芯耀
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移相器是让微波系统功能更多、效果更好的核心部件之一。作为一种关键组件，它能在微波频率下，对电磁信号的相位进行可控调节。这种调节能力，在相控阵的波束转向、信号调制和天线控制中都起到关键作用。而微波技术本身，又是现代通信系统、雷达应用以及很多科学研究领域里的重要组成部分。
当我们深入了解微波频率下的移相器时，会发现它的基本原理、分类，以及各种各样的应用场景——正是这些特性，让移相器在微波技术的关键领域发展中变得不可替代。搞懂移相器的复杂原理，不仅能帮我们更好地理解微波系统，还能为现代通信和雷达技术的突破性创新打下基础。
一、什么是移相器？
微波移相器是这样一种设备：它能改变微波传输线输出端电磁振荡的相位，而这种改变，指的是信号在输入端和输出端之间产生的相位差异。要让传输线的信号发生相位偏移，有两种方式：要么增加传输线的长度，要么改变信号的波长。
在微波解决方案里，移相器属于无源器件，主要作用是改变射频信号的相位角。射频波之间会相互影响：如果两个信号相位相同，就会相互增强；如果相位不同，就会相互减弱。要是频率相同的信号相位一致，整体信号会变强；要是相位相反，信号就会变弱。
移相器的作用就是调整射频信号的相位角，避免它和其他不该干扰的信号相互影响。而且这种技术的性能很不错，因为它带来的“插入损耗”（信号经过器件时的能量损失）很低。
二、微波系统中使用的移相器类型
移相器主要有以下几类：
- 数字移相器
- 模拟移相器
- 铁氧体移相器
- PIN二极管移相器
- 声表面波（SAW）移相器
- 液晶移相器
- 光子移相器
- 混合式移相器
1、数字移相器
可编程数字移相器能够通过计算机进行控制。它们在规定的频率范围内展现出快速的切换速度和平坦的相位性能。一般来说，它们的电压驻波比（VSWR）和插入损耗比机械移相器更高。这些移相器是按步长设置的，步长大小取决于位数或者集成移相器的数量。位数越多，步长就越小，可实现的相位数量也就越多。例如，一个6位的移相器能够以5.625°的步长覆盖从0到354.375°的整个范围，从而实现64种不同的相位。步长越小，移相器的复杂度就越高，相应地，其插入损耗也会越大。
下图展示的是图中是一个三极点移相RC振荡器，通过三级由电容C1、C2、C3和电阻R1、R2、R3组成的移相网络，依次实现60°、120°、180°相位偏移，总计360°（等效0°）相移，满足振荡相位条件，使输入信号经移相后能持续振荡，右侧波形直观体现了相位偏移带来的信号相位变化。
2、模拟移相器
模拟移相器通常通过控制电压来调节，相位调节能实现“连续变化”，因此可以设置出非常精准的相位。相位偏移的变化量，取决于施加在电路上的电压大小。下图展示的是一款使用变容二极管的模拟移相器电路——这种二极管的电容会随控制电压发生改变（进而实现相位调节）。
模拟移相器的插入损耗（信号经过器件时的能量损失）通常比数字移相器更低。不过和数字移相器不同，它的相位在整个频率范围内并非“平坦变化”（即不同频率下，相位偏移的规律不一致，可能出现波动）。
3、机械移相器相关说明
机械移相器的设计核心是“通过机械方式延长传输线”，以此改变信号相位。
机械移相器的调节方式很灵活，既可以通过简单的调节旋钮手动操作，也能借助电机驱动实现远程控制。它的相位变化有两个特点：一是“单调变化”（不会出现无规律的波动），二是“连续可调”（能实现任意相位的精细调节）。而它能实现的最大相位调节量，和传输线长度的变化量直接相关——传输线拉长或缩短得越多，相位偏移就越大。
这类移相器有三个明显优势：一是功率额定值更高（能承受更大的信号功率），二是电压驻波比（VSWR）更低（信号反射更少，传输效率更高），三是插入损耗更小（信号经过时能量损失更少）。不过它的体积通常比数字移相器和模拟移相器更大。
另外，和数字移相器不同，机械移相器的相位在整个频率范围内并非“平坦变化”（不同频率下相位偏移规律不一致），但它的相位变化会和频率成“比例关系”——频率变化多少，相位偏移会按固定比例跟着变化，规律相对稳定。下图展示的是频率与相位之间的关系图表。
4、铁氧体移相器
- 这类移相器的核心是“铁氧体材料”——这种材料在外部磁场作用下会具备磁性，常用在雷达系统中。
- 在移相设备领域，铁氧体移相器属于专门类别，核心是利用铁氧体材料的特殊特性来高效控制微波信号。铁氧体是一种晶体磁性材料，可用于微波和射频领域。
- 对移相器而言，铁氧体对电磁波相位调节至关重要：它能以低插入损耗（信号能量损失少）实现调节，且反应简单又快速。
下图展示的是一个2端口波导铁氧体移相器。
5、PIN二极管移相器
- 在微波和射频通信系统中，有多种电子器件可动态控制信号相位，PIN二极管移相器就是其中之一。它的核心是利用PIN二极管（正-本征-负结构二极管）的特殊特性——这种半导体器件在外部偏置电压作用下，阻抗能快速变化。
- 它的工作原理基于PIN二极管的“可变电容”特性。PIN二极管的结构很明确：重掺杂的P区和N区之间，夹着一层轻掺杂的本征区。
- 正是这种电容变化，会影响经过二极管的微波信号相位。
下图展示了一个使用单刀双掷（SPDT）开关的2位移相器，还有一个使用PIN二极管和传输延迟线的2位移相器。
6、声表面波（SAW）移相器
- 这是一种“电控式”声表面波移相器：通过施加电压，产生一个与声表面波传播方向一致的电场。
- 这个电场是加在“压电基片”上的——基片位于发射换能器和接收换能器之间，而两个换能器都装在压电坯体上。
- 发射换能器会把电能转化为声波，声波附着在基片上传播到接收换能器；接收换能器再把声波变回电能，传输给探测器或其他合适的电子设备。
- 加在发射、接收换能器之间的电场，会让传播的声表面波产生“电控式相位偏移”。也可以给N型或P型半导体加电场，让电荷载流子聚集在“声波电场所在的界面”上，辅助实现相位调节。
7、微机电系统（MEMS）移相器
- MEMS移相器的一大优势是“低损耗”，甚至比同类的单片微波集成电路（MMIC）移相器损耗更低。
- 它可在多种基片（氧化铝、玻璃、高阻硅等）上加工，但在制作核心的“可动结构（如可动金属条）”时，MEMS工艺通常会省略微波薄膜电路的两个关键元件：薄膜电容器和电阻。
- 因此，MEMS移相器的设计者只能采用基础结构，这种结构虽能实现宽频率范围内的相位变化，但对没有电容匹配网络的相控阵来说，会带来“不希望出现的特性”（如相位稳定性差）。
- 它的切换速度约为1us，比大多数MMIC移相器慢1000倍左右。MEMS移相器由小型机械结构组成，通过这些结构调节信号相位，整体设备体积小、功耗低。
8、液晶移相器
- 液晶移相器是微波和光学系统中的“高技术类别”设备，用于调节电磁波相位。它的核心是利用液晶材料的特性——这种材料在电场作用下，介电性能（影响信号传播的特性）可调节。
- 这种“可调节性”能让它精准、快速地控制传输信号的相位，因此在波束转向、天线控制、光学调制等场景中非常实用。
- 在光通信系统的相位干扰和波束转向应用中，液晶移相器会通过“电控液晶”来实现功能。
9、光子移相器
- 这类移相器通过“干扰光模的倏逝场”（可简单理解为光在波导边缘的微弱电场），来改变光模的有效折射率，进而实现相位调节，这是它的核心工作原理。
- 为了避免光模耦合（不同光信号相互干扰）或从波导中泄漏，设计时会专门加入“扰动结构”。
- 光子移相器会用到光学元件，主要用于光纤通信和光子集成电路中，实现相位控制。
下图展示了基于光子集成芯片的太赫兹发射系统原理及相位响应特性：以两个激光器为光源，光信号输入1×4光波束形成网络（OBFN）芯片，芯片内通过马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）和加热器调控光相位，经处理后由天线发射0.3THz信号。
图(b)、(c)分别呈现不同配置（如环形谐振器数量、相位设置）和频率范围下，系统相位随归一化角频率的变化规律，反映了对光信号相位的调控能力，为太赫兹应用中波束精准调控提供支撑。
10、混合式移相器
- 混合式移相器会整合多种技术或不同类型的移相器设计，目的是“取各家之长”，为控制微波和射频电磁信号提供更灵活、高效的方案。
- 它会融入不同组件，以此优化性能、弥补单一设计的不足，并适配特定应用场景。
- 一种常见的设计思路是“无源元件+有源元件”结合：像集总参数或分布参数这类无源移相器，能提供固定档位的相位偏移；而加入变容二极管、场效应晶体管等有源元件后，就能实现相位的动态、可编程调节。
- 这种组合能同时实现“固定档位”和“连续变化”的相位控制，因此在“需要灵活调节相位”的应用场景中，是非常实用的方案。
下图展示的是一个混合移相器，当射频信号从混合耦合器的Port1或 Port2输入后，经混合耦合器分配到Port3和Port4对应的准传输线支路。在准传输线支路中，通过调节变容二极管的电容Cv，改变每条支路的相位特性，使得从Port3和Port4输出的信号产生相位差，最终实现移相功能。
三、各种移相器对比表格
四、设计考量主要因素
移相器的设计需要在多个相互影响的因素之间进行复杂的平衡。以下是一些关键考量因素：
- 频率范围：需要处理的频率范围至关重要。为不同频率范围设计的移相器，其性能特性存在差异。
- 相移范围：该参数决定移相器的工作相位区间。根据自身配置，移相器最多只能在这个指定范围内提供相位偏移。
- 插入损耗：插入损耗是信号在输入/输出阶段产生的损耗。理想的移相器不会产生任何损耗，具备极高的效率。插入损耗低意味着信号能得到良好保留，进而实现更优的性能。
五、移相器的应用
- 相控阵天线：可实现波束控制与波束成形，用于定向信号传输。在雷达系统、卫星通信和5G网络中具有重要作用。
- 雷达系统：能使雷达波束聚焦于特定方向和目标。
- 卫星通信：可调节卫星抛物面天线的角度与方向，以建立或维持稳定的连接。
- 测试测量设备：用于调节微波信号，满足测试与研究需求。
- 医学成像：对电磁信号进行操控以实现成像功能。这能帮助医疗人员提高成像精度，从而做出更准确的诊断。
- 降噪耳机：通过引入相位差为180°的声波，与外界多余噪音相互抵消，实现降噪功能。
六、移相器的优势
- 波束控制：助力将微波信号或波束导向特定方向，实现更优的控制与覆盖效果。
- 信号调制：为改变信号时序提供可能，这对无线电通信、雷达和成像等场景至关重要。
- 相控阵天线支持：在相控阵天线的构建与运行中发挥关键作用，进而提升雷达和通信系统的性能。
- 通用性强：可适配多种频率和应用场景，是各类微波系统中极具通用性的部件。
- 提升效率：通过控制相位信号，对微波设备和通信网络的效率与性能优化起到重要作用。
- 动态控制：支持实时调节，能根据变化的场景或需求对微波信号进行动态控制。
七、移相器的劣势
- 插入损耗：移相器可能导致信号衰减（即插入损耗），造成传输信号强度减弱。
- 成本较高：部分移相器（尤其是具备先进特性和技术的类型）的制造及系统集成成本较高。
- 复杂度增加：部分类型的移相器（特别是集成了数字信号处理等先进技术的产品）会提升系统设计的整体复杂度。
- 功耗问题：在某些情况下，移相器（尤其是有源移相器）可能消耗较多功率，导致系统功率效率下降。
- 温度敏感性：部分移相器的性能受温度波动影响较大，难以保证稳定性与准确性。
- 模拟移相器范围有限：与数字移相器相比，模拟移相器在实现高精度、宽范围相移方面可能存在局限。
- 体积重量影响：根据所采用的技术不同，移相器可能会增加系统的整体体积与重量，这在空间受限的应用场景中会成为问题。
最后总结一下：
综上所述，微波移相器是微波技术领域的关键元件。它们是现代技术基础设施的重要组成部分，广泛应用于雷达系统、通信领域和测试设备中。
5G、太空通信系统等新兴技术的持续发展，进一步提升了这类元件的重要性。
本文全面阐述了微波移相器的工作原理、类型及设计考量因素，可供该领域相关人员参考。展望未来，微波移相器将在塑造技术格局的过程中发挥重要作用。
