模拟式360°线性移相器原理与应用.pdf

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l6激光与光电子学进斌2000年第2期（总第410期）女-_0i装置与元器件l*牛*牛节-节-牛帚模拟式360。

线性移相器原理与应用c一型】集成光电子学国家重点联合实验室吉林太学实验区吉林大学电子工程系，长春1300231l信息产业部电子十三所长春l3。

o23J提要介绍了模描式36o线性移相器的基本原理及优化_蛙汁方法分析和讨论，主要技术指标的物理意义和技术规范。

利用优化设方法设计的360线性移相器线性度优于士177工作带宽500MHz，并在同步移相扫描应用中获得了满意的效果。

模拟式36,0。

线性移相器是一种电压控制型连续线性移相的微波器件。

它在光学相干检测和电光采样系统中同步移相扫描等领域有重要应用。

在电路结构上，通常有单片集成和混合集成两种形式。

前者适用于较高的微波频段，而后者适用于较低的微波频段模拟式360。

线性移相器有四个主要生能指标：

1）移相范围大于360。

：

2）线性移相控制特性；3）均匀的插入损耗；4）宽频带工作特性。

在设计上，上述四项指标通常是矛盾的，很难兼得本文所设计的模拟式360谶性移相器以双变容二极管为反射终端，采用复合微波介质基片分布参数混合电路形式和环行器与反射终端盒独立分开的机械结构，取得了较好的性能指标。

在实际应用中，它具有成本低、工作稳定、操作灵活、便于微机控制的此项研究由国家自然科学基金项目（66。

1）和博士点基盘珥日（970182】1）资助收穑日期：

1999一O812收到修改稿日期：

199910081暾，优点本文首先分析模拟式360线性移相器的基本原理，然后讨论四个主要性能指标的物理意义及技术规范，最后以电光采样系统为例，介绍模拟式360。

线性移相器在同步移相扫描技术中的典型应用2反射型模拟移相器原理21基本的反射型模拟移相器用变窖二极管作传输线终端能够连续改变传输线上反射波的相位，将接有这种终端的传输线与环形器配合，就构成了反射型模拟移相器J，其原理如图1所示。

设终端负载阻抗为x+则反射系数r为一=一墨!

二一ZL+ZoJX+Rj+Z0=r一（21）如果忽略变容二极管的串联结电阻R，则rl一1，妻）-】（妻）一一2tg（争）一2g一（22）其中xxxc，x=X=维普资讯http:

/激光与光电子学进展2000年第2期（总第410期）17X为归一化电抗，Zo为传输线特性阻抗。

反图l反射型模拟移相器原理图、l【086一l一2O2l68一1、一图2反射角与归一化电抗的关系射相角与电抗的关系曲线如图2所示。

由图2可知，归_-化电抗的变化范围决定了移相范围实际上为变容二极管的引线电感，引线长短_-经确定，L即为常数，因此，出一警一一一一l=一J：

1cr一是j。

又变容二极管截止频率为l吡一变容二极管的变容比为M一乙tmn于是，一1J1一面1）一一面1Zf2）lM可见，山!

与工作频率成反比，与截止频率成正比，M越大，也越大，亦即移相范围却也越太。

若考虑变容二极管串联结电阻R的影响，则相应反射系数r的模变为一令一亍R5为归一化电阻，则r通常1，所以焉=3ZT-1，所一舞c，-e而此时相角变为一（南）一tsf南）一2tg一（1】【27）电阻R|反映了变容二极管的功率损耗，一PD=1一管一1一IrlI：

、一P一P一iP一i一【28a）式中只和Pr分别为二极管的八射功率和反射功率，P为二极管消耗功率。

由（25）式一一（28b一0时，一1一i（丽R,-Zo）2：

4（z。

足）22线性化问摩由微波传输线理论终端短路线为时，一夏，维普资讯http:

/18激光与光电子学进展2000年第2期（总第410期）其归一化电抗为妻（）。

一一=为有效波长。

将（29）式代入Er（22）式，一一ztg一一zz其中，：

23为相位因子。

若考虑极管归一化电抗为电压的正切函数，则相移就与电压成线性关系，即=tg（一kV+）则由（22）式，一2tg-1；一2（-hV1（21O）由于变容二极管的电容为C一V2=为归一化电压，V为接触电位差，所以一上Z0一ZonCZo一一一ABV：

Zn“LZ0（2、l1）其中，A一，B=1采用优化方法选择A、B，可使变容二极管实际归一化电抗曲线逼近理想正切归一化电抗曲线，即可实现线性移相，即若ABV：

tg（-hV+0D且令=芸，则由（21。

）式V：

O时，=一2以V=1时，一一2所以，却=即最大相移为180。

23360。

移相问题用特性阻抗为的年传输线连接两个相同的变容二极管+就构成了360。

移相器原理如图3所示。

图3360移相器原理夸口=一4-在参考面了1处，二极管D和的归一化电抗分别为，詈j所以在参考面丁处的总电抗为妻一一扣圳g口4-tg（a一）所高tg（2夸z一辱，则：

芋：

tg

（2）代入（22）式+=一2tg一z：

一4=一4（kV+）围此移相范围扩大了一倍+从而实现了360。

移榍。

24移相器的制作根据上述关于360。

线性移相器的理论分析结果+原则上已经可以进行移相器的设计。

由于移相器工作在微波频段+所以在工艺上采用复合微帔介质基片制作混合电路线路板+选用微带封装的变容二极管+经焊接、安装和调试即可。

限于篇幅，本文不能详述全部工艺过程，下面给出一般制作步骤：

1）给定中心频率+忧化参数A、B进而选择报管参数2J根据微带电路理论，设计包括偏置电路的印版图。

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/激光与光电子学进展2000年第2期（总第410期）193）经照相、制版、光刻、腐蚀等工艺过程，制成电路基片。

4）焊接二极管并将混台电路基片装入专门设计的腔体中再进行测试调整。

3主要性能指标的讨论31线性度线性度描述移相器在指定的移相范围内，其相移卸与控制电压之间的线性关系。

任何一个实际的移相器都很难做到理想的线性。

因此，线性度表示AgV曲线的非线性程度。

所以有些文献中也常称这一指标为非线性度0。

图4是一典型的移相特性曲线，关于线性度的定义尚无统一规范。

文献13中采用的是o。

和360。

两端点处误差为零条件下定义的线性良图4侈相器特性曲线=i11o0l3l1）其中【I是实际曲线与过o和360。

两点理想直线的最大偏差。

与此定义类似的另一种定义也是规定0呷口360两点处误差为零，即线性度为LEi1】。

32）其中和分别为实际曲线与过0和360。

两点理想直线的误差极大值和极小值。

由于这两种定义方法尚不能全面描述移相特性曲线的线性程度，我们提出采用线性拟和的最小二乘法来定义线性度。

设却为实际移相特性曲线与拟和直线的最大偏差。

则IjLE一】O0（33）o0u采用（33）式的定义，在曲线的两端点处偏差不一定为零。

但它却能在整体上描述曲线非线性程度。

还有不同的公司或厂家均有自己的线性度定义，在选购时必须注意。

在实际应用中，孤立地论及线性度是不全面的，定要说明采用何种方式定义线性度例如，我们所设计的线性移相器，其移相特性曲线如图4所示，按（31）式、（32）式和（33）式定义的线性度分别为271、士354和177。

32额带宽度在（21】）式中，移相器优化参数A、B均为频率的函数，给定中心频率后，则有唯的一一对、B值。

反过来，、B值确定后，当频率偏离中心频率时，A、B不再是最佳值，因此移相器的线性度要变差。

移相器的带宽定义为在指定的移相范围内，线性度下降至允许值时（通常为lo）的工作频率范围，因此在不明确移相范围和线性度的情况下，移相器的带宽毫无意义。

有些文献取中心频率的10作为工作带宽3，可见带宽与中心频率有关。

33插人损耗由（28b）式知，变容二极管的插入损耗包括两部分，一部分是由串联结电阻R引起的固定部分，一部分是由于可变电抗引起的可变部分。

也就是说移相器在随控制电压移相时，其插入损耗不是常数。

再考虑到环形器引入的固定插入损耗，移相器总插入损耗将是变容二极管插入损耗和环形器固定插入损耗之和。

通常插入损耗有几种定义，一种是最大插入损耗，但这对相位可调移相器不够全面。

另一种定义是用平均插入损耗和插入损维普资讯http:

/20激光与光电子学进展2000年第2期（总第410期）耗波动（attenuationripple）来共同描述插入损耗的特性。

对于可变移相器而言插八损耗波动将是影响实际应用的一个重要指标4线性移相器与同步移相扫描线性移相器的典型应用是电光采样系统中的同步移相扫描。

电光采样是非接触测量高速信号波形的有效手段。

其中波形显示的方法之一是同步移相扫描。

它的基本原理是利用微波测试信号的同步信号驱动激光器产生同步激光脉冲。

用此光脉冲再对测试信号进行变换采样。

由于二者保持同步关系，采样值为某一相位点的固定值。

如在02范围内连续改变测试信号的相位。

则采样点将扫描整个信号周期。

设微波测试信号为（f）=COS【ot+儡）（41）同步采拌光脉冲为P）=（fnT。

），T。

=一un因此采样信号为“）一V（）P（f）（42）=eos（t7）当微波测试信号V，（f）通过一个360。

线性移相器后再加入系统时，测试信号变为（f）=DeOSEt十f）+佩=DcosEot4-KV4-佩（43）其中，D为移相器引起的衰减系数，）=KV为移相特性函数。

于是采样信号变为V（f）=Dcos2nn+KV+（fHr。

）一DcOSKanTo+“一）【44）71叉设N，Ts为扫描锯齿波周期，则N即为在一个扫描周期内完成的采样点数。

由上式可知采样间隔为出一mToKa（n1）ToKaTot4-5）其中为特性曲线的斜率，。

为扫描锯齿波电压的斜率。

由于上述采样过程是在个周期内取得个采样点，所以这种采样方式属于重复采样，而不是一般意义下的实时采样同时，通过重复采样，恢复出原信号，相当于把快速信号变成慢速信号、所以又称变换采样。

实际采样光脉冲不可能是函数，通常总有一定宽度，但理论分析结果是一样的。

图5是同步移相扫描波形，测试信号频率为1，2GHz。

采用自行设计的模拟式360。

线性移相器，其移相特性曲线如图4所示。

按（33）式定义的线性度为l，77，线性度为10的工作带宽为500MHz。

若线性度变差或插入损耗波动变大时，扫描的正弦波将出现明显失真。

当移相器的插入损耗不为常数时，其衰减系数D也不再是常数，而是随扫描电压而变化（通常称为寄生调幅），从而导致扫描波形失真结论图5同步移相扫描波形通过模拟式360。

线性移相器原理分析，得出优化设计的数学模型，为进一步改进模拟式360。

线性移相器的设计提供了理论依据。

基于本文的原理分析我们设计了一个实际的模拟式360。

线性移相器，其四项主要技术指标碍到了很好的兼顾。

模拟式360。

线性移相器的主要技术指标尚无统一规范。

本文在总结了各种定义的基础上，也提出了自己的有关定义，为移相器的选择和应用提供了维普资讯http:

/激光与光电子学进展2000年第2期（总第410期）21参考。

同步移相扫描是模拟式360。

线性移相器的一种重要应用。

通过同步移相扫描原理可以看出、移相器的四项技术指标对扫描效果是至关重要的。

参考文献1RVGarvr360ctorlinearphasemodulatorIE雎一1969MrTl7（3）：

1371472Modeski，35GHz-r0ranMoguephasemodula“inmegzatingwaveguidetechnoLogyElectron，l98622（17）7s27633BTHhA360reflectiontypediode【Jham耐ultoIEEET1971，MTT一19（）133l094田小建表茂斌等，倍辐移相扫描法电光采样测量缸外与毫丰波荦报，1997，16（3）：

18919ZPrincipleandApplicationofAnalogue360。

LinearPhaseShifterTianXiaojianLiuYueZhangDarningYiMaobin（StateKe）rLabOratory0nIntegratedOptoelectronics，JitinUniversityRegion，Department。

EleetromcEngineering，-itinUniversity，Changehun130023）AbstractTheprincipleandtheoptimumdesignmethodof360。

nearphaseshifterareintroduced，thephysicaldefinitionoftheprincipatechnicalspecificationisanalysedanddiscussedA360。

hnearphaseshifterwithlinearityof177andbandwidthof500MHzusingoptimumdesigningmethodisdesigned，andagoodeffectintheapplicationofsynchronousphaseshiftscanninghasbeenacquired7_1引言在不同金属加工工艺过程中，以舍钕激活介质为基础的固体激光器用得最广。

在一系列应用中，例如打孔、标记、表面台金化处理等，广泛应用脉冲一周期激光器n。

在加工金属时，多半用功率密度高于10wEll&和重复频率为几十至几百千赫的激光进行汽化，这种激光是对激光腔进行Q调制时获得的。

实际上，这种状态也可用其他方法获得，罨翻互声光Q调制，这种方法实现起来比较复杂并需要缩短聚焦辐射在声光盒中的转换时间，从而限制了束负荷。

纳秒脉冲的多峰振荡可较简单地用激光被动Q调制来获得，不管这种激光器是脉冲抽运还是连续抽运。

文献。

46列举了用具有，色心的非线性吸牧晶体LIF进行Q调制的结果。

文献7中，对工业用Nd：

YAG激光器，在脉冲一周期抽运时，这种调制用LiF晶体实现。

这种维普资讯http:

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