1.引言

移相器是微波控制電路的一個種類，主要針對微波信號的相位進行控制以滿足系統(tǒng)的需要。如果相移量可以連續(xù)變化，則稱為模擬式移相器；如果相移量只能在預定的離散數(shù)值上改變，則稱為數(shù)字式移相器。

數(shù)字式移相器廣泛應用于雷達系統(tǒng)和微波通信系統(tǒng)，尤其是相控陣雷達系統(tǒng)。因為相控陣雷達能實現(xiàn)多目標搜索與跟蹤，具有功能多，機動性強，反應時間短，可靠性高等特點，在現(xiàn)代雷達技術中占有重要的地位。作為相控陣雷達系統(tǒng)的基本單元和核心組件，T/R組件直接關系到整個相控陣雷達的優(yōu)劣，而數(shù)字式移相器又是T/R組件的重要組成部分，所以對于數(shù)字式移相器的研究顯得非常迫切和重要。

2.移相器發(fā)展歷史

自從相控陣天線問世之后，移相器的設計就一直是相控陣系統(tǒng)的研究重點，出現(xiàn)了大量的文獻報道和產品，其設計理論也在逐漸地完善。

在20世紀50年代，移相器都是機械式的。直到1957年鐵氧體首次應用于相控陣掃描，因為其插入損耗比較低、功率容量大、結構簡單、較寬的工作頻帶的特點，鐵氧體移相器開始得到大量應用。但是鐵氧體移相器的缺點也比較明顯：控制電路比較復雜，相移響應速度慢，溫度特性變化大，所以鐵氧體移相器也逐漸被新的元器件所代替。

20世紀60年代中期，隨著PIN二極管的出現(xiàn)和逐漸成熟，移相器開始采用PIN二極管作為開關元件來實現(xiàn)電路設計，隨之在PIN二極管移相器方面出現(xiàn)了大量的研究成果和實踐活動。因為PIN二極管具有較大的功率容量，轉換時間也比較短，所以這種移相器是一個非常不錯的設計方案。但是PIN二極管的集成工藝比三極管復雜，單管所占面積大，不便于集成，相應成本也就相對高，控制電路功耗也較大，其應用在許多場合受到限制。

20世紀80年代，隨著新的電子元器件、材料和加工工藝的飛速發(fā)展，MEMS(微電子機械系統(tǒng))和MMIC(單片微波集成電路)成為研究的重點。國內外不斷有MMIC移相器芯片成功的報道和產品面世。例如據Kenichi Miyanguchi等人的報道，他們研制出了C波段5位MMIC移相器，大小僅僅只有1.37mm2；Miller等人應用固有移相技術制作了位于4-12GHz的MMIC移相器；Slobodnik等人制作了工作頻率35-37GHz的4位MMIC移相器。國內中電第十三研究所也研制出了X波段五位數(shù)字單片移相器。

3.移相器主要電路結構和特點

目前相控陣雷達多采用四位或者五位數(shù)字控制電路，以實現(xiàn)相移的階躍。如果采用更高位數(shù)的數(shù)字式移相器，相位的控制越將更加精準，但是對電路結構和工藝器件都是一個更大的挑戰(zhàn)。

在微波頻率范圍內，實現(xiàn)數(shù)字式移相器的主要方式是利用半導體器件，例如用PIN二極管、變容二極管和FET構成，其中最常見的器件是PIN二極管。采用半導體器件的移相器可分為反射式和傳輸式。從電路結構上來講，傳輸式移相器主要有開關線型、加載線型、高通-低通型和矢量合成式四種結構形式。移相器的具體分類如圖1所示。

一般來講，可以實現(xiàn)移相功能的電路結構有各種各樣，但是移相器設計要綜合考慮各種指標，特別是希望較小的插入損耗和反射損耗，所以實用的移相器電路結構主要有以下4種。

3.1 開關線型移相器

開關線型移相器，也稱為換接線段式移相器，其設計思想是：設計兩條可供選擇的傳輸通路，并使二者的電長度只差等于所需的相移量，基本電路結構如圖2所示。

L1和L2是兩條不同長度的微帶線，ST1和ST2均是單刀雙擲開關(SPDT)。當切換SPDT使得微波信號在兩條路徑L1，L2之間轉換時，由于兩條路徑長度不同，傳輸相移不同，從而達到移相的目的。當微波信號在兩種路徑轉換時，電路的相移量是：

3.2 加載線型移相器

加載線移相器，就是將可變阻抗元件以并聯(lián)或串聯(lián)的方式加載于微波傳輸線上，通過改變元器件的阻抗值來增加微波信號的相移量。

圖3是一個加載線型移相器的電路示意圖。假設當PIN管處于正偏置狀態(tài)時，主線兩端并聯(lián)導納是jB+；反偏置時并聯(lián)導納是jB-。在這兩種狀態(tài)下電路分別等效為不同電長度和的傳輸線，傳輸線特性導納為Y0。參照圖3(b)和圖3(c)的等效傳輸線結構，移相器的相移量是：

3.3 反射型移相器

反射型移相器是在微波傳輸線的終端連接有可變阻抗的元件，切換開關使得負載的阻抗變化，因此負載的反射波相位發(fā)生改變。兩次反射信號之間存在的相位差即為相移量。

圖1 移相器分類

圖2 開關線型移相器

圖3 加載線型移相器

圖4 反射型移相器

圖5 高通-低通型移相器（a）型（b）T型

3.4 高通-低通型移相器

高通-低通型移相器發(fā)展于開關線型電路結構，這種電路的特點是用高低通濾波器結構代替開關線型結構中的傳輸線，根據濾波器的電路結構也可分為型和T型，如圖5所示。因為高通濾波器具有超前的相移量，低通濾波器具有滯后的相移量，所以微波信號分別通過兩種途徑之后，兩者所產生的相位角之和即為此移相器的相移。

3.5 四種電路結構特點和比較

在實際電路設計中，移相器設計一般需要綜合考慮各種設計指標，包括相移精度、插入損耗、回波損耗、電路結構的復雜程度等，根據各種電路的特點來選取具體的電路形式：

(1)開關線型移相器一般在8%的帶寬內相移變化量不大，兩種狀態(tài)下插損變化也不大，不需要額外的匹配電路，因而電路結構比較簡單，特別適用于小移相器位(22.5°和45°)，通常不能滿足大移相位的性能要求。

從電路結構可以看出，開關型移相器需要較多的二極管，這樣會造成成本較高，插入損耗也要增大。尤其要注意，當開關傳輸線電長度達到某個頻率的半波長時，會產生諧振現(xiàn)象，增大移相器的插入損耗。如果出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，需要改變斷開的支路負載匹配，但缺點是移相器所需要的開關元件數(shù)量增多。

(2)加載線移相器通常也用于小移相位，比如22.5°和45°位移相器，其性能指標比較好：插入損耗低，駐波小，峰值功率容量大。缺點是需要進行阻抗變換，電路體積比較大，開關數(shù)量比較多，經濟成本高。

加載線型移相器一般工作頻率比較窄，而且隨著移相量的增加而顯著減小。這是因為加載線型移相器通常由3段微帶線組成，相移量和駐波比隨頻率變化比較快，所以加載線型移相器通常用于窄帶電路設計。例如22.5°移相位在相移誤差小于2°，輸入駐波比小于1.2的情況下，相對帶寬可以達到42%，但是45°移相位相對帶寬就下降為大約20%。

(3)反射型移相器一般插入損耗比較低，功率容量為中等，工作頻率可以比較高，有文獻報道可以工作在高達100GHz頻段，開關元件也比較少，有利于成本的降低。

反射型移相器的插入損耗一般隨著相移位的增大而增加。尤其注意的是，反射型移相器一般要用到3dB電橋，由于3dB電橋的尺寸比較大，增加了整個電路的體積，而且3dB電橋的性能至關重要，所以在設計時要細致考慮。

(4)高通-低通型移相器一般采用集總元器件，使得高低通濾波器的串聯(lián)電抗絕對值相等，并聯(lián)電納的絕對值相等，兩者隨頻率變化的相位角恰好相互補償，具有較寬的平坦頻率響應。通常采用MOSFET作為開關元件，并且將晶體管的寄生電容作為電路組成，結構非常緊湊利于電路集成。因此是MMIC中最常見的電路形式。

與開關線型移相器結構類似，串聯(lián)二極管也可能引起諧振。尤其是小相位的電長度較小，在參數(shù)設計時要注意，可以通過增加微帶傳輸線段來避免諧振現(xiàn)象。

4.結束語

縱觀移相器發(fā)展的歷史，移相器所采用的材料由鐵氧體材料、波導和微帶線逐漸過渡到MMIC、MEMS。現(xiàn)代數(shù)字式移相器將充分利用各種電路結構(反射型、開關線型和加載線型等)，在微波毫米波甚至更寬的頻段范圍內，達到各種裝備和各種場合的應用要求。未來的移相器將繼續(xù)朝著小型化、高性能和低成本的方向發(fā)展。

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