1 基本工作原理（学位论文-工学）

1、周白华 女 37 岁 工程师1C 波段程控移相器的研制周白华 叶海荣 于小军（南京理工大学微波中心）【摘要】 该文简要地介绍了各种移相器的优缺点，着重提出了 C 波段微波程控移相器，阐述了其组成、工作原理及电路设计等方面。研究结果表明，该移相器克服了通常的程控移相器的主要缺点，是实现多通道相控阵雷达天线相位一致性的切实有效方法。【关键词】 移相器、变容二极管、环行器【分类号】 TN623 TN312 .1 TN621 The Design of Program Controlled Phase Shifter in C bandZhou Baihua Ye Hairong Yu Xiaojun(Nanjing University of Science and Technology Nanjing 210094)【Abstract】 This paper describes the advantage and disadvantage of a kind of phase shifter. Then a microwave programmable phase shifter in C

2、 band is produced, Every part, composition and design circuits etc, are analyzed. Study result shows that this phase shifter is very effective. It is a applicable used to ensure an identity phase shift for the antenna of a multi-channel radar.【Key words】 Program controlled phase shifter, Varactor diode, Microstrip circulater.移相器在相控阵雷达天线中无法缺少。相控阵天线可能有上千个单元，每个单元都要有移相器，因此移相器的性能与成本体现了相控阵雷达的性能与成本。当前，计算机技术飞速发展，利用微机来控制移相器是移相器的发展方向。1 基本工作原理图 1 所示的程控移相器基本原理是,运行程序,微机从串行口输出数字脉冲，由串并联行转换器转变为并行信号，通过 D/A转换器将数字

3、信号转变成模拟信号，并通过运放成为控制电压，由该电压控制移相器中变容二极管的电容量，从而使环行器的输入信号相位发生变化。环行器耦合型移相器信号输入 信号输出运算放大器图 1 程控移相器实现框图FD/A 转换器串并转换电平转换锁存器微机Fig1 Diagram of ProgrammablePhase Shifter周白华 女 37 岁 工程师22 程控移相器电路设计2.1 环行器型移相器电路环行器耦合型移相器输入端驻波比可小于 1.2。电路原理如图 2 所示。变容管选用砷化镓突变结变容二极管，其截止频率，串联电阻 ，变GHzfc1501.SR容管最小电容 )(38.0minpFZCL（1）Ind 为补偿电感，可利用变容管壳至射频接地端的引线构成，其值可由下式决定：Ind (2) )(17.320nHfA式中，A 为系数，取保证最佳线性度的经验值为 2.35， 。移相GHzfZ6,50器的移相范围与其插入损耗是一对矛盾。在相控阵雷达应用中，对插损要求高，对调相范围要求不太高，采用一只变容管就能满足 0 的调相范围。为使移相器消除幅度调制和取得较小的恒定损耗，在变容管旁适当的参考面上并联一

4、个合适的电阻 RP，其阻值可通过阻抗圆图来确定。微带铁氧体环行器参数为：特性阻抗 ，隔离度 I26dB，导通臂衰减50ZL1dB，输入驻波比 VSWR1.2。不计微带线相移时，微带线终端反射系数相角为(3)/arctn(20X(4)21210 )6(78.3.78.35. UZXg式中，X 为微带线终端电抗， 为变容管两端归一化电压，U 为变容管工作电压，取值为 2V8V。当 U=2V 时，X/Z 0=2.35，代入（3）式得 ；当 U=8V 时，X/Z 0=-.40.43， 。可见，不计微带线相移时，移相器的调相范围可达 180。为此，微5.26带线设计时应保证当 U=2V 时，对应 0相移，U=8V 时，对应 180相移。2.2 接口电路图 1 中，运放起隔离与匹配作用，选用 AD844，由于 D/A 转换器最大输出为 3V，变容管最大控制电压为 8V，则运放的放大倍数 8/3=2.67。为提高响应速度，这里先用不含存锁器的 8 位 D/A 转换器 5G7520，其输出电压为：(5)22(2 0110 ddUnnnREF 现取 n=8，D/A 输出最大电压 U0 为 3V，则应取

5、。实际应用中，要求VREF.3Fig2 Phase shifter of Constant Loss图 2 插入损耗恒定的移相器原理图输出输入 RpIndD周白华 女 37 岁 工程师3转换后的电压或电流保持到下次数据输入前不变，还需在 D/A 前加存锁器，个数由 D/A 的位数定，转变 8 位加一个存锁器。对于转换器件，考虑到移相速度要求，选用 MAX232A（高速）来实现电平转换；考虑到电路反应速度，选用日电公司的 8 位移位/存储总线寄存器 UPD4094BC，该器件支持RS232 通信协议。2.3 微机与程控笔者选用带串行口的微机，程控部份采用 C 语言编程来实现串行口通信与控制。3 设计结果及分析3.1 移相范围由于变容管的归一电压 不能取遍 01 之间的所有值，所以实际难以完全做到 180。gU3.2 插入衰减及其起伏理想情况下变容管电路最大损耗为(6)0maxlg2ZRLS将串联电阻 代入，得 。再考虑到环行器损耗5,1.0RS dBL73.0max（ ） 、微带线等的损耗（ ，线短） ，则移相器的插入衰减为：dB1dB.（7）)(831微maxLL插入损耗的起伏也应考虑

6、，它主要由变容管电调过程中的终端电抗变化引起的。此时，变容管反射系数由下式决定，（8）jXeZjR|0式中， XL 为变容管附加的感抗，X C 为变容管容抗，其相应的插入损,CLX耗为（9）202 )(lg10l ZBUAjRrgS当归一电压 =0 时，L=L min，有gU)(1.0)()(l10min220dZRLS（10）周白华 女 37 岁 工程师4其中 ，A=2.35。50,1.2ZRS由此可知，当变容管电调时，其电抗变化引起的插损起伏应为。再考虑到移相器中其它元件在频带内的损耗)(62.73minax dBL起伏，则总的插损起伏约为 1 。3.3 功率容量模拟移相器的输入微波功率通常小于 10mW。3.4 调相速度影响调相速度响应的主要有：D/A 转换器、计算机 CPU 及串行通信协议。本设计选用高速 D/A 转换器，CPU 快的计算机及中断形式的串行通信协议，这一般已经满足要求。如果需更快的速度，可以考虑应用 USB 代替。如传输距离远，可以考虑应用 RS232/USB 相结合。 f=6GHz3.5 测试结果 运行 C 程序在 f=6GHz 情况下可得到程控移相器的测试结

7、果，如表 1 所示。: 移相度数: 控制电压U：数字代码C把表 1 绘成曲线，可得图 3 所示的移相度数与控制电压的关系曲线。结果表明,该曲线的线性度已相当高了。4. 结论该 C 波段程控移相器响应快、线性度好，很适合应用于相控阵雷达中。参 考 文 献1 蒋依群，将君章.宽频带 360 度电控移相器.无线电通信技术, 1990(3):27-322 M.E.Goldfarb.一种新颖的 MMIC180 度移相器的 设计, 半导体情报.1993(5):43-453 陈海蓉.60MHz 八位数字移相器.半导报情报. UVCUVC0 2.000 0 90 6.202 17910 3.022 43 100 6.414 18820 3.755 75 110 6.615 19630 4.315 98 120 6.809 20440 4.762 117 130 6.999 21250 5.132 133 140 7.187 22060 5.449 147 150 7.377 22970 5.726 158 170 7.775 24580 5.995 169 180 7.990 255表 1 移相器测试

8、结果Table1 Test Result of Phase Shifter （o）180 160140 120100 80 60 40 20 0 2 3 4 5 6 7 8 U(V)C 0 255图 3 移相度数与控制电压曲线Fig3 Curve of Phase Shift Degree vs Voltage周白华 女 37 岁 工程师51997(5):23-254 潭浩强.C 程序设计.第 1 版.北京： 清华大学出版 社, 1996环行器耦合型移相器信号输入 信号输出运算放大器图 1 程控移相器实现框图FD/A 转换器串并转换电平转换锁存器微机Fig1 Diagram of ProgrammablePhase Shifter周白华 女 37 岁 工程师6Fig2 Phase shifter of Constant Loss图 2 插入损耗恒定的移相器原理图输出输入 RpIndD周白华 女 37 岁 工程师7 （o）180 160140 120100 80 60 40 20 0 2 3 4 5 6 7 8 U(V)C 0 255图 3 移相度数与控制电压曲线Fig3 Curve of Phase Shift Degree vs Voltage

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