「探討」我對移相器的理解(1)：單bit的移相結構

來源 | 微波射頻網

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應Hugo Lin（林豐涵）邀請寫一些寬帶移相器的內容，看到這個題目自己着實沒有把握，我對移相器僅限於理論瞭解。但本着工程師愛鑽研的特質，我請教了周邊的大拿，查閱了IEEE及國內的期刊，加上自己對其他無源及控制電路的經驗，期望寫出來的理解不至於產生誤導。文章裏面有紕漏的地方請大家留言探討，共同進步。

近些年相控陣雷達快速發展，移相器在T/R中是必不可少的器件。每個輻射單元背後都有一個電控移相器控制相移，從而使天線孔徑面的相位產生變化，實現波束靈活指向。這裏主要介紹二極管開關移相器，對移相器的理解打算寫兩期，本期寫一些單bit的移相結構，下期寫一下常用4bit或6bit的可能結構。由於實踐經驗不足，這裏我把個人學習移相器（主要是寬帶移相器）時的疑問及現階段的認知分享出來。

1、移相器和延遲線的區別

第一次接觸移相器時，我下意識的想到用一節短傳輸線就實現了，實際上開關線移相器就是一節短傳輸線，但延遲線也是一節傳輸線，那移相器和延遲線到底有什麼區別呢。我的理解如下：

基礎公式：

移相器：

延遲線：

一節傳輸線當沒有色散的時候對任何頻率都是等延遲的，嚴格來說傳輸線是一個延遲線。當帶寬很窄的時候移相器可以用一節短延遲線實現，可以在一個相對窄的帶寬裏實現等相位移動，所以開關線移相器只能用在窄帶情況下。

在信號帶寬很寬的情況下，信號通過移相器時由於對各個頻率的延遲不同，我個人理解實際上是色散效應，不知對系統使用是否有影響。

2、移相器的實現方式

移相器有圖 1所示的幾種實現方式，可以看到（a）到（d）均是讓信號產生時延差異來實現移相。圖（f）是矢量調製移相器的基本原理，採用了正交矢量合成來產生移相。

圖1 移相器的實現方式

個人認爲混合型、高低通型、矢量合成型是比較適合超寬帶應用的結構。這裏分享下我對每種結構的理解。

a) 開關線移相器

開關線移相器的基本原理是讓信號通過兩段不同長度的傳輸線，從而產生移相，由於恆定，對於大一點的相移（例如22.5°）在高頻時只能在很窄的帶寬裏實現移相的相位恆定。對於超寬帶例如6~18G的情況，該方案無論在小相移還是大相移上並不理想。

圖2 開關線移相器常用移相態性能對比

b) 負載線移相器

負載線移相器產生移相的兩個態的電路原理見圖3所示，產生一個45°相移時的結果見圖 4所示。可以看出負載線式在中等帶寬，中等相移時可以有比較好的表現。但在超寬帶時負載線型移相器也不能很好的勝任。由於自己在濾波器及分支線電橋上有一定的經驗，這裏通過濾波器及分支線電橋理論來解釋負載線移相器在超寬帶應用中的限制。

圖3 負載線移相器的兩個態（開關通斷兩態）

圖4 負載線移相器45°時的結果

濾波器觀點對負載線移相器在超寬帶應用中限制的解釋

認真觀察圖 3（a）的結構，可以知道這是一個典型平面高通的結構，（詳細理論參考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第6章的內容），當並連線阻抗越高（線寬越窄）時，高通的截止頻率越低，當並連線阻抗越低（線寬越寬）時高通的截止頻率越高，從圖4的傳輸響應中可以看到圖 3（a）的高通響應。