x波段數字移相器的ads設計

1微波移相器在軍事上的仿真研究微波采集裝置是一種微波控制電路，其主要功能是控制微波信號的相位，以滿足系統的需要。基于微波移相器廣泛的應用領域,尤其是在軍事方面的應用,進行高性能高移相精度的數字移相器的仿真研究就具有非常重要的意義。Agilent公司的ADS軟件具有完整的設計和仿真優化功能,能快速有效地設計仿真出需要的電路,可以大大提高設計的成功率,從而減輕設計者的工作量。2相移動相器設計2.1均方根相位誤差工作頻率:9.5~10.5GHzRMS(均方根相位誤差):<3°插入損耗:<5dB插入損耗最大變化:±1dB回波損耗:<15dB承受功率:≥20W(連續波)2.2零偏和反向偏置狀態PIN二極管作為開關元件進行控制,具有相移精度高、功率大、體積重量小、開關時間短、控制功率小、對溫度變化的穩定性好等優點。在正向偏置狀態下,PIN二級管管芯的等效電路如圖1(a)所示,其中Rj為I層的電阻,Cj為正向注入的載流子在I層邊界上產生電荷儲存所引起的擴散電容,Rf為電極和引線電阻。在零偏和反向偏置狀態下,PIN二級管管芯的等效電路較復雜,需根據電壓的大小分情況討論:(1)在零偏壓和反向電壓較小時,小于穿通電壓VPT,其情形如圖1(b)所示,其中耗盡區以電阻Rj和電容Cj并聯來表示,非耗盡區以電阻Ri和電容Ci并聯來表示,而Rf為電極和引線電阻。(2)反向偏置電壓大于穿通電壓VPT,此時I層完全穿通,其等效電路如圖1(c)所示,其中以電阻Rj和電容Cj來表示耗盡層,而Rf仍為電極和引線電阻。2.3元加載形式與傳輸線串聯或并聯的任何電抗,都會引入相移,移相器電路5位分別為180°,90°,45°,22.5°,11.25°。在0°~360°間以11.25°為步進形成32個移相。180°,90°采用開關線式,圖2(a)為開關線式原理圖,為了避免插入損耗諧振現象,使用電容連接適當長度的接地線對斷開支路加載,使其在工作頻段內遠離諧振峰;在移相的整個過程中,移相器的輸入端和輸出端之間一直處于導通狀態,因此就要求在兩種狀態下輸入端都要良好匹配。此外還要求兩種移相狀態下插入損耗很小,并且盡可能相等,否則兩種狀態下輸出信號大小不同引起寄生調幅;兩條傳輸線相互距離要足夠遠,以避免相互耦合造成衰減和相位誤差。45°,22.5°,11.25°采用負載線型,因為負載線型電路形式簡單,引入電路的插損小,小角度移相時的駐波低,移相精度較好和峰值功率容量大,圖2(b)即為二元加載形式移相器。負載線間距離為1/4波長,這樣可獲得最佳電壓駐波比。在形式上采用主線加載開路支節的形式,這樣高阻抗狀態下的電容Cj和低阻抗下的電感Ls就直接用作B1和B2,電納由式(1),式(2)給出:其中L=Ls+Le,Le為與器件串聯的外接電感。采用主線加載開路支節的形式在以后的調式中便于調試。5個相移位呈線形級聯布置。2.4基于fpga-l的動態測試方法ADS具有強大的算法及隨機梯度等優化方法,能按照參數迅速仿真出需要的電路。從而大大減輕設計者的工作量。本電路是在介電常數εr=2.2,厚度H=0.254mm,金屬厚度T=0.04mm的微帶介質基片上進行仿真的。由于工藝上要采用金絲球焊技術,金絲的電感和電阻必然會影響移相器的性能,所以在仿真中必須將這兩者考慮在內,這樣仿真結果才能更準確,可以為以后的調試減輕很大的工作量,利用導線在自由空間的電感量L的計算公式:式中:l為金絲長度;d為金絲直徑;Rs為金屬表面電阻。本電路將采用的金絲d=25μm,l=0.4mm,Rs=0.03Ω,代入計算得L=0.275nH,R=0.15Ω。在ADS原理圖仿真中直接將金絲的電感和電阻建立在二極管的等效模型中。在原理圖中,我們直接采用二極管的等效模型進行仿真。首先對每一移相位進行單獨的仿真,建立的電路仿真拓撲結構圖如圖3所示,然后將5位級聯起來仿真。圖4和圖5給出了移相器主要性能參數指標的ADS仿真結果,各項性能指標都相當優越。為了減小級聯后各個移相位間的相互作用而引起的移相器性能惡化,各個移相位的反射損耗都要小于16dB,在仿真優化時,應該對電路參數進行調整以獲得最佳的仿真結果,不能簡單套用所要求的設計參數,所以將每一移相位反射損耗優化值設為17dB,5位級聯仿真結果仍然基本優于15dB,見圖5。均方根相位誤差計算公式:式中φi為所測各態的相移量,φ0為各態的標稱值,本電路中n=25=32,在ADS數據顯示窗口建立RMS的表達式即可獲得在工作頻段RMS的情況,從圖5直接可以看出均方根相位誤差整個帶內基本上都小于3°,除了9.6GHz以下頻段稍微高出一點外,這樣基本符合要求。3先局部再整體對仿真出來的五位移相器要根據實際情況,進行必要的結構調整,這樣才能使電路具有實用性。仿真時,要采用先局部再整