一种实现S频段射频通道相位调整的简单方法

信息通信

INFORMATION & COMMUNICATIONS

2019年第7期（总第199期）

2019

(Sum. No 199)

一种实现s 频段射频通道相位调整的简单方法

王昕

（广州润芯信息技术有限公司，广东广州510663）

摘要：文章主要介绍了一种在S 频段内对射频通道相位进行调整的简单方法。该方法主要解决了多通道射频收发应用 中在一定精度要求下确保通道间相位一致性的需求。本方法在传统微带加载线型移相器的基本原理上进行砧合具体应

用场景的改良和简化，可在0o 到20o 的范围内以5o 为步进进行相位调节，具有插入损耗小，回波损耗小，结构简单，成

本低且相对面积小的特点。

关键词:多通道射频收发;相位调整;相位一致性中图分类号:TN859

文献标识码:A

文章编号：1673-1131（2019）07-0029-02

0引言

对于射频多通道收发机来说，通道间的幅度相位一致性

是一个关键指标,直接影响后端算法的实际性能效果[1],因此 保证射频通道的相位一致性成为多通道收发机设计阶段的重 点。

1问题分析

对于多通道射频收发模块来说，制导致通道间相位差异

的因素有很多，大致可分为两类：

设计因素:主要有各个通道走线不等长，本振功分电路各

支路相位一致性不好；

器件因素:同一型号规格无源器件（包括天线阵元,电阻，

电容,电感以和滤波器等）个体间因工艺原因导致的相位差异,

PCB 板材因工艺导致的介质介电常数的局部间微小的不一致,

以及当前广泛使用的多通道收发芯片通道间因工艺造成的相

位差异；

相位校准措施通常有两种，分别为数字基带预校准技术

和射频移相技术。数字基带预校准精确度高，但对与射频前

端的传递函数需要精确测量，且系统复杂实施成本高悶，并非

所有基带都有该功能，因此终端厂家往往向频前端模块厂商

提出相位一致性指标。

射频移向技术主要由移相器实现。对于移相器从原理

上可分为：开关线型，加载线型，反射式和滤波器式，总体上

说,射频移相器是通过射频开关将移相电路在不同的阻抗状

态间进行切换实现移相目的，因此，对于一般数字移相器来 说为实现完整移相功能往往需要偏置电路和数字控制电路，

这增加了器件成本和体积还需要占用接口资源。而且若移

相器使用微带电路实现在L, S 频段往往面积较大，即使使 用单片微波集成电路（MMIC ）技术实现，面积有所缩小叫但

价格髙昂，如ADI 的HMC247和QORVO 的TPG2180SM 单价均在70美金以上,对于一般射频前端来说是难以接受 的成本。

在实际设计中，多通道射频收发应用对于通道间相位往

往有一个误差允许范围，以北斗卫星导航为例,其多通道应用 中通道间相位差的指标要求通常为10o 以内，而通常单纯因

器件引起的相位差异一般在20o 以内。因此对于此类对相位

偏差容忍度不那么严苛的应用，使用复杂而精确的数字移向

器方案显得成本过高。

基于以上几种原因，本文提出了一种基于加载线型移相 器原理的简单且低成本相位调整方法。

2电路设计

本设计以工作在S 频段的北斗一号RDSS 系统接收频段

（2491.75MH 吐4.08MHz ）为例，设计一个以5o 为步进，最大移

相20o 的简单移向电路，能够极大的方便多通道射频模块的 相位校准效率。该方法基于加载线移相原理。

加载线型移相器的基本原理如图1所示,其基本单元由2 个并联电纳与中间一段四分之一波长传输线构成。

图1加载线型移相器原理电路及其等效电路对于传输线上一个并联电纳，其引起的相位变化为：

A® = tan'（b/2） （1）

其中b=ZoB,为归一化电纳，这就是加载线移相的基本原

理。加入2个间隔点长度0为1/4入并联电纳目的是为了整个 二端口网络的匹配，因为从直观上看，在网络的端口处，两个

电纳产生的反射波相位刚好相差20=1800,即两者会因反相抵 消使端口的回波损耗最小叫

因此在实际应用中加载线型移相器使用两个并联电纳为

一个移相单元调整一个相位，每个电纳由微带短路短截线实

现，通过PIN 二级管射频开关并联至传输线上,通过控制两个

PIN 管的导通和关闭，使得每组并联电纳呈现两种相移状态△

©+和△©-,则该组移相单元的实际相移量△©=△«+-△«-% 通过图1左右两种模型的ABCD 矩阵等效，可以推导出单个

加载线型移相单元的设计参数：

B+ = Y 0{sec^-cosO + tany ） （2）

B_ = Y （）（sec 号cos® - tan 乎）

（3）

其中B+和B-分别为开关闭合及打开时的等效电纳,为 相移量,e 为电纳之间的传输线电长度。

通过分析上述一个普通的加载线移相单元的设计，可以

看出其应用中需要偏置电路和控制电路来控制PIN 管的通断, 而且需要一组电纳才能实现一个步进的相移，这样若想实现

最大移相20o,步进为5o 的设计目标，其需要至少3组电纳（3-

Bit 数字移相器），其电路总长度将超过53mm （RO4350B 板材

上四分之三个波长的电长度）。

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信息通信王昕:一种实现S频段射频通道相位调整的简单方法因此要想简化加载线型移相器，必须从电路结构和尺寸

两方面去考虑。从加载线型移相器的基本原理可知单个电纳

即可实现相位移动，两个一组使用是为了端口匹配，因此可以

在能保证S参数在一定指标范围内的前提下，可以用单个电

纳作为一个移相单元。这里使用并联开路短截线作为并联电

纳使用，短截线的电长度和电纳的关系为：

e=tanT(b)(4)

对于函数f(x)=tanT(x),当|f(x)|取值(单位:弧度)很小，

在［-0.3,0.3］之内时,可近似得到:f(x)~x,因本设计中移相

步进为5o~0.04rads,满足上述要求，由式(1)和式(4)联立可

得：

AG5/2(5)

上式表明单个并联开路短截线产生的相移为短截线

电长度的一半，该式可作为为单个电纳移相单元的设计公

式。

同时为了简化电路，可以将控制电纳通断的PIN二极

管开关更换为非频率敏感器件0欧姆电阻(小封装)，通过是否贴装该电阻来调试相位。完整的移相电路如图2所示：

图3移相器相位和S参数电磁仿真结果图3每一条曲线都代表移相器在1个相位状态下的相位和S参数，表2为其性详细性能参数汇总。

表2124MHz带宽内移相器性能参数

Bl(B2 <----------------->步进相移移柑精度

S2lmax

(dB)

S|Imax

(dB)

S22MAX

(dB) 00°-・0」-25-25 15°±1°・0」-22-22 210°±1°・0」-26-26 315°±2。・0」-19-19 420°±2°・0」-18-18

图24段式移相电路示意图

该移相电路在一段传输线两端各并联一组相同的开路短截线(B1-B4)作为调相电纳，每个短截线独立实现一个步进的相位变化，调相时根据需求通过0欧姆电阻联通所需数量的开路短截线即可实现n△©的相移(n=0,1,2,3,4)，其中n为接入到传输线上的短截线个数，△①为单个短截线实现的相位偏移。

为确保电路输入输出满足相应要求，两组并联短截线之间的，传输线长度需要通过仿真软件优化确定，根据设计经验,其长度接近"8时，两端整体匹配较好，本电路完整的设计参数如下表所示。

表1移相电路设计参数

频点Z b Zi0B0i 2492MHz50Q62Q10°40°

其中:Z b为并联开路短截线的特征阻抗;Z为中间传输线的特征阻抗,0B为开路短截线的电长度,d为中间传输线的电长度。

3仿真结果

将图2所示电路使用表1所示参数在ADS2016中利用Method of M omnent仿真器进行版图电磁仿真可得到如图3所不结果。

由表2可以看出该移相器以2492MHz为中心频点，124MHz带宽内均能实现以5o为步进，以内实现±10的移相精度，在10o到20o以内实现±2o的移相精度，且在带宽内具有低插损，低回波损耗的特点。电路总体尺寸为llmm*6mm<,

需注意的是在实际使用中，当需要获得10。相移时，为获得最佳的匹配性能需接入位于传输线同一侧的并联短截线，以图2为例，此时要么接入B1与B2,要么接入B3与B4。

4结语

本文设计了一种在S频段上实现以5o为步进，最大相移20o,工作带宽124MHz的微带移相电路并进行了仿真验证,其可以将最大30o的通道间相位差异校准到10。以内。该电路结构简单,成本低，无需额外电路,尺寸小，为S频段多通道射频前端电路的相位调试和校准提供了低成本高效率的解决方案。

対文献：

［1］王晓光.变频多通道通带相位一致性控制研究［J］.通信技术,2018年10期。

［2］路斌.新一代宽带、小型化、多通道发射若干关键技术研究［D］.上海:上海交通大学,2013。

［3］陈瑛.一种改进的射频相位校准方法［几电讯技术,2007年04期。

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