六位数字移相器的设计

六位数字移相器的设计龚敏强电子科技大学电子信息工程学院，成都（610054）E-mail: gmq0554@摘要：本文介绍了一个用在预设真线性功率放大器中的6位数字移相器的工作原理和设计方法以及测试结果。

该数字移相器采用PIN管作为开关元件，移相器的前3位采用高低通滤波器式移相器实现22.5° ，11.25°，5.6°的移相，后3位采用开关线式移相器实现2.8°，1.4°，0.7°的移相关键词：数字移相器，开关线式移相器，高低通式移相器，PIN二极管1．引言移相器的主要功能就是改变传输信号的相位，以满足系统的要求。

移相器一般分为模拟移相器和数字移相器两类，模拟移相器对相位联系可调；数字移相器的相移是量化了的，即其相位只能阶跃变化，移相位数越多，对信号相位的控制也越精细。

移相器的应用很广泛，比如各种通信系统和雷达系统，微波仪器和测量系统，还有各种工业用途中。

在各种的线性功率放大器中，也少不了移相器。

本文中所设计的6位数字移相器是用在一个数字预失真功率放大器的一个部件。

预失真技术是在信号放大之前对信号按照一定的规律进行“预先失真”，以便最终输出信号中的失真分量尽可能地小，对功率放大器的线性化起到很好的效果。

预失真技术在电路中就表现为增加了一个预失真器。

这个预失真器的作用就是产生与原信号相对应的失真信号。

因为这种失真是在信号被放大之前，故称之为“预失真信号” 。

预失真技术按预失真模块在信号流程中的位置，可以分为（RF）射频预失真、IF（中频）预失真和基带预失真【1】。

本文所涉及的数字预失真功率放大器系统结构如图1所示.在这个系统中输入信号与输出信号经过功率检测后，输入到DSP中，根据信号的功率大小和温度的大小，经过预失真算法计算出所需要的预失真量，然后通过控制数控衰减器和数字移相器对传输信号进行控制以达到系统所需的线性度要求。

本文所设计的6位数字移相器的功能就是在控制信号的控制下对信号进行不同大小的相位变化以达到系统所需的相位线性度要求。

图1 数字预失真功率放大器结构图2．移相器的结构与原理2.1 PIN 管开关特性PIN 二极管作为开关元件进行控制,具有相移精度高、功率大、体积重量小、开关时间短、控制功率小、对温度变化的稳定性好等优点。

在正向偏置状态下, PIN 二级管管芯的等效电路如图2 (a) 所示,其中Rj 为I 层的电阻, Cj 为正向注入的载流子在I 层边界上产生电荷储存所引起的扩散电容, Rf 为电极和引线电阻。

在零偏和反向偏置状态下,PIN 二级管管芯的等效电路较复杂,需根据电压的大小分情况讨论:(1) 在零偏压和反向电压较小时,小于穿通电压V PT ,其情形如图2 (b) 所示,其中耗尽区以电阻Rj 和电容Cj 并联来表示,非耗尽区以电阻Ri 和电容Ci 并联来表示,而Rf为电极和引线电阻。

(2) 反向偏置电压大于穿通电压V PT ,此时I 层完全穿通,其等效电路如图2 (c) 所示,其中以电阻Rj 和电容Cj来表示耗尽层,而Rf 仍为电极和引线电阻【2】图2 PIN二级管管芯等效电路2.2 高低通滤波器式移相器高通\低通滤波器式移相器，是由开关线移相器发展而来，开关网络由高通和低通式滤波器组成，其结构如图3所示。

当信号通过高通滤波器时，其相位超前；而当信号通过低通号通过低通滤波器时，其相位滞后，信号在两个滤波器电路之间转换，从而改变传输信号的△〕,Xn= 相位，图中∏型电路中Bn=tan〔Φ/4△〕, T型电路中Bn= sin〔Φ/2△〕,Xn=sin〔Φ/2△〕【3】。

tan〔Φ/4图3 高通/低通滤波器式移相器结构图（a）∏型（b）T型2.3 开关线式移相器开关线式移相器是基于延迟线电路理论的一种移相器，其结构图如图4所示。

L1和L2是两段不同长度的微带线或者同轴线，还可以是其它类型的传输线。

图4 开关线式移相器结构图（a）开关串联配置（b）开关并联配置由S11,S12,S21,S22开关的断开和闭合来控制信号的传输路径是L1，还是L2。

由于L1和L2的长度不同，引起信号传输路径的不同，从而实现相位移为△Φ=β（L2-L1），β为传输线的传输常数。

【3】2.4 λ/4传输线集中参数等效电路在实际电路中，要在开管二极管与移相网路之间加入λ/4传输线来提高两条支路之间的隔离度，但是在低频率的情况下，λ/4传输线的物理尺寸太大，实现的代价太大。

因此，最好地解决这个问题的方法是使用单频等效的集中元件来代替λ/4传输线，其结构如图5所示。

【4】图5 λ/4传输线集中参数等效电路3．移相器的设计仿真及优化本文所设计的数字移相器中心频率在127.5MHz，带宽为1MHz，工作频率低而且是一种窄带工作模式，所以选用高低通滤波器式移相器实现22.5° ，11.25°，5.6°相移，而选用开关线式移相器来实现小步进的2.8°，1.4°，0.7°相移，λ/4传输线的物理尺寸太长，实现的可能性很低，而需要用集中元件来代替。

PCB电路板基片采用常用的FR-4，厚度为H=0.8mm，金属传输线厚度T=0.05mm。

其中高低通滤波器式移相器的完整的电路图如图6所示，采用串联式结构，PIN二极管选用HSMP3892Ⅱ型芯片，HSMP3892Ⅱ型内部含二个串联的PIN对管。

由于采用了λ/4传输线的集中参数等效电路，所以整个结构变得有些复杂。

把设计好的电路用ADS进行仿真，在仿真电路中PIN管正向偏置的时候使用一个几欧的电阻来代替，反向偏置的时候用一个大电阻和串联的电容来代替，仿真结果如图7所示，图中a=phase(S(2,1))-phase(S(4,3))，b=dB(S(2,1))-dB(S(4,3))，S(2,1)是高通网路支路导通，低通网路支路截至时的传输系数；S(4,3)则是高通网路支路截至，低通网路支路导通时的传输系数。

图6 高通/低通滤波器式移相器的实际电路图图7 22.5° ，11.25°，5.6°高通/低通滤波器式移相器仿真图开关线式移相器的完整的电路图如图8所示，图中采用串联式结构，PIN二极管选用HSMP3892Ⅱ型芯片，HSMP3892Ⅱ型内部含二个串联的PIN对管。

L1、L2采用同轴线，它△电路图中L1都取1cm，则2.8°，1.4°，0.7°对应的L2们之间的长度差为L2-L1=c/λ*Φ/360,分别为：2.83cm,1.92cm,1.46cm. 把设计好的电路用ADS进行仿真，仿真结果如图9所示，图中a=phase(S(2,1))-phase(S(4,3))， b=dB(S(2,1))-dB(S(4,3))，S(2,1)是L2支路导通，L1支路截至时的传输系数；S(4,3)是L1支路导通，L2支路截至时的传输系数。

图8 开关线式移相器的实际电路图图9 2.8°，1.4°，0.7°开关线式移相器电路仿真图4．实际电路测试结果在整个系统中，对移相器的要求主要是移相步进要小（小于1度），两支路之间插损平坦度小于±0.5dB，为了测试所设计的6位数字移相器能否达到系统的要求，按照设计的电路图单独制作了一个6位数字移相器来进行测试，电路中所有的电感全部为高Q值的线绕电感，RFC经过测试选择500nH的电感就能满足要求。

在调试开关线式移相器时，调整L1,L2两条同轴线的长度是很困难的，所以为了解决这个问题，就在所有L2的支路上在同轴线附近并联一个小电容（如1pF），调整电容的值就可以达到所要求的移相量，这样比调整同轴线要方便，同时同轴线长度的精度要求就可以降低了。

在调试中发现λ/4传输线的集中参数等效电路对电路的插损影响很大，同时发现λ/4传输线的集中参数等效电路的对称性影响移相的精度，如果可以就不要了，也可以使用均衡网络来代替，这样插损可以变得很小，但电路要变得更加的复杂。

使用HP8714ET矢量网络分析仪来进行测试，最后的测试结果如表1所示。

仪器显示的相位曲线抖动很厉害，读数时就取了下小数点后的一位。

表1 测试数据第1位第2位第3位第4位第5位第6位相移23.1° 11.5° 6.1° 3.1° 1.5° 0.9°0.25 0.28 0.31 0.02 0.05 0.01 插损平坦度（dB）表1中的数据为中心频率的测试数据，，总体插损为12dB，频带内的插损比较平坦，小于±0.5dB，在整个频带内相移也是相对比较平坦的，总的变化小于1°.5．结论本文给出了6位数字移相器的结构原理图，并对其用ADS进行了仿真，从仿真上看完全能满足系统的要求，然后根据仿真结果制作PCB板并在实验室里完成组装和调试，经过调试和最终的测试，基本能够符合系统的要求。

参考文献【1】唐浩，功率放大器数字预失真系统的实现[D]，四川成都，电子科技大学，2006。

【2】凌 伟,张玉兴，基于ADS仿真设计X波段五位数字移相器［J］，现代电子技术，2007第七期，1004- 373X(2007) 07- 094- 03。

【3】王志刚，中频、微波数字移相器研究[D],四川成都，电子科技大学，2006。

【4】Andrei Grebennikov 射频与微波功率放大器设计［M］，张玉兴、赵宏飞译，电子工业出版社，2006。

The Design of 6 bit digit phase shifterGong MinqiangUniversity of Electronic Science and Technology of China, Chengdu (610054)AbstractIn this paper presents a true default by the linear power amplifier in the six figures phase shifter works and design methods and test results. The number of phase-shifter as the use of PIN switch components, the first three bit phase shifter using High and low pass filter-phase shifter to achieve 22.5 °, 11.25 °, 5.6 ° of phase-shift, after a three-phase-shift switch line Implementation 2.8 °, 1.4 °, 0.7 ° of phase-shifting.Keywords: Digital Phased shifter, Switch-line phase shifter Phased shifter, High and low passes filter-phase shifter, PIN diode作者简介：龚敏强，男，1982年生，电子科技大学硕士研究生，主要从事射频、微波电路与系统方向的研究。