微带开关型移相器及应用其的移相模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种微带开关型移相器及应用其的移相模 块。
【背景技术】
[0002] 随着智能手机、平板电脑等大量智能终端的普及，当下对高速移动数据业务的需 求量与日倶增。以目前对通信容量需求的增长速率，预计在2020年左右时，总的移动数据 量将实现千倍增长，这对下一代移动通信系统提出了严峻挑战。相较于3GHz以下日益耗尽 的频谱，毫米波频段拥有十分丰富的频谱资源，可以满足未来高速宽带移动通信的需要。另 外，在毫米波频段，空分多址和波束组合能够与时分或频分多址技术结合大大提高系统容 量和频谱利用率，能够满足人们对高速数据业务的需求。因而，未来的5G系统与4G相比最 大的不同很可能为5G将使用频率更高的毫米波频段，并在接收和发送端都使用方向性很 好的波束可调的相控阵天线，其骨干网络将采用毫米波无线连接，这将使5G系统具有更低 的能耗，更低的掉话率以及更高的比特速率。由于其巨大潜力，毫米波移动通信已成为当下 研究的热点，具有非常好的前景。
[0003] 相控阵收发机是毫米波移动通信系统中的关键组件，而移相器是相控阵收发机中 的重要电路模块，也是整个收发机的设计难点之一。用于毫米波移动通信系统的移相器具 有以下难点：
[0004] 1、频率高（30GHz附近或更高）；
[0005] 2、相移精度高；
[0006] 3、低成本，相控阵收发机中需要大量移相器，若移相器价格高将使得通信设备造 价昂贵，而这是民用移动通信无法接受的。
[0007]目前，业内亟待开发一种频率高、相移精度高，同时低成本的移相器，以满足毫米 波移动通信的需求。
【发明内容】
[0008](一）要解决的技术问题
[0009] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种微带开关型移相器及应用其的移相模块， 以满足毫米波移动通信系统对频率高、相移精度高、低成本的移相器的需求。
[0010] (二）技术方案
[0011] 根据本发明的一个方面，提供了一种微带开关型移相器。该微带开关型移相器包 括：参考分支电路、相移分支电路、第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2,其中：参 考分支电路包括：第一微带传输线L1;相移分支电路包括：串联的第二微带传输线L2和第 三微带传输线L3,以及连接于两者之间的节点A和地电平之间的第四微带传输线L4 ;第一 路径选择开关S1的前端连接至信号输入端，第二路径选择开关S2的后端连接至信号输出 端，两者受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。
[0012] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种移相模块。该移相模块包括：功率分配 器，其将信号分为N路；N个移相器串，每一移相器串的前端连接功率分配器的一路输出，其 末端作为移相模块的一个输出，其中，N多2 ;其中，N个移相器串中的每一个移相器串中包 括串联的Μ个如上所述的微带开关型移相器，Μ多1。
[0013] (三）有益效果
[0014] 从上述技术方案可以看出，本发明微带开关型移相器及应用其的移相模块具有以 下有益效果：
[0015] (1)采用连续微带线和简单拓扑结构，减少了由于微带线不连续处，如弯折、宽度 变化等，所引入的寄生参量，使该微带开关型移相器能够应用于高频场景下；
[0016] (2)经由仿真和实验证明，在中心频率附近有非常平坦的相移特性，移相精度高；
[0017] ⑶结构简单，制造容易，成本低，非常适合于民用通信。
【附图说明】
[0018] 图1为根据本发明第一实施例微带开关型移相器的结构示意图；
[0019] 图2Α~图2D为根据本发明第二实施例移相模块的结构示意图；
[0020] 图3为根据本发明第三实施例移相模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明微带开关型移相器中，通过开关选择不同的信号路径，可以使移相器的不 同输出间得到所需的相对相移。
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0023] 在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种用于毫米波移动通信的微带开关 型移相器。如图1所示，本实施例微带开关型移相器包括：第一路径选择开关S1、第二路径 选择开关S2、参考分支电路和相移分支电路。其中，第一路径选择开关S1和第二路径选择 开关S2协同工作以选择参考分支电路和相移分支电路其中之一作为信号传输通路。
[0024] 请参照图1，参考分支电路包括第一微带传输线L1。相移分支电路包括：第二微带 传输线L2、第三微带传输线L3和第四微带传输线L4,其中，第二微带传输线L2和第三微带 传输线L3串联，第四微带传输线L4连接至第二微带传输线和第三微带传输线之间的节点 Α和地电平之间。
[0025] 在参考分支电路中，第一微带传输线L1的特征阻抗和系统特征阻抗相同，为Z。； 在中心频率ω。处其电长度为θp此处，特征阻抗指的是与该微带开关型移相器相连接的 其他器件的输入或输出阻抗，中心频率ω。为该微带开关型移相器在设计阶段给出的工作 频段的中心频率。
[0026] 在相移分支电路中，第二微带传输线L2和第三微带传输线L3的特征阻抗均为Ζ2， 第四微带传输线L4的特征阻抗为Zi。而第二微带传输线L2、第三微带传输线L3、第四微带 传输线L4在中心频率ω。处电长度均为90°。
[0027] 本实施例中，四微带传输线L1~L4均为沿一个方向延伸的，宽度恒定的连续传输 线，由于减少了由于微带线不连续处，如弯折、宽度变化等，所引入的寄生参量，使本实施例 微带开关型移相器能够应用于高频场景下。
[0028] 同样，请参照图1，第一路径选择开关S1的前端连接至信号输入端（IN)，第二路径 选择开关S2的后端连接至信号输出端（OUT)，第一路径选择开关S1的后端和第二路径选择 开关S2的前端受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。
[0029] 从上述结构可以看出，本实施例微带开关型移相器结构简单，制造容易，成本低， 因此非常适合于民用通信。
[0030] 该第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2均为单刀双掷开关，两者协同工 作，用于选择信号传输路径。信号通过参考分支电路和相移分支电路有不同的插入相位，二 者间的相位差即为相对相移。相移分支电路在中心频率ω。处的插入相位固定为-π，与Zi 和厶无关，因而改变参考分支电路中第一微带传输线L1的电长度Θ在中心频率ω。处 获得所需要的相对相移。并且，改变ZJPΖ2的值可以改变相对相移随频率的变化情况。本 实施例微带开关型移相器中各个参数的计算方法如下：
[0031] 利用传输矩阵可计算出相移分支电路的插入相位：
[0033] 其中：窃=m/ %为归一化频率，fi=馬/Ζ0和f2 = 为归一化特征 阻抗，
《由（1)可以看出相移分支电路的插入相位在中心频率处为。
[0034] 设<5%为中心频率ω。处所需的相对相移，则参考分支电路中第一微带传输线L1的 电长度爲^ =花+ 进而参考分支电路的插入相位为：
[0035]
[0036]由⑴和（2)，可得到相对相移4φ(δ?)的表达式：
[0038] 为了在中心频率附近得到最小的相位误差，应该满足下列方程组：
[0040] 其中η= 1，2···，并尽可能大。备和％可通过解方程组（4)得出。当η= 1时：
[0041]
[0042] 由于馬> 〇则有汉焉2 - 2(双+御)? +苽< 〇,又因史〇 > 〇故限制条件可简 化为：
[0043]
[0044]当η= 2时，（4)恒成立，故考虑η= 3时的情况：
[0046]联立（5)，（6)和（7)便可解出之1和12。当η=4时，⑷也恒成立，即⑷中的η 最大可以取到4,因而由上述方法解出的|^和|2能够使得相对相移在中心频率处对频率有 直到四阶的0导数，即相对相移在中心频率附近非常平坦，该解即为本实施例所取的最佳 解，对应该解的微带开关型移相器十分适用于高频场合。
[0047] 至此，本发明第一实施例微带开关型移相器介绍完毕。
[0048] 在本发明的第二个示例性实施例中，提出了一种移相模块。如图2Α~图2D所示， 该移相模块包括：功率分配器和2个第一实施例所给出的移相器-第一移相器PS1和第二 移相器PS2。该两个移相器单元PS1和PS2在中心频率ω。处所需的相对相移也都为φ1<3
[0049] 该移相模块在工作时，信号由功率分配器分为两路，分别输入第一移