基于差动电路结构的多级串联式数控移相器实现研究.pdf

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 eJ.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 u2,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 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 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 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 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 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 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 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,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 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 mV 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电路可以获得一定数值的相移量,差分式放大电路的对管采用脉冲控制可以轮流导通工作,将无源R C电路和差分对管进行结合,构建一种新颖的差动工作型数控单元,其电路图如图2所示。图中,对于输入信号vi而言,电路可视为共射极组态,三极管的参数相同。采用脉冲控制方式,使差分放大电路不再工作在模拟放大状态,即:当控制基级与射极间电压变化时,两个三极管可在导通、截止状态间切换。若在T1输出端口串联电容C,T2输出端口串联电阻R,当信号从集电极经C和R输出时,由于C、R电抗值差异,两种状态下输出信号存在相位差,即所谓的移相量。图2 差动式移相单元设计电路根据上文对R C电路的分析,这里电容参数值C和电阻参数值R的选取很重要,它决定了相位差,也就决定单元移相电路的相位精度。下面计算当控制信号变化时,两种工作状态下移相单元通路的移相量。图3 T1导通T2截止时小信号通路图3所示为T1导通、T2截止时移相单元电路的小信号通路,当控制信号VK=+1 V时,T1导通T2截止。信号在经过集电极前的电路由纯电阻构成,记为区;经过集电极后的电路记为区。显然区由纯电阻构成,信号相位不受影响,因此计算移相量时区不作考虑;区含R C电路,可形成移相量,是需要重点分析的区域。在区中,RL与C、R并联,形成复阻抗为:ZL=RL(RC2+1j C)RL+RC2+1j C(3)令s=j=j 2 f,则式(3)可简化为:ZL=RL(s CRC2+1)s C(RL+RC2)+1(4)R与ZL串联,作为ZL上的分压,则输出电阻vo为:vo=ZLZL+Rvi(5)将(4)式代入,可得:vo=RL(s RC2C+1)s C(RRL+RLRC2+RRC2)+(RL+R)vi (6)其中vi相位同vi。该移相通路对输入信号移相量为:1=a r c t a n(RC2 C)-a r c t a n C(RRL+RLRC2+RRC2)RL+R (7)当控制信号VK=-1 V时,T1截止T2导通,小信号模型如图4所示。图4 T2导通T1截止时小信号通路同理,将电路划分为、区。对区进行分析,由RC1、RL与R并联可得:RL=RL(R+RC1)RL+R+RC1 (8)C与RL串联,作为RL上的分压,输出电阻vo为:vo=s CRLs CRL+1vi(9)将(8)式代入,可得移相量为:2=a r c t a nRL+R+RC1 CRL(R+RC1)(1 0)对于差动电路,输出信号的总移相量取决于两支路移相量之差:=1-2(1 1)即为差动式移相单元移相量。事实上,根据(2)式可以发现:R C电路只能完成9 0 以内的相移。当相移量达到9 0 时,考虑到L C电路对移相量有更大的调节范围,将电阻R置换为电感L,把R C电路转化为L C电路即可,参数推导过程同R C电路,不再赘述。当移相量达到1 8 0 时,将两个9 0 移相单元电路串联实现半波移相。09空军工程大学学报2 0 2 3年2 多级串联数控的移相器设计2.1 多级串联原理图本文设计的数控移相器是基于上面提出的数控移相单元电路,组成多级串联的数控移相器,实现全周期3 6 0 相位控制。由数字电路控制的八级串联式数控移相器原理图如图5所示。移相单元移相量从左往右依次以二倍步进量增大,最小移相量可达1.4,最大移相量为1 8 0。输出级由限幅电路组成,用来调节受到元件影响而改变的幅值。数字控制电路通过八路开关脉冲信号控制各级移相单元的通路状态,是实现自动化调节移相量的硬件基础。当高频信号由输入端进入移相器时,经过开启状态的移相单元时产生移相量。当移相单元关闭时,则相当于经过导线,不发生移相。图5 多级串联式数控移相器原理2.2 电路图实现根据原理图构建的数控移相器如图6所示,见本文后。电路共有两部分组成:数字控制电路与串联式移相单元电路。数字控制电路由发光二极管、三极管(S 9 0 1 8高频管)和通路开关组成。当开关未打开时,发光二极管受VC C作用发出中等光亮;当开关打开,三极管基极接入正向高频脉冲信号,发光二极管两端压降升高,发出强光。下方差分电路的控制信号端接入经三极管传导而来的高频脉冲信号,移相单元电路导通。串联式移相单元电路由八级移相单元和限幅输出器组成。移相单元主体是差分放大电路,输出端由电阻和电容构成的R C电路组成(9 0 移相单元接L C电路),1 8 0 移相单元由两个9 0 移相单元串联构成。上级移相单元输出端接下级移相单元输入端,级间接理想电容,防止直流信号影响电路工作。图6(见 后 文)中 从 左 往 右 移 相 量 依 次 为9 0、4 5、2 2.5、1 1.3、5.6、2.8、1.4、1 8 0。为简便表示,详细显示了4 5、9 0、1 8 0 三级移相电路,其余0 4 5 移相单元由于电路构造与4 5 移相单元相同,故只列出相应参数,省略具体电路图。为了防止输出信号幅值过小,用单个放大三极管和一个差分放大电路级联组成限幅输出放大器,提高信号能量输出。3 软件仿真与实验测试3.1 M u l t i s i m仿真 利用M u l t i s i m软件进行电路仿真,由于该软件的元件库中不含S 9 0 1 8高频管,考虑到2 N 2 2 2 2三极管与S 9 0 1 8具有相似的高频特性,仿真中运用2 N 2 2 2 2型器件进行了代替。4 5 移相单元电路如图7所示,开关电路S 1调节控制电压输入,交替接高电平、接地模拟脉冲输入,实现移相通路的切换;移相电路由R C电路(R 1 3、C 5)或L C电路(L 1、C 5)组成,实现不同移相量要求下的移相输出;电阻R 1R 1 1在各通路中承担分压作用,R 1 2为输出电阻,电容C 1C 4是理想电容,C 6用于级间隔直通交,屏蔽干扰信号。图7 4 5 移相单元电路图在差动电路中Q 1基极接脉冲控制信号,Q 2基极接地。当脉冲信号使Q 1处于导通或截止状态时,Q 2与之相反。输入信号轮流经过两个三极管及其移相通路,交错产生两种移相量,从差动电路输出的信号移相量即为此两种移相量之差。19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 图8 4 5 高、低电平下仿真结果 图8是移相量4 5 在高、低电平下的仿真结果。其中蓝色曲线为基准信号,红色曲线为移相输出信号。测量相邻两波峰的时间差t1、t2,根据(1 1)式,移相量的测量即转化为对时间差的测量。以移相量9 0 为例,已知信号周期为2 0 n s(5 0 MH z),时间差t1、t2分别等于-4.5 9 0 n s、-9.5 9 0 n s(示波器光标测量),可得高低电平下t1、t2是周期的四分之一(5 n s),可知移相量为9 0。4 5 及其他移相量的精度测量可通过同种方法验证。3.2 硬件实现测试根据提出的数控移相器理论原理图和电路图,设计的数控移相器硬件实现如图9所示。图中,上方是移相单元电路,下方是数字控制电路,移相单元所用三极管均为S 9 0 1 8型高频管。移相单元电路左右为输入输出端。数字控制电路有手动移相控制开关,分别对应8个移相单元和L E D发光管。自动控制端是用于自动调整相位的开关,自动控制端左侧开关用于控制自动移相功能的启动,右侧两开关用于调整移相速率。移相开关是电路总开关。电路还配置有蜂鸣器,可以将电信号变化转变为声信号变化,易于感受相位移动。图9 数控移相器实物图实验中的移相参数测试采用示波法,即利用示波器显示移相器的输出波形在移相控制前后的波形变化,读取各项参数,测试系统连接如图1 0所示。图1 0 测试系统连接图参数读取原理为:当控制某级移相器工作,产生一个移相时,波形会向前移,获取初始信号A的相移信号B的时间差,即t,可得实际移相量。每单独拨动一位码开关,可通过B通道波形变化读取各单级移相器的;依次组合拨动各位码,可检验对应移相量及总的移相范围。实物测试仪器及连接方式如图1 1所示。使用R I GO L生产的D G 4 1 0 2数字信号发生器产生5 0 MH z频率的信号,M S O 5 0 7 2示波器显示输出信号并测量移相量。此处仅展示部分代表性移相结果,如图1 2所示。当移相量为0 时,此时输出信号落后基准信号6 5 0 p s,产生绝对误差。因此当移相量不为0 时,测得时间差需要校准,所得校准值即为真实移相量。总的来说,从图1 2中可以看到大于1.4 的移相量实验误差接近于0,最小移相量1.4,实验测试结果和理论仿真吻合较好,表明该集成硬件电路达到了预期效果,工作性能良好。需要指出的是,由于受仪器精度限制,信号移相量仍然存在一定误差,但均能确保误差在0.5 以内。图1 1 实物测试仪器及连接方式29空军工程大学学报2 0 2 3年图1 2 部分移相结果图4 结语本文研究了基于差动脉冲控制的R C电路移相特性,提出了一类新颖的数控移相单元,设计并实现了一种新型八位串联式数控移相器,采用M u l t i s i m软件验证了移相精度的准确性。集成硬件测试结果表明,实现的数控移相器性能良好,且最大移相量误差在0.5 以内,在移相精度上实现了重大突破。该移相器的实现采用了R C元件和差分放大电路,体现出了无源与有源结合思想的优越性。该型移相器可广泛应用于无线通信系统以及不同装备中的适时相位误差校准与跟踪,为自动化数控移相电路的发展提供重要的理论和技术支撑。参考文献1 赵涤燹,陈智慧,尤肖虎.CMO S毫米波芯片与4 0 9 6发射/4 0 9 6接收超大规模集成相控阵设计实现J.中国科学F辑,2 0 2 1,5 1(3):5 0 5-5 1 9.2 南亚琪,雷鑫,范超,等.一种61 8 GH z宽带高精度有源移相器J.微电子学,2 0 2 2,5 2(4):6 5 1-6 5 5.3陈宁,梁煜,张为.一种高精度紧凑型X波段6位数控移相器J.西安电子科技大学学报,2 0 2 2,4 9(3):2 2 2-2 2 9.4 QUAN X,Y I X,B OON C C,e t a l.A 5 2-5 7 GH z 6-B i t P h a s e S h i f t e r w i t h H y b r i d o f P a s s i v e a n d A c t i v e S t r u c t u r e sJ.I E E E M i c r o w a v e&W i r e l e s s C o m p o-n e n t s L e t t e r s,2 0 1 8,2 8(3):2 3 6-2 3 8.5 周赡成.K u波段MM I C数控移相器和数控衰减器的研究与设计D.杭州:浙江工业大学,2 0 1 9.6 J UN G M,M I N B W.A C o m p a c t K a-b a n d 4-b i t P h a s e S h i f t e r w i t h L o w G r o u p D e l a y D e v i a t i o nJ.I E E E M i-c r o w a v e a n d W i r e l e s s C o m p o n e n t s L e t t e r s,2 0 2 0,3 0(4):4 1 4-4 1 6.7 HE Z S,AN S,L I U J,e t a l.V a r i a b l e H i g h P r e c i-s i o n W i d e D-b a n d P h a s e S h i f t e rJ.I E E E A c c e s s,2 0 2 0,8:1 4 0 4 3 8-1 4 0 4 4 4.8 YAO H,WANG S,L E I M,e t a l.M a g n e t i c a l l y T u n a b l e W i d e b a n d F e r r i t e-B a s e d M e t a m a t e r i a l P h a s e S h i f t e rJ.E n g i n e e r e d S c i e n c e,2 0 2 1,1 6:3 0 1-3 0 7.9 张镇,李光超,蒋乐,等.一种高精度6位数控移相器研制J.电子设计工程,2 0 2 2,3 0(4):1 2 0-1 2 4.1 0 Z HE N G L,Z HAN G D,J I N L,e t a l.P h a s e S h i f t e r a n d B r o a d b a n d X O R L o g i c G a t e B a s e d o n E d g e-M o d e-T y p e S p i n W a v e i n t h e W a v e g u i d eJ.E u r o p h y s i c s L e t t e r s,2 0 2 1,1 3 4(3):0 3 7 0 0 3.1 1 常娟,王立志,陈长兴,等.高频数控移相器及其检测系统实验设计J.现代电子技术,2 0 1 9,4 2(1 6):4 2-2 4 6.1 2 F R AN C I S C O G A J,J UAN R G,MANU E L G C,e t a l.F r a c t i o n a l R C a n d L C E l e c t r i c a l C i r c u i t sJ.I n g e n i e r a,I n v e s t i g a c i n y T e c n o l o g a,2 0 1 4,1 5(2):3 1 1-3 1 9.(编辑:刘勇)39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图6 八位数控移相器电路原理图49空军工程大学学报2 0 2 3年