬帶匹配型單刀雙擲開關的電路結構框圖。
圖3是本實用新型的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器用場效應晶體管實現寬帶匹配型單刀雙擲開關的電原理圖。
圖4是本實用新型的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器用PIN二極管實現寬帶匹配型單刀雙擲開關的電原理圖。
五具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
實施例1。結合圖1、圖2、圖3，本實用新型的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器，它由寬帶三分貝正交定向耦合器A、寬帶匹配型單刀雙擲開關B和寬帶標準50歐姆匹配負載C三部分構成，其中包括寬帶三分貝正交定向耦合器A、寬帶匹配型單刀雙擲開關B和寬帶標準50歐姆匹配負載C。寬帶三分貝正交定向耦合器A輸入端為微波毫米波信號輸入/輸出端，與寬帶三分貝正交定向耦合器A輸入端對應的隔離端聯接一個寬帶標準50歐姆匹配負載C，與寬帶三分貝正交定向耦合器A輸入端對應的直通端聯接寬帶匹配型單刀雙擲開關B一個支路的端口，與寬帶三分貝正交定向耦合器A輸入端對應的耦合端聯接寬帶匹配型單刀雙擲開關B另一個支路的端口，寬帶匹配型單刀雙擲開關B的公共端為微波毫米波信號的輸出/輸入端。
K1和K2是寬帶匹配型單刀雙擲開關的兩個控制端，由控制信號分別控制寬帶匹配型單刀雙擲開關一個支路導通另一個支路截止，或一個支路截止另一個支路導通，截止路輸出端對外呈現匹配狀態，導通支路的微波毫米波信號從寬帶匹配型單刀雙擲開關的公共端輸出/輸入。寬帶三分貝正交定向耦合器可由平面微帶交指型蘭格三分貝定向耦合器DC1構成，或由低溫共燒陶瓷多層立體集成的三分貝定向耦合器DC2構成，或由多層電路板疊層的帶狀線混合電路三分貝定向耦合器DC3構成。
寬帶三分貝正交定向耦合器(DC)的任一端口為微波毫米波信號輸入/輸出端(P2)，與P2對應DC的隔離端聯接寬帶標準50歐姆匹配負載(LOAD)，與P2對應DC的耦合端聯接由場效應晶體管構成的寬帶匹配型單刀雙擲開關中微帶線W8的一端，W8的另一端接場效應晶體管T6的源極和電阻R7的一端，R7的另一端接T6的漏極和微帶線W7的一端，T6的柵極接電阻R6的一端，R6的另一端連接控制端K2，W7的另一端接微帶線W6的一端和場效應晶體管T5的漏極，T5的源極接地，T5的柵極接電阻R5的一端，R5的另一端連接控制端K1，W6的另一端接微帶線W5的一端和場效應晶體管T4的漏極，T4的源極接地，T4的柵極接電阻R4的一端，R4的另一端連接控制端K1，W5的另一端接微帶線W4的一端和場效應晶體管T3的漏極，T3的源極接地，T3的柵極接電阻R3的一端，R3的另一端連接控制端K1，W4的另一端接微帶線W3的一端和場效應晶體管T2的漏極，T2的源極接地，T2的柵極接電阻R2的一端，R2的另一端連接控制端K1，W3的另一端接場效應晶體管T1的源極，T4的漏極接W2的一端，T1的柵極接電阻R1的一端，R1的另一端連接控制端K2，W2的另一端接微帶線W1和微帶線W12的一端(公共端)，W1的另一端接微波毫米波信號輸出/輸入端(P1)，與P2對應DC的直通端連接由場效應晶體管構成的寬帶匹配型單刀雙擲開關中微帶線W18的一端，W18的另一端接場效應晶體管T16的源極和電阻R17的一端，R17的另一端接T16的漏極和微帶線W17的一端，T16的柵極接電阻R16的一端，R16的另一端連接控制端K1，W17的另一端接微帶線W16的一端和場效應晶體管T15的漏極，T15的源極接地，T15的柵極接電阻R15的一端，R15的另一端連接控制端K2，W16的另一端接微帶線W15的一端和場效應晶體管T14的漏極，T14的源極接地，T14的柵極接電阻R14的一端，R14的另一端連接控制端K2，W15的另一端接微帶線W14的一端和場效應晶體管T13的漏極，T13的源極接地，T13的柵極接電阻R13的一端，R13的另一端連接控制端K2，W14的另一端接微帶線W13的一端和場效應晶體管T12的漏極，T12的源極接地，T12的柵極接電阻R12的一端，R12的另一端連接控制端K2，W13的另一端接場效應晶體管T11的源極，T14的漏極接W12的一端，T11的柵極接電阻R11的一端，R11的另一端連接控制端K12，W12的另一端接微帶線W1和微帶線W2的一端(公共端)。
寬帶三分貝正交定向耦合器A由平面交指型耦合微帶線耦合結構(DC1)構成的三分貝定向耦合器，共有四個端口即輸入端、直通端、耦合端和隔離端，這種寬帶三分貝正交定向耦合器各端口具有的信號幅度關系描述如下可選定任一端口為輸入端，信號直接通過(直流短路)的端口為直通端，幅度近似等于輸入信號幅度的一半(即減小三分貝)，通過耦合(直流開路)信號輸出，而且幅度近似等于輸入信號幅度一半的端口為耦合端，通過耦合(直流開路)信號輸出幅度最小的是隔離端。這種寬帶三分貝正交定向耦合器的各端口具有的信號相位關系描述如下當各端口處于匹配狀態時，寬頻帶的微波或毫米波信號從輸入端輸入，其耦合端為寬帶輸出信號相位的參考相位端，其直通端寬帶輸出信號的相位與耦合端寬帶輸出信號的參考相位相比滯后90度(正交)，或反之將直通端寬帶輸出信號的相位作為參考相位，則耦合端寬帶輸出信號的相位與直通端寬帶輸出信號的參考相位相比超前90度，其隔離端由于直通路徑和耦合路徑在隔離端的寬帶輸出信號相位反向(即180度)，兩路寬帶輸出信號的幅度相互抵消，所以，在隔離端寬帶輸出信號的幅度最小。這種寬帶三分貝正交定向耦合器可以用平面交指型耦合微帶線結構(DC1)實現，也可以用低溫共燒多層陶瓷結構(DC2)實現，還可以采用多層的介質電路板疊層方式(DC3)和其它結構的耦合方式實現，工作原理與DC1完全相同，區別是在其信號能量耦合方式的實現結構上，DC2和DC3和其它結構的耦合方式既可以用二維的平面耦合方式也可以是三維的立體耦合方式。利用寬帶三分貝正交定向耦合器直通端和耦合端寬帶輸出信號輸出幅度相等，輸出信號相位差為90度的電路傳輸特性，將其直通端和耦合端分別接寬帶匹配型單刀雙擲開關B兩個支路的輸出端，可以獲得高性能的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器。
寬帶匹配型單刀雙擲開關B可分別由場效應晶體管或PIN二極管兩種控制器件，或其它的控制器件構成寬帶匹配型單刀雙擲開關電路。采用場效應晶體管為控制器件的寬帶匹配型單刀雙擲開關電路由12只場效應晶體管(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T11、T12、T13、T14、T15和T16)，15段微帶線(W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W12、W13、W14、W15、W16、W17和W18)和，12只電阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R13、R14、R15和R16)和接地端構成。它有一個公共路和兩個完全對稱的支路構成，工作時，控制端K1加場效應晶體管的夾斷電壓(負極性)，或控制電壓幅度絕對值略高于夾斷電壓且低于擊穿電壓，控制端K2加場效應晶體管的零伏特電壓或小于0.5伏特的正極性電壓，此時，場效應晶體管T2、T3、T4、T5、T11和T16處于高阻抗狀態，場效應晶體管T1、T6、T12、T13、T14和T15處于低阻抗狀態，此時，端口P1的輸入信號經W2至W8輸出，該支路為導通狀態，而W12至W18的支路為隔離狀態，電阻R17作為對外電路的匹配負載，當控制端K1和K2的控制信號互換時，場效應晶體管T2、T3、T4、T5、T11和T16處于低阻抗狀態，場效應晶體管T1、T6、T12、T13、T14和T15處于高阻抗狀態，W2至W8的支路處于隔離狀態，電阻R7作為對外電路的匹配負載，而W12至W18的支路為導通狀態。
采用PIN二極管為控制器件的寬帶匹配型單刀雙擲開關電路(圖3)，由8只PIN二極管(D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13和D14)，12段微帶線(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T13、T14、T15、T16和T17)，12只電容(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C13、C14、C15、C16和C17)，7只電感(L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7)，5只電阻(R1、R2、R3、R4和R5)和接地端構成。它有一個公共路和兩個完全對稱的支路構成，工作時，控制端K1加負極性控制電壓，控制端K2加正極性控制電壓時，PIN二極管D1、D3、D12和D14處于低阻抗狀態，PIN二極管D11、D13、D2和D4處于高阻抗狀態，此時，端口P1的輸入信號經T3至T7輸出，該支路為導通狀態，而T13至T17的支路為隔離狀態，電阻R3作為對外電路的匹配負載，當控制端K1和K2的控制信號互換時，PIN二極管D1、D3、D12和D14處于高阻抗狀態，PIN二極管D11、D13、D2和D4處于低阻抗狀態，此時，T3至T7支路為隔離狀態，電阻R2作為對外電路的匹配負載，而T13至T17的支路為導通狀態。當圖3中PIN二極管D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13和D14的連接的極性全部反向連接時，則其兩支路的導通和隔離狀態互換。
由于寬帶匹配型單刀雙擲開關的兩個支路完全對稱，所以這兩路的幅度和相位變化也相同。這兩路的輸出端分別接寬帶三分貝正交定向耦合器(A)的直通端和耦合端。
寬帶標準50歐姆匹配負載C由電阻或微波吸收材料構成。它連接在寬帶三分貝正交定向耦合器A的隔離端，其作用是當寬帶三分貝正交定向耦合器A工作時，在其隔離端的信號能量均會被寬帶標準50歐姆匹配負載吸收，而不被反射回去，以免影響其它端口的幅度和相位特性。
微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器工作原理描述如下微波毫米波寬帶輸入信號從寬帶三分貝正交定向耦合器A的任一端口P2輸入，與P2對應的隔離端接寬帶標準50歐姆匹配負載C，與P2對應的直通端口和耦合端口分別接寬帶匹配型單刀雙擲開關B(見圖4)的兩個支路的輸出端，寬帶匹配型單刀雙擲開關B的公共路輸出端為信號輸出端P1，當寬帶匹配型單刀雙擲開關B的控制端K1和K2加一組的直流控制信號時，寬帶匹配型單刀雙擲開關B的兩個支路(支路1和支路2)分別處于導通和隔離狀態，支路1導通，支路2隔離，寬帶三分貝正交定向耦合器A耦合端口的信號通過寬帶匹配型單刀雙擲開關B的支路1從寬帶匹配型單刀雙擲開關B的公共路輸出端P1輸出，此時，寬帶三分貝正交定向耦合器A直通端口的信號在寬帶匹配型單刀雙擲開關B的支路2被隔離，當寬帶匹配型單刀雙擲開關B的控制端K1和K2加另一組直流控制信號時，寬帶匹配型單刀雙擲開關B的兩個支路導通和隔離狀態互換，支路2導通，支路1隔離，寬帶三分貝正交定向耦合器A直通端口的信號通過寬帶匹配型單刀雙擲開關B的支路2從寬帶匹配型單刀雙擲開關B的公共路輸出端P1輸出，此時，寬帶三分貝正交定向耦合器A耦合端口的信號在寬帶匹配型單刀雙擲開關B的支路1被隔離，兩種狀態在P1輸出信號的幅度相等，輸出信號的相位相差90度，若將通過寬帶三分貝正交定向耦合器A耦合端口從P1輸出信號的相位作為參考相位，則通過寬帶三分貝正交定向耦合器A直通端口從P1輸出信號的相位比通過寬帶三分貝正交定向耦合器A耦合端口從P1輸出信號的相位滯后90度。反之相位則超前90度，從而實現正交三分貝數字移相功能。輸入信號亦可從P1輸入，P2輸出，同理可實現正交三分貝數字移相。
實施例2。結合圖1、圖2、圖4，本實用新型的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器，除寬帶匹配型單刀雙擲開關采用PIN二極管等元件實現與實施例1不同外，其余均與實施例1相同，下面就不同部分詳細描述如下寬帶三分貝正交定向耦合器(DC)的任一端口為微波毫米波信號輸入/輸出端(P2)，與P2對應DC的隔離端聯接寬帶標準50歐姆匹配負載(LOAD)，與P2對應DC的耦合端聯接由PIN二極管構成的寬帶匹配型單刀雙擲開關中微帶線T7的一端，T7的另一端接電容C4的一端，C4的另一端接微帶線T6的一端、電感L4的一端和PIN二極管D4的正極，D4的負極接電阻R2的一端，R2的另一端接地，L4的另一端接電容C5的一端和控制端K1，電容C5的另一端接地，T6的另一端接電容C3的一端，C3的另一端接微帶線T5的一端，T5的另一端接PIN二極管D3的正極和L3的一端，L3的另一端接電容C6和電阻R4的一端，C6和R4的另一端接地，D3的負極接微帶線T4的一端，T4的另一端接電感L2的一端、PIN二極管D2的正極和PIN二極管D1的負極，D2的負極接地，L2的另一端接電容C7的一端和控制端K1，C7的另一端接地，D1的正極接微帶線T3的一端，T3的另一端接微帶線T2和T13的一端(公共端)，T2的另一端接電容C1和電感L1的一端，L1的另一端接電容C2和電阻R1的一端，C2和R1的另一端接地，C1的另一端接微帶線T1的一端，T1的另一端接微波毫米波信號輸出/輸入端P1，與P2對應DC的直通端聯接由PIN二極管構成的寬帶匹配型單刀雙擲開關中微帶線T17的一端，T17的另一端接電容C14的一端，C14的另一端接微帶線T16的一端、電感L14的一端和PIN二極管D14的正極，D14的負極接電阻R3的一端，R3的另一端接地，L14的另一端接電容C15的一端和控制端K2，電容C15的另一端接地，T16的另一端接電容C13的一端，C13的另一端接微帶線T15的一端，T5的另一端接PIN二極管D13的正極和L13的一端，L13的另一端接電容C16和電阻R5的一端，C16和R5的另一端接地，D13的負極接微帶線T14的一端，T14的另一端接電感L12的一端、PIN二極管D12的正極和PIN二極管D11的負極，D12的負極接地，L12的另一端接電容C17的一端和控制端K2，C17的另一端接地，D11的正極接微帶線T13的一端，T13的另一端接微帶線T2和T3的一端(公共端)。
權利要求1.一種微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器，其特征在于它由寬帶三分貝定向耦合器、寬帶匹配型單刀雙擲開關和寬帶標準匹配負載組成，與寬帶三分貝正交定向耦合器信號輸入/輸出端對應的隔離端接寬帶標準匹配負載，與寬帶三分貝正交定向耦合器信號輸入/輸出端對應的直通端接寬帶匹配型單刀雙擲開關的一個支路的輸入/輸出端，與寬帶三分貝正交定向耦合器信號輸入/輸出端對應的耦合端接寬帶匹配型單刀雙擲開關的另一個支路的輸入/輸出端，寬帶匹配型單刀雙擲開關的公共路接另一個信號輸出/輸入端，K1和K2控制寬帶匹配型單刀雙擲開關兩個支路中的一個支路導通另一個支路截止，或一個支路截止另一個支路導通。
2.根據權利要求1所述的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器，其特征在于寬帶匹配型單刀雙擲開關的電路由一個公共路和兩個完全相同的支路組成，該支路由電阻、電容、電感、微帶線、接地端和場效應晶體管組成。公共路由微帶線W1構成，兩個完全相同的支路其中一個支路由微帶線W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8，電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，場效應晶體管T1、T2、T3、T4、T5、T6，控制端K1、K2及接地端構成，另一個支路由微帶線W12、W13、W14、W15、W16、W17、W18，電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17，場效應晶體管T11、T12、T13、T14、T15、T16，控制端K1、K2及接地端構成。
3.根據權利要求1所述的微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器，其特征在于寬帶匹配型單刀雙擲開關的電路由一個公共路和兩個完全相同的支路組成，該支路由電阻、電容、電感、微帶線、接地端和PIN二極管組成，公共路由微帶線T1、T2，電容C1、C2，電阻R1、電感L1和接地端構成，兩個完全相同的支路其中一個支路由微帶線T3、T4、T5、T6、T7，電容C3、C4、C5、C6、C7，電感L2、L3、L4，電阻R2、R4，二極管D1、D2、D3、D4，控制端K1、K2及接地端構成，另一個支路由微帶線T13、T14、T15、T16、T17，電容C13、C14、C15、C16、C17，電感L12、L13、L14，電阻R3、R5，二極管D11、D12、D13、D14，控制端K1、K2及接地端構成。
專利摘要本實用新型涉及一種微波毫米波寬帶三分貝正交數字移相器。它包括寬帶三分貝正交定向耦合器，與寬帶三分貝正交定向耦合器輸入端對應的隔離端聯接一個寬帶標準50歐姆匹配負載，與寬帶三分貝正交定向耦合器輸入端對應的直通端聯接寬帶匹配型單刀雙擲開關一個支路的端口，K1和K2是匹配型單刀雙擲開關的兩個控制端，由控制信號分別控制微波毫米波信號從寬帶匹配型單刀雙擲開關的一個端口輸入/輸出，或從寬帶匹配型單刀雙擲開關的另一個端口輸入/輸出，使其從寬帶匹配型單刀雙擲開關的公共端輸出/輸入。本實用新型電路拓撲及設計簡單，制造工藝簡便，電性能改善大，工作頻率帶寬、相移精度高、輸入和輸出電壓駐波比低，各態插入損耗差值小。
文檔編號H03H11/16GK2751481SQ200420109378
公開日2006年1月11日 申請日期2004年12月3日 優先權日2004年12月3日
發明者戴永勝, 張曉 , 陸言亮, 沈博 申請人:南京理工大學