一种低损耗射频反射式移相器的设计
作者：周光辉 商远波
来源：《中国新通信》 2018年第20期
周光辉 南京电子器件研究所 商远波 上海无线电设备研究所上海电磁环境重点实验室
【摘要】 本文提出了一种单端口低损耗反射式数字移相电路设计方法，作为贴片单元的补偿部分，通过低频控制电路来切换反射通道，调整贴片单元的反射相位，从而实现贴片单元大相位的补偿。加工了样机，并进行测试，技术指标可满足天线使用要求，为微带平面反射阵列天线的设计提供了一种新的途径。
【关键词】 反射式移相器 低损耗 PIN 二极管
引言：随着近代卫星通信，微波通信和航天技术的迅猛发展，射频电路要求越来越高，功能越来越复杂，对单端口相位补偿技术是射频移相器一个重要的发展方向，以平面反射天线为例，传统的抛物面反射天线笨重、体积庞大，曲线表面很难制造，更高的微波频段上就更难于加工。微带阵列天线加工简单，利用加载的可控的移相器可以实现宽角度的波束扫描，但是由于可控移相器带来的损耗较大，需增加放大模块来补偿损耗，成本较高，而通过单端口相位补偿技术实现的反射阵列天线应运而生。微带平面反射阵列天线是由微带阵列和馈源构成的（如图 1），微带阵列上每一个贴片振子的作用类似于辐射器和移相器。 对于平面反射阵列天线 ,由于它的反射面是一个平面，而馈源因与各个振子的距离不同而到达各个振子的相位也不同。为了实现辐射方向等相位分布， 必须通过调节各个贴片的散射相位来补偿由于路径不同造成的相位差。传统的方式是通过改变各贴片单元的形状位置等分布参数来补偿相位差，但是这种方式很难实现较大相位的补偿。
本文针对这一问题 , 设计了一种单端口反射式数字移相电路，作为贴片单元的补偿部分，通过低频控制电路来切换反射通道，调整贴片单元的反射相位，从而实现贴片单元大相位的补偿。采用分立元器件搭建了原理样机，通过测试验证了这种方案的可行性，并利于批产，可实现大批量生产，为微带平面反射阵列天线的工程实现提供了一种新的途径。
一、反射式移相器设计原理
1.1 PIN 二极管基本原理
反射式移相器采用 PIN 二极管做为关键控制器件，利用PIN 二极管的阻抗随偏置条件变化的特性，对微波信号进行控制。PIN 管串接时，反向偏置条件下，PIN 管对微波信号呈现很
高的阻抗(断开)， 正向偏置时又表现为很低的阻抗 （导通），PIN 管并接时状态相反，因此 PIN 管常用来实现微波开关功能。图 3 所示为 PIN 管正反向偏置时等效电路模型。
1.2 反射式移相器电路设计
以四位反射式移相电路为例，采用 PIN 管作为控制器件组成单刀四掷开关电路，通过控制 PIN 管的偏置条件，选通不同的反射通道，而各通道传输路径长度不同，形成不同的反射相位。其电路原理图如图 4 所示。
图中单刀四掷开关公共端接天线贴片端子，D1 ～ D4 为PIN 二极管，串接在各通道中，Z01 ～ Z04 分别为不同长度的传输线，通过改变直流偏置 CON1 ～ CON4 来控制 PIN 管的通断，选择不同的反射通路。各通道末端为接地电容，对低频偏置信号形成开路，对微波信号形成反射。
当 CON1 ～ CON4 控 制 均 为 正 电 压 时，PIN 二 极 管D1 ～ D4 均为关断状态，微波信号直接反射回天线端子；当CON1 为负电压，CON2 ～ CON4 为正电压时，PIN 二极管D1 导通，D2 ～ D4 关断，射频信号通过 J1 通道反射回天线端子。同理，通过控制可选通 J1 ～ J4 中任意一个通道或任意几个通道，可组成十六种反射状态。
二、反射式移相器仿真
采用 MWO 软件建模对移相电路进行仿真（如图 5），以 J1 通道为基准态 0°，J2 ～ J4 通道分别为 90°、180°、270°进行仿真。通过计算，各移相态的反射损耗和相位结果如图 6 所示。根据仿真结果显示，通过控制各通道传输线的长度，可以精确地得到所需的反射移相量，同时回波损耗均不大于 1dB。
三、加工与测试
选用 SKYWORKS 公司的 APD0505-000 型 PIN 二极管为控制器件，采用 ROGERS RT5880 为电路基板，介电常数为2.2，厚度 0.127mm，天线端子采用 Φ0.3mm 玻珠，将微带传输线过渡到贴片阵子。以 16 单元电路为一个模块，加工了反射式移相阵列，单元尺寸为 8mm×8mm，开关驱动电路采用北方华虹的 BHD-2P2N 型驱动芯片，控制采用串行数据控制，控制 个单元移相状态。加工的样品照片见图 7。
对加工的样品进行测试，测试频段达到 K 波段，测试S11 反射损耗及 S11 反射相位，测试结果见下表：
根据测试结果显示，反射移相相位精度在 270°时最大，达到 3.96°；同时该移相态损耗也最大，达到 2.31dB，且各状态反射损耗一致性存在较大差异。该反射损耗差异主要由玻珠 - 微带转换的失配，以及 PIN 管、键合金丝的失配引起，通过优化，该指标可进一步提升。
结论与展望：本文提出了一种单端口反射式数字移相电路设计方法，可以为天线和微波组件做相位补偿，并通过低频控制电路来切换反射通道，调整反射相位，从而实现贴片单元大相
位的补偿。本文所提出的移相电路可通过多功能单片电路的设计，将开关电路、驱动电路集成为一个多功能单片，对天线阵面的小型化、移相参数的一致性、可生产性均有显著提高，是后续发展的趋势。
