基于差动电路结构的多级串联式数控移相器实现研究.pdf
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1、第2 4卷 第3期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.32 0 2 3年6月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YJ u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 7基金项目:陕西省自然科学基础研究计划(2 0 2 1 J M-2 2 1)作者简介:常 娟(1 9 8 0-),女,陕西西安人,副教授,研究方向为电子科学与技术。E-m a i l:3 4 5 2 1 1 9 3q q.c o m引用格式:常娟,孔鑫宇,许成福,等.基于差动电路结构的多级串联式数控移
2、相器实现研究J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(3):8 8-9 4.C HAN G J u a n,KON G X i n y u,XU C h e n g f u,e t a l.R e s e a r c h o n R e a l i z a t i o n o f M u l t i s t a g e S e r i e s N u m e r i c a l C o n t r o l P h a s e S h i f t e r B a s e d o n D i f-f e r e n t i a l C i r c u i t S t r u c t u r e
3、J.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(3):8 8-9 4.基于差动电路结构的多级串联式数控移相器实现研究常 娟1,孔鑫宇2,许成福2,胡 飞2,杨晓阔1(1.空军工程大学基础部,西安,7 1 0 0 5 1;2.空军工程大学航空工程学院,西安,7 1 0 0 3 8)摘要 移相器是无线通信系统和相控阵雷达接收机中的关键组件,用来实现信号相位的改变与均衡。提出了一种基于差动电路结构和R C元件的数控移相单元,该移相单元通过扫描脉冲控制差分对管轮流导通获取
4、输出信号的相位差,改变R C元件参数可以调整移相数值。利用提出的数控移相单元构建了八级串联模型,实现了一种3 6 0 串联式数控移相器。M u l t i s i m软件仿真验证了数控移相单元设计的有效性,硬件实现测试结果表明:设计的多级串联式数控移相器工作良好,移相精度高,可达1.4,实现了全周期范围内的相移控制。该数控移相器的实现为适时、灵活校准接收系统相位误差提供了重要的技术支撑。关键词 差动电路;R C元件;多级串联式;数控移相器D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 3.0 1 2中图分类号 T N 6 2 3 文献
5、标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 3-0 0 8 8-0 7R e s e a r c h o n R e a l i z a t i o n o f M u l t i s t a g e S e r i e s N u m e r i c a l C o n t r o l P h a s e S h i f t e r B a s e d o n D i f f e r e n t i a l C i r c u i t S t r u c t u r eCHANG J u a n1,KONG X i n y u2,XU C h e n g f u
6、2,HU F e i2,YANG X i a o k u o1(1.F u n d a m e n t a l s D e p a r t m e n t,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 5 1,C h i n a;2.A v i a t i o n E n g i n e e r i n g S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 3 8,C h i
7、n a)A b s t r a c t P h a s e s h i f t e r i s a k e y c o m p o n e n t i n w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n s y s t e m a n d p h a s e d a r r a y r a d a r r e-c e i v e r,w h i c h i s u s e d t o r e g u l a t e a n d e q u a l i z e s i g n a l p h a s e.I n t h i s p a p e r,a n u m
8、 e r i c a l c o n t r o l p h a s e s h i f t-i n g e l e m e n t b a s e d o n d i f f e r e n t i a l c i r c u i t s t r u c t u r e a n d R C e l e m e n t i s p r o p o s e d.T h e p h a s e s h i f t i n g e l e m e n t c a n g a i n t h e p h a s e d i f f e r e n c e o f o u t p u t s i g n
9、 a l t h r o u g h a s c a n n i n g p u l s e c o n t r o l o f t h e d i f f e r e n t i a l t u b e i n t u r n.T h e p h a s e s h i f t i n g v a l u e c a n b e a d j u s t e d b y c h a n g i n g t h e p a r a m e t e r s o f R C e l e m e n t.A n e i g h t-s t a g e c a s c a d e m o d e l i
10、 s c o n s t r u c t e d b y u s i n g t h e p r o p o s e d N u m e r i c a l C o n t r o l(N C)p h a s e s h i f t e r e l e m e n t,a n d a 3 6 0 t a n d e m N C p h a s e s h i f t e r i s r e a l i z e d.S i m u l a t i o n r e s u l t s o b t a i n e d b y M u l t i s i m s o f t w a r e v e r
11、 i f y t h e e f-f e c t i v e n e s s o f t h e d e s i g n o f N C p h a s e s h i f t e r,a n d t h e t e s t r e s u l t s o f h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n s h o w t h a t t h e d e s i g n o f m u l t i s t a g e t a n d e m N C p h a s e s h i f t e r w o r k s w e l l w i t h h
12、 i g h p r e c i s i o n o f 1.4,a n d r e a l i z e s t h e p h a s e s h i f t c o n t r o l i n t h e f u l l c y c l e r a n g e.T h e r e a l i z a t i o n o f t h e N C p h a s e s h i f t e r p r o v i d e s a n i m p o r t a n t t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e t i m e l y a n d f
13、 l e x i b l e c a l i b r a t i o n o f t h e p h a s e e r r o r o f t h e r e c e i v i n g s y s t e m.K e y w o r d s d i f f e r e n t i a l c i r c u i t;R C c o m p o n e n t s;m u l t i s t a g e s e r i e s t y p e;N C p h a s e s h i f t e r 随着信息技术的不断进步,无线通信、相控阵系统等设备对信号处理提出了越来越高的要求1。有源移相器
14、作为通信和雷达装备接收机中信号相位控制最重要的模块之一,其精度、移相范围和响应时间决定着整个系统的性能2。同时,实际的接收机还含有多级放大、选通滤波等电路,结构非常复杂,存在电路间的调试误差、工作时的温漂和器件老化等多种因素,也将带来各通道信号相位的延时偏移。因此,高精度测量系统(如测角)中的移相器必须实时地对各通道间的相位差进行补偿调整,使各通道的相位特性始终保持一致。移相器主要分为数字式、模拟式和数模混合式,目前主流的移相器为数字式,通过开关的切换来实现均匀步进的相位移动和均衡,其研究受到了学者广泛的关注。文献3 提出了一种61 8 GH z工作频段的6位宽带高精度有源移相器,该移相器采用
15、5 5 n m CMO S工艺实现,芯片尺寸为1.2 9 mm0.9 mm,移相器核心尺寸为1.0 2 mm0.5 8 mm,相位误差RM S值小于0.7 5,移相器的相对带宽为1 0 0%,可覆盖C,X和K u波段。文献4 提出了一种工作在高频段的6位数控移相器,该移相器的小步进移相采用无源元件构成,大步进移相采用正交信号产生电路加吉尔伯特单元实现,如4 5 移相,有源和无源器件的组合使得总的移相误差为3.7 6。2 0 1 9年,周赡成基于MM I C研究了K u波段数控移相器和数控衰减器的设计,实现了一个6位移相器5;2 0 2 0年,文献6 提出了一种紧凑的K a波段4位开关型移相器,
16、采用2 8 n m CMO S技术,具有低群延迟偏差,相位精度为1.2。文献7 设计了一种紧凑型高精度毫米波宽带可变移相器,该移相器由1个极短长度为0.9 mm的堆叠垫片和2个长度为0.5 mm的波导法兰适配器共同实现,并将垫片旋 转9 0 至 垂 直,实 现 整 个D波 段(1 1 01 7 0 GH z)的高精度移相,移相精度可达到0.8 8,但是最大相移角度只有3 0。2 0 2 1年,文献8 通过周期性排列铁氧体块和空气间隙,提出了一种基于铁氧体的磁可调谐宽带超材料移相器。该移相器具有低插入损耗和大相移值,为宽带可调谐移相器的设计提供了一种方法。2 0 2 2年,张镇等采用0.1 8
17、m G a A s衬底增强/耗尽型高电子迁移率晶体管工艺研制了 一 款26.5 GH z高 精 度6位 数 控 移 相器9,移相精度为3。文献1 0 提出了一种基于自旋轨道转矩(S OT)的边缘模式移相器,并基于该移相器提出了一种宽带异或逻辑门。这种边缘模式移相器是在钇铁石榴石(Y I G)自旋波波导的一侧平行放置一段短的钴(C o)磁性元件,以构建边缘模式的自旋波移相器。常娟等人研究了高频数控移相器及其检测系统实验设计方案,给出了系统架构1 1。总的来说,国内外关于数控移相器的研究集中在不同器件技术实现4位或6位相移控制,但其精度还不够高,仅到3,同时采用的电路及其工艺仍较复杂。精度不能提升
18、的一个重要原因是无法获得较小步进的相移。因此,高精度、通用性和小相移仍然是数控移相器面临的重要课题。本文从差动电路脉冲控制机制和无源R C电路组合角度出发,提出了一种新颖的差动工作型数控移相单元,实现了最小相移、通用性强的8位串联数控移相器。1 移相单元电路的设计本文设计的数控移相器主要技术指标如表1所示。要实现全周期3 6 0 的数控移相,需要设计高精度的数控移相单元。为了便于理解本文数控移相单元的设计思想,下面先对简单R C电路的频率响应进行阐述。表1 数控移相器主要技术指标指标数值工作频率5 52.5 MH z移相范围0 3 6 0 移相步进1.4 移相误差1.4 输入幅度5 0 0 m
19、V p p1.1 基本R C电路的相移R C电路是可以用于产生移相量的电路结构,电路图如图1所示。当输入某一频率信号经过R C电路后,输出信号波形在相位和幅值上均会产生变化1 2。图1 基本R C电路假设电路中电阻阻值为R,电容量为C,输入信号为vi,对该电路进行频域分析,可得输出信号与输入信号的关系为:vo=R C1+R C 2(R C+j)vi(1)输出信号相较输入信号的移相量为:=a r c t a n(1 R C)(2)由于 R C0,移相量的取值范围位于0 9 0 之间。98第3期 常娟,等:基于差动电路结构的多级串联式数控移相器实现研究1.2 差动移相单元的设计与分析无源R C电路
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