應Hugo Lin（林豐涵）邀請寫一些寬帶移相器的內容，看到這個題目自己著實沒有把握，我對移相器僅限于理論了解。但本著工程師愛鉆研的特質，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于產生誤導。文章里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。每個輻射單元背后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。這里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。由于實踐經驗不足，這里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么區別呢。我的理解如下：

基礎公式：△φ=ω·△t
移 相 器：△φ恒定，則△t和ω成反比
延 遲 線：△t恒定，則△φ和ω成正比

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里實現等相位移動，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于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）是矢量調制移相器的基本原理，采用了正交矢量合成來產生移相。

圖1、移相器的實現方式

個人認為混合型、高低通型、矢量合成型是比較適合超寬帶應用的結構。這里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，由于△t恒定，對于大一點的相移（例如22.5°）在高頻時只能在很窄的帶寬里實現移相的相位恒定。對于超寬帶例如6~18G的情況，該方案無論在小相移還是大相移上并不理想。

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。由于自己在濾波器及分支線電橋上有一定的經驗，這里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），當并連線阻抗越高（線寬越窄）時，高通的截止頻率越低，當并連線阻抗越低（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。

認真觀察圖3（b）的結構，可以知道這是一個典型平面低通的結構，（詳細理論參考Microstrip Filters for RF/Microwave Applications第5章的內容），當并連線阻抗越高（線寬越窄）時，低通的截止頻率越高，當并連線阻抗越低（線寬越寬）時低通的截止頻率越低，從圖4的傳輸響應中可以看到圖3（b）的低通響應。

從圖3 兩個態的高低通特性分析中可知，并連線阻抗越高（線寬越窄），移相器的帶寬越寬，并連線阻抗越低（線寬越寬）帶寬越窄。如果要超寬帶應用就需要極高的并聯阻抗線，這樣工藝條件就限制了負載線移相器的超寬帶應用。同時也可以把負載線形式看成高低通形式移相器的特殊實現方式，在負載線形式的移相器中高低通共用了傳輸線結構。

· 分支線電橋觀點對負載線移相器在超寬帶應用中限制的解釋

在前期的微波筆記《貝茲孔波導定向耦合器的實現》中用奇偶模觀點解釋了分支線電橋原理，奇模電路（圖3（a）等效）實現了θ的相移，偶模電路（圖3（b）等效）實現了-θ的相移，而θ可以代表耦合度。因此一個特定耦合度的超寬帶的分支線電橋從對稱面剖開就是一個理想的寬帶移相器，但對超寬帶分支線電橋了解的人都知道，這種電橋很難用微帶線或平面電路實現，因為高阻抗線的工藝限制。

c)混合型移相器

混合型移相器一般用到較大的移相位，例如90°和180°位?；旌闲鸵葡嗥鞯耐負湟妶D5

圖5、混合型移相器拓撲圖

所示，該種結構的相移帶寬取決于兩個分功率端的相移網絡的帶寬。通?？梢詫崿F大帶寬，大相移。

如果兩個分功率端直接短路，信號從輸入端輸入，從隔離端輸出后可以產生90度相移，通過一個開關便可以實現寬帶的90°相移位。

d)高低通型移相器

高低通型移相器是通過開關高低通兩路信號產生不一樣的時延差，從而實現移相作用，通過合理選擇高低通的截止頻率和結構，可以在很寬的頻段內實現移相，例如圖5的高低通結構可以實現6~18G的一個11°的移相，一般5.6°，11.2°，22.5°的移相位均可采用高低通結構來實現。當設計這些位數的移相器時就變成了如何設計一個開關高低通濾波器。

一個移相器實際上要實現一個隨頻率線性變化的時延，高低通濾波器的時延在一段頻率內呈線性變化趨勢，合理設計和利用這一段趨勢是設計高低通移相網絡的關鍵。

圖6、高低通移相器可以實現寬帶性能

e)矢量合成型移相器

矢量合成移相器的原理見圖7所示，一個特定耦合度的90°電橋分成的兩路信號經過合成器合成后可以使信號移相，移相相位同兩個正交信號的電壓大小相關。這也是矢量調制移相器的工作原理，這種移相器可以在寬帶范圍內實現連續相移，如移相精度達到1°。

圖7、矢量合成移相器原理

3、總結

由于對移相器僅限于在理論層面的了解，只是使用過，但無實際設計經驗。根據現階段對移相理論的認知及自己在其他寬帶無源電路的經驗，分析了超寬帶移相器可能的拓撲結構，認知有限，期望通過交流自己也可以在這方面獲得更大的提升。

作者：趙強 微信號：q_zhao_ls

簡介：
2004～2011 華中科技大學 微電子學與固體電子學 碩士
2011～2015 中電29所西科微波通訊有限公司
2015~ 2018 華為技術有限公司
2018～至今 航天微電科技有限公司成都分公司

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