专利名称：数字移相器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波数字控制移相器，它是在需要信号相位改变的场合能够在不同的通讯范围中使用微波数字控制移相器。数字移相器适用于用作波束控制和极化倾斜补偿的相控阵列天线。本发明也能够用作相位调制器(BPSK)或(QPSK)。
背景技术：
目前的数字移相器用作在MESFET(金属半导体场效应晶体管)或者P-HEMT(赝结构高电子迁移率晶体管)技术中实现的开关元件p-i-n二极管和FET(场效应晶体管)。分立式移相器由一些p-i-n二极管组成，且不管其极优良的微波性能，它们有某些缺点，像高的功率损耗、复杂的驱动电路和较长的开关时间。FET的应用克服了这些缺点。在美国专利US003545239中描述基于FET的固态移相器。这种固态移相器是5位器件并且使用跟踪移相元件负载线、混合耦合反射类型、高低通类型和Schiffman类型。所使用GaAs FET是三电极器件。实现移相器的微波单片集成电路化(MMIC)在其改善可靠性、频带、工作频率和用更紧凑的尺寸产出器件的进程中前进了一步。与分立的对应部分相比，单片移相器众所周知的难处是由于GaAs衬底造成的需要大量初期资金投入、不能后生产协调和高插入物损耗。对以单元方式应用，像相控阵列天线工程样机、极化控制装置、相位调制器和其他不要求如此大量移相器的装置来说，所列举的一些缺点成了在采用分立移相器中的某个优点。在US005128639中描述了使用一些FET的分立式移相器。它是仅使用混合耦合反射型移相元件的3位器件，混合耦合反射型移相元件由耦合线路混合电路和三极管FET组成。这种移相器在1.6GHz上工作含有8％带宽和±10°绝对相位误差。
发明内容
本发明总的目的是提供一种容易制造和容易调谐并且有可靠工作性能的低价格移相器。
根据上述目的，提供有一种移相器设备，包括控制移相的串行位，其中每个移相串行位引入一定量的通过信号中的相位延迟，根据开关相位元件的控制信号发生相位变化并且把相位变化加入到其控制终端。数字移相器典型的特点是应用含有正或负夹断电压的分立式P-HEMT(赝结构高电子迁移率晶体管)。
在一个优选的实施方式中，开关元件其中至少一个开关元件是由负载线类组成并且包括用于相位变化的一个开关元件、负载网络和与网络匹配的阻抗，在二个源连接到公共地，漏连接到负载阻抗网络和栅通过去耦合电路连接到控制终端的情况下开关元件起接地开关作用。
在这种实施方式中，与网络匹配的阻抗适合于按照四分之一波长互感器、单开型短线Γ网络和通过用补偿开关和负载网络的电抗负载的电抗加载的传输线的方式来配置。
按照含大约λ/4和λ/8具有确定的特性阻抗的传输线部分和用于朝开关方向平滑过渡的锥形线的方式配置适合的负载阻抗。
在这种实施方式的其他改型中，去耦合电路包括传输线和/或电阻器两部分。
在这种实施方式的其他改型中，负载阻抗由串联连接的四分之一波长互感器、λ/8传输线和锥形线组成。
适合的去耦合网络是基于级联连接的高阻抗λ/4传输线和低阻抗λ/4开路型短线。
同样按照λ/4互感器、单开路型短线Γ-网络或者通过用电容性电抗加载的传输线的方式配置合适的匹配网络。
在其他优选的实施方式中，数字移相器包括连接到P-HEMT栅极的二个开关部分、阻抗匹配网络和去耦合网络，控制终端是在二个去耦合网络之间。
在这种实施方式中，适合于除了四分之一波长互感器弯曲成0°、45°和90°以外一些负载阻抗必须具有同样的负载阻抗图形。
除了使用径向开路型短线和同样被弯曲的高阻抗λ/4传输线以外一些适合的去耦合网络必须是相同的去耦合网络。
在其他数字移相器实施方式中其中至少一个相位移位的位是由混合耦合反射类形成的并且由改变数值或者改变反射负载的二个开关元件组成。这两个开关元件通过混合电路连接到传输线。开关P-HEMT的漏通过反射负载连接到混合电路，而其栅通过去耦合网络连接到控制终端。P-HEMT的源端接地。
在这种改型中，按照分路耦合器、耦合线定向耦合器、Lang耦合器、含90°补偿的混合环形电路耦合器或其分立元件对应部分的方式配置混合电路。
在其他优选的实施方式中，移相器包括单联分路耦合器，而且二个反射负载是等同的并且由串联连接含特性阻抗Z0的传输线部分、锥形传输线部分含特性阻抗Z1的传输线部分、锥形传输线部分、含特性阻抗Z2的传输线部分和锥形传输线部分组成。
在其他优选的实施例中，数字移相器包括双联分路耦合器，而且二个反射负载是等同的并且由串联连接的含特性阻抗Z0的传输线部分、锥形传输线部分、含特性阻抗Z1的传输线部分、锥形传输线部分、含特性阻抗Z2的传输线部分和锥形传输线部分组成。
根据本发明的数字移相器的优点在于其结构便于制造和调谐，这种结构提供低成本和高性能的成品器件。
图1是结合本发明的设备的框图。
图2a是负载线移相位的电路。
图2a、2c、2d是负载线移相位的物理布线。
图3a是定期负载线移相位的电路。
图3b是定期负载线移相位的物理布线。
图4a是反射类型混合耦合移相位的电路。
图4b是反射类型混合耦合移相位的物理布线。
图4c是使用通过微带技术提供的双联分路耦合器的反射类型混合耦合移相位的物理布线。
图5a是通过微带技术提供的四位移相器的物理布线。
图5b是通过微带技术提供的五位移相器的物理布线。
具体实施例方式
图1画出的设备包括移相串行位3a-3m，其中每个移相串行位对通过的信号的总相位延迟起一份作用。移相位的数目视器件用途而定并且具有在1到7范围内的数目。通过根据施加于每个元件3的控制终端4K的信号来开关一定数目相位延迟元件3K而获得产生的附加相位延迟。一些移相位3中每个移相位(bit)能够配置有图2、3和4所示的电路。所有这些电路都用赝结构高电子迁移率晶体管(P-HEMT)(11、21、22、31和32)作开关元件，P-HEMT是本发明的中心部分。这种类型的分立式晶体管是大量生产的并且从品种繁多的自动售货机出售。其主要用途是在低噪声微波放大器和混频管方面。在部分分立式-HEMT是含二个源的四电极器件并且适用于用作含漏和源间零电压的接地开关。用分立式P-HEMT作接地开关由于制造商通常提供的设计参数不全所以并不非常普及。精确测量封装好的P-HEMT参数才有可能使它们得以应用并且便于设计匹配的网络。图2a中画出的电路是新型的，该电路是负载线移相位，只使用一个用于改变引入相位延迟的开关元件11。工作原理是下面所述给传输线5加上由分立P-HEMT11和负载阻抗网络9产生的开关电抗，因而改变传输系数相位。由于这种干扰因此元件输入一输出阻抗偏离其最佳值，为了改变元件输入一输出阻抗返回到最佳值，增加与网络7和8匹配的阻抗，以保证在所要求的带宽内运作。不同的匹配类型能够用于配置匹配网络7和8，例如四分之一波长互感器、单开路型短线Γ网络和通过用补偿P-HEMT开关11的电抗负载的电抗和负载阻抗9加载的传输线。负载网络9提供所要求的负载阻抗并且也补偿和改变与分立式P-HEMT的组装相联系的一些寄生元件。按照具有确定的特性阻抗含大约λ/4和λ/8长度的传输线和用于朝P-HEMT方向平滑过渡的锥形线的方式配置适合的负载阻抗9。为了在控制终端和电路中的微波部分之间保持去耦合，而增加去耦合网络10。去耦合网络10能够包括传输线和/或电阻器二部分。在图2b、2c和2d中画出含所述匹配的移相位的一种优选实施方式、所有这些图形是用微带实现并且用作负载阻抗网9、串联连接的四分之一波长互感器9a、λ/8变换微带线9b和锥形线9c。去耦合网络10是一样的并且由串联连接的高阻抗λ/4传输线10a和开路型低阻抗λ/4短线10b组成。图2b和2c所示的移相元件使用相同的阻抗匹配网络7和8、同样配置的λ/4互感器7和8，以及单开路型短线Γ网络7a、7b和8a、8b。图2d举例说明在通过传输线初始负载与电容性电抗13匹配的情况中移相位的优选实施方式。在所描述的实施方式中，分立式P-HEMT在二个源端11a和11b通过去耦合网络10连接到电路的公共地12、漏11d连接到阻抗负载网9和栅11c连接到控制端的情况中起接地开关作用。所描述的实施方式适用于实现在2°到20°范围内具有25％相对带宽度的小相位延迟。图3和4表示出的电路除了应用的分立式P-HEMT外是熟知的，将不详细描述。在图3画出定期加载线移相位，它用分立式P-HEMT对来开关在结点a和b中的元件的输入和输出上的负载阻抗。负载阻抗的开关导致传输线系数相位的变化。阻抗负载网络17和18以及去耦合网络19和20的功能与阻抗负载网9和去耦合网络10的功能是一样的。图3b中画出上述移相元件的物理布线。这是微带配置负载网络17和18除了四分之一波长互感器弯曲45°的差异以外具有与负载网络9一样的图形。去耦合网络19和20除了应用径向开路型短线19b和λ/4互感器19a同样弯曲以外去耦合网络19和20和去耦合网络10一样。图4表示反射型混合耦合移相位，它使用用于控制通过混合电路26连接到传输线24的反射负载的分立式P-HEMT。一些反射电极中的变化改变正向波和反射波之间相位关系而因此改变传输系数的相位。负载网络27和28以及去耦合网络29和30的功能与阻抗负载网络9和去耦合网络10的功能一样。能够按照分路耦合器、耦合线定向耦合器、Lange耦合器、含90°补偿的混合环形电路耦合器或者它们的分立元件对应物的方式来配置混合电路。图4b中画出这种移相位使用单联分路耦合器26的微带配置。反射电极27和28二者是等同的并且由串联连接的含阻抗Z0的微带线27g、锥形线27e、含阻抗Z1的微带线27d、锥形线27c、含阻抗Z2的微带线27b和锥形线27a组成。所应用的去耦合网络类似于去耦合网络19和20。图4c描绘使用双联分路耦合器26的类似实施方式。
图5a表示移相器设备的完整实施方式。这是种包括四个移相元件的移相器，它能够使相位保持以22.5°的相同间隔在0°～337.5°内变化。该设备在12.5GHz上工作，含有8％相对带宽和±5°相位误差。定期负载线移相位34a和34c提供22.5°和45°的相位延迟并且在图3中详细地表示出。移相位34b和34d是使用单联分路耦合器的反射型混合耦合元件。这些已在图4b中详细表示出并且提供90°和180°的相位延迟。图5b中描绘五位移相器设备。它在11.7GHz上工作，含17％的相对带宽和±5°相位误差。移相位35b是图2详细表示出的负载线类型。这种元件提供11.25°相位延迟。定期负载线移相位35d提供22.5°相位延迟。相位元件35a、35c和35e是使用双联合路耦合器并在图4c中表示出的反射型混合元件。它们提供90°、180°和45°的相位延迟。所描述使用分立式P-HEMT的移相位的任何一种组合可以获得所希望含所要求的相位间隔的相位范围。
其他应用用含180°相位延迟的一种移相位组成的移相器设备能够用来产生二进制移相键控(BPSK)信号，在这种情况中适合应用图4b和c所画出的反射型混合耦合移相位。使用二个180°移相位在超出输入信号的相位分割90°和输出中的同相位累加的情况下产生二次移相键控(QPSK)信号。用本实施方式实现QPSK信号的另一种方法是用含90°和180°相位延迟的元件组成二位移相器。
权利要求
1.一种数字移相器，包括串联连接的可控移相位(3a-3k)，其中每个可控移相位引入通过信号中的确定的相位延迟量，其中根据开关相位元件(3k)的控制信号发生相位变化并且把相位变化加到其用于各个元件(3)中的开关元件(11、21、22、31、32)的控制终端(4k)，其特征在于将具有正或负的夹断电压的分立式P-HEMT(赝结构高电子迁移率晶体管)用作开关元件(11、21、22、31、32)。
2.根据权利要求1的数字移相器，特别征在于移相位(3a-3k)中至少一个移相位是负载线型的并且构成一个用于相位变化的开关元件(11)以及用于阻抗匹配(7和8)和负载网络9，其中开关部件(11)按照接地开关方式操作，两个源连接到公共地线(12)、漏(11d)连接到负载网络(9)而栅(11c)通过去耦合网络(10)连接到控制终端(4k)。
3.根据权利要求1或2的数字移相器，其特征在于阻抗匹配网络(7、8)实现为四分之一波长互感器、单短线Г网络和通过加载传输线，电抗补偿开关(11)和负载网络(9)的电抗负载。
4.根据权利要求1或2的数字移相器，其特征在于负载网络(9)实现为带确定特性阻抗、具有λ/42和/或λ/8的长度的传输线部分和用于向开关(11)平滑过渡的锥形线。
5.根据权利要求1的数字移相器，其特征在于去耦合网络(10)包括传输线和/或电阻器二部分。
6.根据权利要求2的数字移相器，其特征在于负载网络(9)是串联连接的四分之一波长互感器(9a)，λ/8变换微带线(9b)和锥形线(9c)。
7.根据权利要求6的数字移相器，其特征在于去耦合网络(10)包括串联连接的高阻抗λ/4传输线(10a)和开放式低阻抗λ/4短线(10b)。
8.根据权利要求7的数字移相器，其特征在于匹配网络(7、8)被实现为λ/4互感器。
9.根据权利要求7的数字移相器，其特征在于匹配网络(7、8)被实现为单开放式短线Г网络(7a、7b)和(8a、8b)。
10.根据权利要求7的数字移相器，其特征在于通过初次用电容性电抗(13)加载的传输线来实现匹配。
11.根据权利要求1的数字移相器，其特征在于它包括负载网络(17和18)和去耦合网络(19、20)对，并且去耦合网络(19、20)连接到开关(21、22)的栅，控制终端(4k)是在两个去耦合网络(19、20)之间。
12.根据权利要求11的数字移相器，其特征在于负载网络(17、18)除了四分之一波长互感器弯曲0°、45°或90°以外具有与负载网络(9)一样的结构。
13.根据权利要求11的数字移相器，其特征在于去耦合网络(19和20)除了使用径向开路型短线(19b)和高阻抗λ/4传输线(19a)变弯曲以外和去耦合网络(10)一样。
14.根据权利要求11的数字移相器，其特征在于移相位(3)中至少一个移相位是反射型的并且包括用于控制反射负载的二个开关元件(31、32)，该二个开关元件(31、32)通过混合电路(26)连接到传输线(24)，其中开关元件(31、32)通过阻抗匹配网络(27、28)连接到混合电路(26)并它们的栅极经去耦合网络(29、30)连接到控制终端(4K)。
15.根据权利要求14的数字移相器，其特征在于混合电路(26)被实现为分路耦合器、耦合线定向耦合器、Lange耦合器、具有90°补偿的混合环形电路耦合器或者它们的分立元件对应物的。
16.根据权利要求14的数字移相器，其特征在于包括单联分路耦合器(26)、由串联连接含阻抗Z0的微带线(27g)组成的二个相同的反射终端装置(27、28)、锥形线(27e)、含阻抗Z1的微带线(27d)、锥形线(27c)、含阻抗Z2的微带线(27b)和锥形线(27a)。
17.根据权利要求14的数字移相线，其特征在于包括双联分路耦合器(26)，由串联连接含阻抗Z0的微带线(27g)组成的二个相同反射终端装置(27、28)、锥形线(27e)、含阻抗Z1的微带线(27d)、锥形线(27c)、含阻抗Z2的微带线(27b)和锥形线(27a)。
全文摘要
一种数字移相器，包括串联连接的可控移相位(3a－3k)，其中每个可控移相位引入通过信号中的确定的相位延迟量，其中根据开关相位元件(3k)的控制信号发生相位变化并且把相位变化加到其用于各个元件(3)中的开关元件(11、21、22、31、32)的控制终端(4k)，其特征在于将具有正或负的夹断电压的分立式P－HEMT(赝结构高电子迁移率晶体管)用作开关元件(11、21、22、31、32)。
文档编号H01P1/185GK1792001SQ200480013393
公开日2006年6月21日 申请日期2004年4月30日 优先权日2003年4月30日
发明者斯塔尼迷尔·卡梅诺普尔斯基 申请人:雷塞特塞浦路斯有限公司