移相器陣列實作與量測

如圖 2-10 為單一個移相器的實體電路圖，因為要量測絕對傳播相位，所以 量測前需作TRL校正，將參考平面移動到實際設計位置。圖 2-11 為移相器在最 大(10V)和最小(0V)兩個工作狀態下的散射參數量測結果，在兩個工作電壓下的 介入損耗差值小於 1dB，而圖 2-12 為移相器可以移轉的相位，其實作結果大於 120^o，符合當初設計的結果。

圖2-10 移相器實體電路

圖2-11 移相器散射參數量測結果

圖2-12 移相器相位偏移量測結果

被動式移相器實作

依據圖2-7 的架構分別另外設計耦合器的量測結果如下圖 2-13，由圖中的量 測結果得到了三個耦合器分別為-12dB、-16dB、-20dB 的耦合量，反射損耗和隔 離埠的能量也都達到預期的需求。

圖 2-14 為三級被動式移相陣列實體電路，由圖中可以發現耦合器中間的空 隙隨著每一級越來越小，這就是為了要控制耦合量所設計的。隨著這個設計，相 位的估算也要重新設計過，使得電路在每一個埠間所延遲的相位都要相同以符合 系統的需求。圖 2-15 為三級被動式移相器陣列的散射參數量測結果，結果顯示 經由耦合器透過中間間隙的改變補償移相器的損耗之後，已經可以將各個埠的能 量補償成為一致。表2-3 的結果是分別經由各個埠進入的相位轉移量測。由表中 可以發現當移相器串接之後，每一個移相器的相位偏移可以相加在一起，所以在 埠三的輸入訊號經過三個移相器各貢獻了120^o之後可以達到360^o的相位移轉。

圖2-13 耦合器量測結果

圖2-14 三級被動式移相陣列實體電路

圖2-15 三級被動式移相器陣列量測結果

表2-3 三級被動式移相器相位量測結果

本電路所設計的放大器是利用 NE3210S01，設計的環境在 RO4003 介電值 常數3.38 的基板，依照低雜訊放大器的設計方法所實作完成。圖 2-16 是放大器

利用天線饋入耦合器的間距來調整天線饋入的能量，如此一來這三個移相器就必 須考慮到初始角度的不同而分開設計，而設計完成之後的偵錯程序也會變的更加 複雜。因此在主動式陣列中，我們使用的方法是利用一個放大器就搭配一個移相 器，如此再加上衰減器把過多的增益抵銷掉，就可以重複的使用單一個移相器單 元。圖 2-18 是移相器的實體電路與實體電路上的功能說明，由圖中可以發現因 為移相器的偏壓和放大器的偏壓是分開不同的，所以必須在每一個放大器和移相 器之間安排直流阻斷器(DC block)，而這部分的損耗也必須要由放大器的增益補 償回來。

圖 2-19 和表 2-4 在量測的結果上可以發現放大器已經成功的補償了移相器 的損耗，而且在移相器的移相功能上也有達到預期的要求。

圖2-18 兩級主動式移相陣列實體照片

圖2-19 兩級串接式移相器散射參數量測結果

表2-4 移相器相位量測對照表

移相器電壓(V) 每伏特可偏移的角度(度) 累 計 偏 移 角 度 ( 度 )

0V 0 0

1 V 13.66 13.66

2 V 14.52 28.18

3 V 20.69 48.87

4 V 22.94 71.81

5 V 17.76 89.57

6 V 17.40 106.97

7 V 13.84 120.81

8 V 11.56 132.37

9 V 10.21 142.58

10 V 9.95 152.52

如圖 2-20 中可以看到，當移相器的工作電壓改變的時候，移相器的損耗其 實不盡相同，因此在本文中運用改變放大器的電壓來動態的補償移相器的損耗：

如表2-5 左半部是放大器固定電壓下移相器的損耗。在表中可以發現移相器最大 的損耗大概發生在工作電壓5V 的時候，而移相器損耗最小的時候發生在工作電 壓10V 的時候。而表 2-5 右半部提供了經過改變放大器的電壓動態補償對照表，

對照此表在不同的移相器偏壓時提供不同的放大器偏壓(1V~2V)，可以發現圖 2-21 中移相器在所有工作電壓下的損耗都趨於一致。

圖2-20 移相器在不同電壓下的損耗比較圖

表2-5 放大器補償電壓對照表

調整放大器補償前 調整放大器補償後 移相器偏壓(V) 放大器偏壓(V) S21(dB) 放大器偏壓(V) S21(dB)

0V 1.5 -15.9 1.5 -15.9

1V 1.5 -15.95 1.5 -15.85

2V 1.5 -15.9 1.5 -16

3V 1.5 -16 1.6 -16.04

4V 1.5 -16.1 1.8 -16.06

5V 1.5 -16.2 2 -16.1

6V 1.5 -16.1 1.9 -16.04

7V 1.5 -15.8 1.8 -15.85

8V 1.5 -15.6 1.6 -15.85

9V 1.5 -15.4 1.3 -15.95

10V 1.5 -15 1 -15.9

圖2-21 改變放大器偏壓的補償結果

八級移相器的實作

八級串接式移相器主要是為了確認放大器的補償工作正確，因為在兩級的移 相器陣列上經過補償後的量測誤差大概在 0.2~0.5dB左右，若這些補償的誤差累 積到八級的串接式移相器上那最後一級埠將會造成 1dB~4dB的補償誤差而造成 接上天線後，天線的增益無法隨著天線數目增加而有加成的效果。因此當串接長 級數的陣列時還需要再經過一些微調，如圖 2-22 經過微調衰減器後整體八埠的 能量都已經補償到一致，且表2-6 相位的初始角度也符合預期的要求。而對於初 始角度的誤差，我們認為是因為反射式移相器在壓控可變電容的焊接誤差所造 成，因為訊號在壓控可變電容前的細線經過兩次，在 12.45GHz的頻率下，若是 壓控可變電容在焊接上有前後百分一英吋的誤差，就會造成相位 10^o以上的飄 移，為了要克服這個問題，在電路板上要特別標上焊接位置的標記，在焊接的時 候儘量在顯微鏡底下焊接，讓壓控可變電容的位置誤差儘量縮小，初始角度的相 位誤差才能夠減到最低。

圖2-22 八級串接式移相器能量損耗圖

表2-6 八級串接式移相器相位量測 8 階移相器陣列初始角度 初始角度差值

167⁰ NA

-70⁰ 237⁰

66⁰ 224⁰

-162⁰ 228⁰

-23⁰ 221⁰

118⁰ 219⁰

-119⁰ 237⁰ 平均 標準差

11⁰ 230⁰ 228⁰ 6.67⁰