微帶開關型移相器及應用其的移相模塊的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微波技術領域，尤其涉及一種微帶開關型移相器及應用其的移相模 塊。
【背景技術】
[0002] 隨著智能手機、平板電腦等大量智能終端的普及，當下對高速移動數據業務的需 求量與日倶增。以目前對通信容量需求的增長速率，預計在2020年左右時，總的移動數據 量將實現千倍增長，這對下一代移動通信系統提出了嚴峻挑戰。相較于3GHz以下日益耗盡 的頻譜，毫米波頻段擁有十分豐富的頻譜資源，可以滿足未來高速寬帶移動通信的需要。另 外，在毫米波頻段，空分多址和波束組合能夠與時分或頻分多址技術結合大大提高系統容 量和頻譜利用率，能夠滿足人們對高速數據業務的需求。因而，未來的5G系統與4G相比最 大的不同很可能為5G將使用頻率更高的毫米波頻段，并在接收和發送端都使用方向性很 好的波束可調的相控陣天線，其骨干網絡將采用毫米波無線連接，這將使5G系統具有更低 的能耗，更低的掉話率以及更高的比特速率。由于其巨大潛力，毫米波移動通信已成為當下 研究的熱點，具有非常好的前景。
[0003] 相控陣收發機是毫米波移動通信系統中的關鍵組件，而移相器是相控陣收發機中 的重要電路模塊，也是整個收發機的設計難點之一。用于毫米波移動通信系統的移相器具 有以下難點：
[0004] 1、頻率高（30GHz附近或更高）；
[0005] 2、相移精度高；
[0006] 3、低成本，相控陣收發機中需要大量移相器，若移相器價格高將使得通信設備造 價昂貴，而這是民用移動通信無法接受的。
[0007]目前，業內亟待開發一種頻率高、相移精度高，同時低成本的移相器，以滿足毫米 波移動通信的需求。
【發明內容】
[0008](一）要解決的技術問題
[0009] 鑒于上述技術問題，本發明提供了一種微帶開關型移相器及應用其的移相模塊， 以滿足毫米波移動通信系統對頻率高、相移精度高、低成本的移相器的需求。
[0010] (二）技術方案
[0011] 根據本發明的一個方面，提供了一種微帶開關型移相器。該微帶開關型移相器包 括：參考分支電路、相移分支電路、第一路徑選擇開關S1和第二路徑選擇開關S2,其中：參 考分支電路包括：第一微帶傳輸線L1;相移分支電路包括：串聯的第二微帶傳輸線L2和第 三微帶傳輸線L3,以及連接于兩者之間的節點A和地電平之間的第四微帶傳輸線L4 ;第一 路徑選擇開關S1的前端連接至信號輸入端，第二路徑選擇開關S2的后端連接至信號輸出 端，兩者受控地同時連接至參考分支電路和相移分支電路。
[0012] 根據本發明的另一個方面，還提供了一種移相模塊。該移相模塊包括：功率分配 器，其將信號分為N路；N個移相器串，每一移相器串的前端連接功率分配器的一路輸出，其 末端作為移相模塊的一個輸出，其中，N多2 ;其中，N個移相器串中的每一個移相器串中包 括串聯的Μ個如上所述的微帶開關型移相器，Μ多1。
[0013] (三）有益效果
[0014] 從上述技術方案可以看出，本發明微帶開關型移相器及應用其的移相模塊具有以 下有益效果：
[0015] (1)采用連續微帶線和簡單拓撲結構，減少了由于微帶線不連續處，如彎折、寬度 變化等，所引入的寄生參量，使該微帶開關型移相器能夠應用于高頻場景下；
[0016] (2)經由仿真和實驗證明，在中心頻率附近有非常平坦的相移特性，移相精度高；
[0017] ⑶結構簡單，制造容易，成本低，非常適合于民用通信。
【附圖說明】
[0018] 圖1為根據本發明第一實施例微帶開關型移相器的結構示意圖；
[0019] 圖2Α~圖2D為根據本發明第二實施例移相模塊的結構示意圖；
[0020] 圖3為根據本發明第三實施例移相模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 本發明微帶開關型移相器中，通過開關選擇不同的信號路徑，可以使移相器的不 同輸出間得到所需的相對相移。
[0022] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0023] 在本發明的第一個示例性實施例中，提供了一種用于毫米波移動通信的微帶開關 型移相器。如圖1所示，本實施例微帶開關型移相器包括：第一路徑選擇開關S1、第二路徑 選擇開關S2、參考分支電路和相移分支電路。其中，第一路徑選擇開關S1和第二路徑選擇 開關S2協同工作以選擇參考分支電路和相移分支電路其中之一作為信號傳輸通路。
[0024] 請參照圖1，參考分支電路包括第一微帶傳輸線L1。相移分支電路包括：第二微帶 傳輸線L2、第三微帶傳輸線L3和第四微帶傳輸線L4,其中，第二微帶傳輸線L2和第三微帶 傳輸線L3串聯，第四微帶傳輸線L4連接至第二微帶傳輸線和第三微帶傳輸線之間的節點 Α和地電平之間。
[0025] 在參考分支電路中，第一微帶傳輸線L1的特征阻抗和系統特征阻抗相同，為Z。； 在中心頻率ω。處其電長度為θp此處，特征阻抗指的是與該微帶開關型移相器相連接的 其他器件的輸入或輸出阻抗，中心頻率ω。為該微帶開關型移相器在設計階段給出的工作 頻段的中心頻率。
[0026] 在相移分支電路中，第二微帶傳輸線L2和第三微帶傳輸線L3的特征阻抗均為Ζ2， 第四微帶傳輸線L4的特征阻抗為Zi。而第二微帶傳輸線L2、第三微帶傳輸線L3、第四微帶 傳輸線L4在中心頻率ω。處電長度均為90°。
[0027] 本實施例中，四微帶傳輸線L1~L4均為沿一個方向延伸的，寬度恒定的連續傳輸 線，由于減少了由于微帶線不連續處，如彎折、寬度變化等，所引入的寄生參量，使本實施例 微帶開關型移相器能夠應用于高頻場景下。
[0028] 同樣，請參照圖1，第一路徑選擇開關S1的前端連接至信號輸入端（IN)，第二路徑 選擇開關S2的后端連接至信號輸出端（OUT)，第一路徑選擇開關S1的后端和第二路徑選擇 開關S2的前端受控地同時連接至參考分支電路和相移分支電路。
[0029] 從上述結構可以看出，本實施例微帶開關型移相器結構簡單，制造容易，成本低， 因此非常適合于民用通信。
[0030] 該第一路徑選擇開關S1和第二路徑選擇開關S2均為單刀雙擲開關，兩者協同工 作，用于選擇信號傳輸路徑。信號通過參考分支電路和相移分支電路有不同的插入相位，二 者間的相位差即為相對相移。相移分支電路在中心頻率ω。處的插入相位固定為-π，與Zi 和厶無關，因而改變參考分支電路中第一微帶傳輸線L1的電長度Θ在中心頻率ω。處 獲得所需要的相對相移。并且，改變ZJPΖ2的值可以改變相對相移隨頻率的變化情況。本 實施例微帶開關型移相器中各個參數的計算方法如下：
[0031] 利用傳輸矩陣可計算出相移分支電路的插入相位：
[0033] 其中：竊=m/ %為歸一化頻率，fi=馬/Ζ0和f2 = 為歸一化特征 阻抗，
《由（1)可以看出相移分支電路的插入相位在中心頻率處為。
[0034] 設<5%為中心頻率ω。處所需的相對相移，則參考分支電路中第一微帶傳輸線L1的 電長度爲^ =花+ 進而參考分支電路的插入相位為：
[0035]
[0036]由⑴和（2)，可得到相對相移4φ(δ?)的表達式：
[0038] 為了在中心頻率附近得到最小的相位誤差，應該滿足下列方程組：
[0040] 其中η= 1，2···，并盡可能大。備和％可通過解方程組（4)得出。當η= 1時：
[0041]
[0042] 由于馬> 〇則有漢焉2 - 2(雙+御)? +苽< 〇,又因史〇 > 〇故限制條件可簡 化為：
[0043]
[0044]當η= 2時，（4)恒成立，故考慮η= 3時的情況：
[0046]聯立（5)，（6)和（7)便可解出之1和12。當η=4時，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能夠使得相對相移在中心頻率處對頻率有 直到四階的0導數，即相對相移在中心頻率附近非常平坦，該解即為本實施例所取的最佳 解，對應該解的微帶開關型移相器十分適用于高頻場合。
[0047] 至此，本發明第一實施例微帶開關型移相器介紹完畢。
[0048] 在本發明的第二個示例性實施例中，提出了一種移相模塊。如圖2Α~圖2D所示， 該移相模塊包括：功率分配器和2個第一實施例所給出的移相器-第一移相器PS1和第二 移相器PS2。該兩個移相器單元PS1和PS2在中心頻率ω。處所需的相對相移也都為φ1<3
[0049] 該移相模塊在工作時，信號由功率分配器分為兩路，分別輸入第一移