基于超宽带巴伦的0/π数字移相器的制作方法与工艺

本发明涉及一种数字移相器，特别是一种基于超宽带巴伦的0/π数字移相器。

背景技术：
基于超宽带巴伦的0/π数字移相器是一种主要用于数字微波通信、移动通信、雷达、电子对抗和制导仪器等电子系统设备中的电子部件。在宽带微波毫米波频段的控制电路中，数字移相器是微波毫米波主要控制电路之一，描述这种产品性能的主要技术指标有：1)工作频率带宽；2)相移位数；3)相移；4)相移精度；5)插入损耗；6)各态插入损耗差；7)各态输入和输出端电压驻波比；8)开关速度；9)电路尺寸；10)输出功率1分贝压缩电平；11)电路间电性能的一致性。0/π数字移相器的同类产品，由于设计采用的电路拓扑和工艺实现途径的缺陷，加之频带宽、相移量大，无论是采用同轴、波导、混合集成、低温共烧陶瓷立体集成电路等方式，还是采用砷化镓单片集成电路方式实现，通常电性能指标均较差。主要缺点有：1）电路拓扑复杂；2）设计难度大；3）工艺加工难度大；4）相移精度低；5）输入和输出端电压驻波比差；6）工作频率带宽较窄；7）成品率较低；8）受工艺控制参数影响，电路间电性能一致性较差；9）电路尺寸较大。由巴伦来实现0/π数字移相，而在现代微波电路设计中，也常常需要从非平衡到平衡传输线的转换。在天线设计中，馈源的平衡馈电及天线与馈线之间的阻抗匹配也是必须要求的，如槽天线，Vivaldi天线，阿基米德天线的设计等。理想情况是设计一款尺寸小、高阻抗变比的平衡阻抗变换器。随着当今通讯技术的发展，通讯容量的不断扩大，要求天线有更宽的频带内工作。然而由于不规则形状巴伦的理论分析仍然很困难，这类巴伦的设计和使用只能靠经验和实验。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电路拓扑结构简单，设计简便，工艺难度小，能够提高相移精度，改善各态的输入和输出端电压驻波比，展宽工作频率带宽，减小各态插入损耗差，使电路之间电性能一致性受工艺控制参数影响最小，成品率高的基于超宽带巴伦的0/π数字移相器。实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于超宽带巴伦的0/π数字移相器，它由超宽带巴伦（A）、宽带匹配型单刀双掷开关（B）组成，超宽带巴伦（A）信号一个输出端接宽带匹配型单刀双掷开关的一个支路的输入端，超宽带巴伦（A）信号另一个输出端接宽带匹配型单刀双掷开关的另一个支路的输入端，宽带匹配型单刀双掷开关的公共路接另一个信号输出端，K1和K2控制宽带匹配型单刀双掷开关两个支路中的一个支路导通另一个支路截止，或一个支路截止另一个支路导通，在端口P5输出。其中超宽带巴伦包括介质基板，下表面金属渐变接地板、介质基片、六个上表面金属片、共面地和共面带状线结构、五个金属化通孔及输入输出端口。本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、电路拓扑简单，该移相器实际上由超宽带巴伦和宽带匹配型单刀双掷开关构成；2、设计简单，只要设计超宽带巴伦和宽带匹配型单刀双掷开关即可，而设计超宽带巴伦和宽带匹配型单刀双掷开关远比同类产品的设计简单的多；3、制造中工艺难度和控制精度远比同类产品要求低；4、成品率比同类产品高；5、电性能改善大，由于超宽带巴伦和宽带匹配型单刀双掷开关电性能较容易设计制造，所以，该移相器工作频率带宽、相移精度高、输入和输出电压驻波比低、各态插入损耗差值小，易于集成；6、电路之间电性能批量一致性好；7、成本低。附图说明图1为本发明基于超宽带巴伦的0/π数字移相器的电路结构框图。图2为本发明超宽带渐变地巴伦器的结构图。图3为本发明超宽带渐变地巴伦的俯视图。图4为本发明超宽带渐变地巴伦的背对背测试结构图。图5为本发明超宽带渐变地巴伦的第一输出端口和第二输出端口信号的相位差仿真结果图和第一输出端口和第二输出端口信号的幅度差仿真结果图。图6为本发明超宽带渐变地巴伦背对背结构下的回波损耗仿真结果图。图7为本发明超宽带渐变地巴伦背对背结构下的插入损耗仿真结果图。图8为本发明的宽带匹配型单刀双掷开关的电路结构框图。图9为本发明移相器的电路结构框图（含用场效应晶体管实现的宽带匹配型单刀双掷开关详细电路图）。图10为本发明移相器的电路结构框图（含用PIN二极管实现的宽带匹配型单刀双掷开关详细电路图）。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述。结合图1、图2、图8、图9、图10，本发明的基于超宽带巴伦的0/π数字移相器，它由超宽带巴伦（A）和宽带匹配型单刀双掷开关（B）两部分组成。与超宽带巴伦（A）信号一个输出端接宽带匹配型单刀双掷开关的一个支路的输入端，与超宽带巴伦（A）信号另一个输出端接宽带匹配型单刀双掷开关的另一个支路的输入端，宽带匹配型单刀双掷开关的公共路接另一个信号输出端，K1和K2控制宽带匹配型单刀双掷开关两个支路中的一个支路导通另一个支路截止，或一个支路截止另一个支路导通，在端口P5输出。截止路输出端对外呈现匹配状态，导通支路的微波毫米波信号从宽带匹配型单刀双掷开关的公共端输入。超宽带巴伦由介质基板，下表面金属渐变接地板、介质基片、六个上表面金属片、共面地和共面带状线结构、五个金属化通孔及输入输出端口组成。通过微带线结构渐变转换成共面带状线结构，输出相位差为180°的两路信号，实现信号从不平衡到平衡的转换。结合图1、图2、图3、图8，基于微带线到共面带状线的超宽带渐变地巴伦包括介质基板，下表面金属接地板，上表面第一金属片（S1）、第二金属片（S2）、第三金属片（S3）、第四金属片（S4）、第五金属片（S5）、第六金属片（S6）和介质基片中第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）以及输入端口（P1）、输出第一端口（P2）、输出第二端口（P3）。其中，介质基片下表面金属接地板由三部分拼接而成，第一部分为上表面第一金属片（S1）对应下表面位置处的金属接地板从矩形沿半脊形渐变成与第三金属片（S3）同样的宽度，第一金属片（S1）对应下表面渐变为无金属地板，第三金属片（S3）、第四金属片（S4）下表面对应处无接地金属板；第二部分为上表面第五金属片（S5）、第六金属片（S6）对应于下表面位置分别有对称的渐变脊形金属接地板。第三部分为连接第二部分和第一部分的金属地板，沿下表面介质边界分别连接前两部分，实现共地。第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）均与上下介质表面连接。第二金属片（S2）贴于第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）之上，把第一金属片（S1）下对应的地引到与其同一层，实现共面地。输入端口（P1）由第一金属片（S1）引出的抽头，输出第一端口（P2）是由第三金属片（S3）引出的抽头，输出第二端口（P3）是由第四金属片（S4）引出的抽头。第二金属片（S2）与第三金属片（S3）相连，第三金属片（S3）与第五金属片（S5）相连，最终输出到输出第一端口（P2）。输入上表面第一金属片（S1）与第四金属片（S4）相连，第四金属片（S4）与第六金属片（S6）相连，最终输出到第二端口（P3）。在基于微带线到共面带状线的超宽带渐变地巴伦中，上表面第一金属片（S1）、第五金属片（S5）、第六金属片（S6）为微带线结构，对应下表面金属接地板。第三金属片（S3）、第四金属片（S4）为共面带状线结构，对应下表面无金属地板。其中上表面第一金属片（S1）和其对应的下表面金属地构成微带线结构，第一金属片（S1）对应下表面的地板由矩形沿半脊形渐变成与第三金属片（S3）同样的宽度，为实现信号传输从微带线结构转换为共面带状线的均匀过渡，确保电场由垂直介质到平行介质的转变，实现信号从不平衡到平衡的逐渐转换，同时方便印刷生产，降低成本，采取共面地的结构，把金属地板的地信号通过第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）引到上介质表面，同时减小反射。再从微带线结构通过地板的渐变，从有到无，转化为第三金属片（S3）、第四金属片（S4）构成的共面带状线结构，对应下表面无金属地板，第三金属片（S3）、第四金属片（S4）中的信号相位相差180°。为方便与后续系统连接，又转化为微带线结构，即第五金属片（S5）、第六金属片（S6）及其分别对应的渐变脊形金属地板，实现共面带状线到微带线的均匀过渡。利用超宽带巴伦两路输出信号幅度相等，相位差为180度的电路传输特性，将其两个输出端分别接宽带匹配型单刀双掷开关（B）两个支路的输入端，可以获得高性能的基于超宽带巴伦的0/π数字移相器。结合图1、图2、图8、图9、图10，宽带匹配型单刀双掷开关（B）由场效应晶体管或二极管两种控制器件或其他的控制器件构成宽带匹配型单刀双掷开关电路。采用场效应晶体管为控制器件的宽带匹配型单刀双掷开关电路（图9）由12只场效应晶体管（T1、T2、T3、T4、T5、T6、T11、T12、T13、T14、T15和T16），15段微带线（W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W12、W13、W14、W15、W16、W17和W18）和12只电阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R13、R14、R15和R16）和接地端构成。它有一个公共路和两个完全对称的支路构成，工作时，控制端K1加场效应晶体管的夹断电压（负极性），或控制电压幅度绝对值略高于夹断电压且低于击穿电压，控制端K2加场效应晶体管的零伏特电压或小于0.5伏特的正极性电压，此时，场效应晶体管T2、T3、T4、T5、T11和T16处于高阻抗状态，场效应晶体管T1、T6、T12、T13、T14和T15处于低阻抗状态，此时，端口P1的输入信号经W2至W8输出，该支路为导通状态，而W12至W18的支路为隔离状态，电阻R17作为对外电路的匹配负载，当控制端K1和K2的控制信号互换时，场效应晶体管T2、T3、T4、T5、T11和T16处于低阻抗状态，场效应晶体管T1、T6、T12、T13、T14和T15处于高阻抗状态，W2至W8的支路处于隔离状态，电阻R7作为对外电路的匹配负载，而W12至W18的支路为导通状态。采用PIN二极管为控制器件的宽带匹配型单刀双掷开关电路（图10），由8只PIN二极管（D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13和D14），12段微带线（T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T13、T14、T15、T16和T17），12只电容（C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C13、C14、C15、C16和C17），7只电感（L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7），5只电阻（R1、R2、R3、R4和R5）和接地端构成。它有一个公共路和两个完全对称的支路构成，工作时，控制端K1加负极性控制电压，控制端K2加正极性控制电压时，PIN二极管D1、D3、D12和D14处于低阻抗状态，PIN二极管D11、D13、D2和D4处于高阻抗状态，此时，端口P1的输入信号经T3至T7输出，该支路为导通状态，而T13至T17的支路为隔离状态，电阻R3作为对外电路的匹配负载，当控制端K1和K2的控制信号互换时，PIN二极管D1,D3,D12和D14处于高阻抗状态，PIN二极管D11、D3、D2和D4处于低阻抗状态，此时，T3至T7支路为隔离状态，电阻R2作为对外电路的匹配负载，而T13至T17的支路为导通状态。当图10中PIN二极管D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13和D14的连接的极性全部反向连接时，则其两支路的导通和隔离状态互换。实施例1。结合图1、图2、图8、图9，超宽带巴伦的一输出端端口为微波毫米波信号输出端P2联接由场效应晶体管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线W8的一端，W8的另一端接场效应晶体管T6的源极和电阻R7的一端，R7的另一端接T6的漏极和微带线W7的一端，T6的栅极接电阻R6的一端，R6的另一端连接控制端K2，W7的另一端接微带线W6的一端和场效应晶体管T5的漏极，T5的源极接地，T5的栅极接电阻R5的一端，R5的另一端连接控制端K1，W6的另一端接微带线W5的一端和场效应晶体管T4的漏极，T4的源极接地，T4的栅极接电阻R4的一端，R4的另一端连接控制端K1，W5的另一端接微带线W4的一端和场效应晶体管T3的漏极，T3的源极接地，T3的栅极接电阻R3的一端，R3的另一端连接控制端K1,W4的另一端接微带线W3的一端和场效应晶体管T2的漏极，T2的源极接地，T2的栅极接电阻R2的一端，R2的另一端连接控制端K1，W3的另一端接场效应晶体管T1的源极，T4的漏极接W2的一端，T1的栅极接电阻R1的一端，R1的另一端连接控制端K2，W2的另一端接微带线W1和微带线W12的一端（公共端），W1的另一端接微波毫米波信号输出端P5，超宽带巴伦的另一输出端端口P3连接由场效应晶体管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线W18的一端，W18的另一端接场效应晶体管T16的源极和电阻R17的一端，R17的另一端接T16的漏极和微带线W17的一端，T16的栅极接电阻R16的一端，R16的另一端连接控制端K1，W17的另一端接微带线W16的一端和场效应晶体管T15的漏极，T15的源极接地，T15的栅极接电阻R15的一端，R15的另一端连接控制端K2，W16的另一端接微带线W15的一端和场效应晶体管T14的漏极，T14的源极接地，T14的栅极接电阻R14的一端，R14的另一端连接控制端K2，W15的另一端接微带线W14的一端和场效应晶体管T13的漏极，T13的源极接地，T13的栅极接电阻R13的一端，R13的另一端连接控制端K2，W14的另一端接微带线W13的一端和场效应晶体管T12的漏极，T12的源极接地，T12的栅极接电阻R12的一端，R12的另一端连接控制端K2，W13的另一端接场效应晶体管T11的源极，T14的漏极接W12的一端，T11的栅极接电阻R11的一端，R11的另一端连接控制端K12，W12的另一端接微带线W1和微带线W2的一端（公共端）。超宽带巴伦的两路输出端分别接宽带匹配型单刀双掷开关的两个支路的输入端，由于宽带匹配型单刀双掷开关的两个支路完全对称，所以这两路的幅度和相位变化也相同。基于超宽带巴伦的0/π数字移相器工作原理描述如下：微波毫米波宽带输入信号从超宽带巴伦输入端口（P1）输入，超宽带巴伦的两输出端口分别接宽带匹配型单刀双掷开关（B）的两个支路的输出端，宽带匹配型单刀双掷开关（B）的公共路输出端为信号输出端（P5），当宽带匹配型单刀双掷开关（B）的控制端K1和K2加一组的直流控制信号时，宽带匹配型单刀双掷开关B的两个支路（支路1和支路2）分别处于导通和隔离状态，支路1导通，支路2隔离，超宽带巴伦的输出端口（P2）信号通过宽带匹配型单刀双掷开关（B）的支路1从宽带匹配型单刀双掷开关B的公共路输出端P5输出，此时，超宽带巴伦的输出端口的信号在宽带匹配型单刀双掷开关（B）的支路2被隔离，当宽带匹配型单刀双掷开关（B）的控制端K1和K2加另一组直流控制信号时，宽带匹配型单刀双掷开关B的两个支路导通和隔离状态互换，支路2导通，支路1隔离，超宽带巴伦的输出端口（P3）的信号通过宽带匹配型单刀双掷开关（B）的支路2从宽带匹配型单刀双掷开关B的公共路输出端P5输出，此时，超宽带巴伦的输出端口的信号在宽带匹配型单刀双掷开关B的支路1被隔离，两种状态在P5输出信号的幅度相等，输出信号的相位相差180度，若将通过超宽带巴伦的输出端口P2从P5输出信号的相位作为参考相位，则通过超宽带巴伦的输出端口P3从P5输出信号的相位比超宽带巴伦的输出端口P2从P5输出信号的相位滞后180度。反之相位则超前180度，从而实现0/π数字移相功能。实施例2。结合结合图1、图2、图8、图10，本发明基于超宽带巴伦的0/π数字移相器，除宽带匹配型单刀双掷开关采用PIN二极管等元件实现与实施例1不同外，其余均与实施例1相同，下面就不同部分详细描述如下:超宽带巴伦的一输出端端口为微波毫米波信号输出端（P2）联接由PIN二极管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线T7的一端，T7的另一端接电容C4的一端，C4的另一端接微带线T6的一端、电感L4的一端和PIN二极管D4的正极，D4的负极接电阻R2的一端，R2的另一端接地，L4的另一端接电容C5的一端和控制端K1，电容C5的另一端接地，T6的另一端接电容C3的一端，C3的另一端接微带线T5的一端，T5的另一端接PIN二极管D3的正极和L3的一端，L3的另一端接电容C6和电阻R4的一端，C6和R4的另一端接地，D3的负极接微带线T4的一端，T4的另一端接电感L2的一端、PIN二极管D2的正极和PIN二极管D1的负极，D2的负极接地，L2的另一端接电容C7的一端和控制端K1,C7的另一端接地，D1的正极接微带线T3的一端，T3的另一端接微带线T2和T13的一端(公共端)，T2的另一端接电容C1和电感L1的一端,L1的另一端接电容C2和电阻R1的一端，C2和R1的另一端接地，C1的另一端接微带线T1的一端，T1的另一端接微波毫米波信号输出端P5，超宽带巴伦的另一输出端端口P3接由PIN二极管构成的宽带匹配型单刀双掷开关中微带线T17的一端，T17的另一端接电容C14的一端，C14的另一端接微带线T16的一端、电感L14的一端和PIN二极管D14的正极，D14的负极接电阻R3的一端，R3的另一端接地，L14的另一端接电容C15的一端和控制端K2，电容C15的另一端接地，T16的另一端接电容C13的一端，C13的另一端接微带线T15的一端，T5的另一端接PIN二极管D13的正极和L13的一端，L13的另一端接电容C16和电阻R5的一端，C16和R5的另一端接地，D13的负极接微带线T14的一端，T14的另一端接电感L12的一端、PIN二极管D12的正极和PIN二极管D11的负极，D12的负极接地，L12的另一端接电容C17的一端和控制端K2，C17的另一端接地，D11的正极接微带线T13的一端，T13的另一端接微带线T2和T3的一端(公共端)。本发明基于超宽带巴伦的0/π数字移相器的工作原理简述如下：宽频带微波信号从输入端口（P1）进入微带线，通过渐变金属地板和通孔实现共面地，由微带线传输转换为共面带状线传输，实现两路信号相位差为180度，再转换为微带线结构方便与后续系统连接，总体实现了信号从不平衡到平衡的转换，超宽带巴伦的两输出端（P2、P3）分别接宽带匹配型单刀双掷开关的两输入端，通过K1、K2控制导通或截止，实现0/π数字移相。本发明中的超宽带渐变地巴伦的尺寸为10.16mm×25.4mm×0.5mm。其性能可从图4看出，实现了从12.8GHz到47.2GHz的超宽带性能，带宽为34.4GHz，相位平衡度为小于11.6°，幅度平衡度为小于2.07dB。