CN103281047B - 无源片上180度宽带移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供无源片上180度宽带移相器，由巴伦和宽带匹配型单刀双掷开关组成，其特征在于：巴伦的两个输出端口相位相差180度，宽带匹配型单刀双掷开关在巴伦的两个输出端口之间进行切换从而实现180度宽带移相；所述宽带匹配型单刀双掷开关包括第一～第四MOS场效应晶体管和第一～第六电阻；第一MOS场效应晶体管的栅极通过第一电阻连接第一控制电源，第二MOS场效应晶体管的栅极通过第二电阻连接第二控制电源，第三MOS场效应晶体管的栅极通过第三电阻连接第三控制电源，第四MOS场效应晶体管的栅极通过第四电阻连接第四控制电源；本发明能够实现宽带、低寄生调幅、高移相精度的180度移相，可广泛应用在电子对抗雷达、数字移动通信、微波毫米波通信等系统中。

Description

无源片上180度宽带移相器
技术领域
本发明涉及移相器,具体涉及无源片上180度宽带移相器。
背景技术
移相器是一种主要用于电子对抗雷达、数字移动通信、微波毫米波通信等电子通信系统中的关键元器件，其功能是将输入信号的相位进行一定值的移相后进行输出。描述其性能指标的主要参数有：1)移相带宽；2)移相精度；3)移相时间；4)输入输出驻波比；5)输入1dB压缩点；6)插入损耗；7)寄生调幅；8)寄生调相；9)噪声系数等；360度片上无源移相器结构采用180度移相位、90度移相位、45度移相位、22.5度移相位等移相单元串联以达到360度移相范围；在所有移相器结构中，片上无源移相器因为应用面积小、可靠性高、无功耗等特点广泛应用于各种电子设备中，但是传统的片上无源移相器特别是180度移相器结构的电气性能指标较差，这主要体现在：1)移相带宽较小；2)寄生调幅大；3)移相精度低；这些限制在X波段及以上频段体现得尤为突出；对于无源数字移相器来说，其移相带宽与移相精度主要受制于180度移相，因为在所有移相位中，180度移相位的带宽最窄、移相误差最大；因此，设计发明一种高精度的片上180度宽带移相结构对提高片上无源移相器的电气性能有着重要作用。
现有的技术方案为两个90度移相器串联构成180度移相器，90度移相器采用开关-延迟结构，由低通与高通进行开关转换形成90度移相，其结构如图1所示；图中VC与VCN互为正反逻辑，即一个为高电位的同时另一个为低电位；高低电位切换时电路分别呈现旁路状态或者相位延迟状态；若旁路状态相位输出状态为0度时，则当电路切换到相位延迟状态时相位输出状态为90度，即通过开关切换实现90度移相，两个90度移相器合成180度移相。这种技术在X波段以下频段具有一定优势，但是当工作频率上升到X波段及其以上频段时，由于电感的低Q值与开关插损增加导致寄生调幅增大、工作带宽下降、移相精度恶化等不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供移相带宽宽、寄生调幅小和移相精度高的无源片上180度宽带移相器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，无源片上180度宽带移相器，由巴伦和宽带匹配型单刀双掷开关组成，其特征在于：巴伦的两个输出端口相位相差180度，宽带匹配型单刀双掷开关在巴伦的两个输出端口之间进行切换从而实现180度宽带移相；所述宽带匹配型单刀双掷开关包括第一～第四MOS场效应晶体管和第一～第六电阻；第一MOS场效应晶体管的栅极通过第一电阻连接第一控制电源，第二MOS场效应晶体管的栅极通过第二电阻连接第二控制电源，第三MOS场效应晶体管的栅极通过第三电阻连接第三控制电源，第四MOS场效应晶体管的栅极通过第四电阻连接第四控制电源，第一MOS场效应晶体管和第二MOS场效应晶体管的漏极均连接巴伦的其中一个输出端，第三MOS场效应晶体管和第四MOS场效应晶体管的漏极均连接巴伦的另一个输出端，第一MOS场效应晶体管和第四MOS场效应晶体管的源极分别通过第五电阻和第六电阻接地，第二MOS场效应晶体管和第三MOS场效应晶体管的源极为射频输出端；所述巴伦为层叠式巴伦，即巴伦的初级线圈与次级线圈分别置于两个不同的金属层中，初级线圈与次级线圈大小一样；通过层叠，初级线圈的电磁场几何完全穿过次级线圈的电磁场，这样有利于增加耦合系数，减小巴伦的插入损耗！
本发明利用巴伦的两个输出端口相位相差180度，并采用单刀双掷开关在两个输出端口之间进行切换从而实现180度宽带移相；由于巴伦的工作带宽非常宽，且两个输出信号的相位误差与幅度误差极低，一致性高且不受工作频率的限制，因此采用此结构的移相器能够实现宽带、低寄生调幅、高移相精度的180度移相。电阻R1～R4的作用是用于减小控制电压纹波对晶体管的干扰；电阻R5、R6的作用是用于非选择支路的匹配。
根据本发明所述的无源片上180度宽带移相器的一种优选方案，第一～第四MOS场效应晶体管的衬底分别通过第七～第十电阻接地，以增加隔离度与减小插入损耗。
根据本发明所述的无源片上180度宽带移相器的一种优选方案，第一～第四MOS场效应晶体管(M1～M4)为NMOS场效应晶体管。
根据本发明所述的无源片上180度宽带移相器的一种优选方案，所述巴伦的两个输入端口之间连接电容。
本发明所述的无源片上180度宽带移相器的有益效果是：本发明能够实现宽带、低寄生调幅、高移相精度的180度移相，解决了硅基移相器特别是微波/毫米波频段移相器电气指标差的难题，为雷达系统单片化、小型化提供可实现性，具有移相带宽宽、寄生调幅小、插入损耗小和移相精度高的特点，可广泛应用在电子对抗雷达、数字移动通信、微波毫米波通信等电子通信系统中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是为现有技术两个90度移相器串联构成180度移相器的结构示意图。
图2是发明所述的无源片上180度宽带移相器的结构示意图。
图3是初级线圈3的结构示意图。
图4是次级线圈4的结构示意图。
具体实施方式
参见图2至图4，无源片上180度宽带移相器，由巴伦1和宽带匹配型单刀双掷开关2组成，该巴伦1的初级线圈3与次级线圈4大小相等，初级线圈3的两端为巴伦1的两个输入端，巴伦1的两个输入端口之间连接电容C；次级线圈4的两端为巴伦1的两个输出端口，两个输出端口的相位相差180度；宽带匹配型单刀双掷开关2在巴伦1的两个输出端口之间进行切换从而实现180度宽带移相；具体为：所述宽带匹配型单刀双掷开关由第一MOS场效应晶体管M1～第四MOS场效应晶体管M4和第一电阻R1～第十电阻R10构成；第一MOS场效应晶体管M1的栅极通过第一电阻R1连接第一控制电源VC1，第二MOS场效应晶体管M2的栅极通过第二电阻R2连接第二控制电源VC2，第三MOS场效应晶体管M3的栅极通过第三电阻R3连接第三控制电源VC3，第四MOS场效应晶体管M4的栅极通过第四电阻R4连接第四控制电源VC2，第一MOS场效应晶体管M1和第二MOS场效应晶体管M2的漏极均连接巴伦1的其中一个输出端，第三MOS场效应晶体管M3和第四MOS场效应晶体管M4的漏极均连接巴伦1的另一个输出端，第一MOS场效应晶体管M1和第四MOS场效应晶体管M4的源极分别通过第五电阻R5和第六电阻R6接地，第二MOS场效应晶体管M2和第三MOS场效应晶体管M3的源极为射频输出端。第一MOS场效应晶体管M1～第四MOS场效应晶体管M4的衬底分别通过第七电阻R7～第十电阻R10接地。第一MOS场效应晶体管M1～第四MOS场效应晶体管M4为NMOS场效应晶体管；为了降低插入损耗，所有NMOS场效应晶体管都用深阱工艺进行衬底隔离，通过深阱工艺，相当于在一片大衬底上划出几个小衬底，使得各个小衬底之间，小衬底与大衬底之间实现隔离，以减小信号的串扰与减小开关的插入损耗。
本发明的工作原理是：射频信号通过巴伦输入端口输入后，在输出端口形成0度与180度的相位差输出，单刀双掷开关选择其中一路进行输出，而另一路则通过NMOS晶体管与电阻串联进行匹配，从而不影响阻抗匹配；具体为：
当VC1＝0,VC2＝1,VC3＝0,VC4＝1时，第一MOS场效应晶体管M1和第三MOS场效应晶体管M3开路，第二MOS场效应晶体管M2的源极进行射频输出，第四MOS场效应晶体管M4与电阻R6串联进行匹配；
当VC1＝1,VC2＝0,VC3＝1,VC4＝0时：第二MOS场效应晶体管M2和第四MOS场效应晶体管M4开路，第三MOS场效应晶体管M3射频输出，第一MOS场效应晶体管M1与电阻R5串联进行匹配。
在具体实施例中，所述巴伦1为层叠式巴伦，即巴伦的初级线圈3与次级线圈4分别置于两个不同的金属层中，初级线圈3与次级线圈4大小相等。可以利用两层厚金属进行层叠式巴伦设计，即巴伦的初级线圈3与次级线圈4分别置于两个不同的厚金属层中，两个线圈大小一样，通过层叠，初级线圈3的电磁场几乎完全穿过次级线圈4的电磁场，这样有利于增加耦合系数，减小巴伦的插入损耗！
上面对本发明的具体实施方式进行了描述，但是，本发明保护的不仅限于具体实施方式的范围。

Claims (4)

1.无源片上180度宽带移相器，由巴伦(1)和宽带匹配型单刀双掷开关(2)组成，其特征在于：巴伦(1)的两个输出端口相位相差180度，宽带匹配型单刀双掷开关(2)在巴伦(1)的两个输出端口之间进行切换从而实现180度宽带移相；所述宽带匹配型单刀双掷开关包括第一～第四MOS场效应晶体管(M1～M4)和第一～第六电阻(R1～R6)；第一MOS场效应晶体管(M1)的栅极通过第一电阻(R1)连接第一控制电源(VC1)，第二MOS场效应晶体管(M2)的栅极通过第二电阻(R2)连接第二控制电源(VC2)，第三MOS场效应晶体管(M3)的栅极通过第三电阻(R3)连接第三控制电源(VC3)，第四MOS场效应晶体管(M4)的栅极通过第四电阻(R4)连接第四控制电源(VC2)，第一MOS场效应晶体管(M1)和第二MOS场效应晶体管(M2)的漏极均连接巴伦(1)的其中一个输出端，第三MOS场效应晶体管(M3)和第四MOS场效应晶体管(M4)的漏极均连接巴伦(1)的另一个输出端，第一MOS场效应晶体管(M1)和第四MOS场效应晶体管(M4)的源极分别通过第五电阻(R5)和第六电阻(R6)接地，第二MOS场效应晶体管(M2)和第三MOS场效应晶体管(M3)的源极为射频输出端；
所述巴伦(1)为层叠式巴伦，即巴伦的初级线圈(3)与次级线圈(4)分别置于两个不同的金属层中，初级线圈(3)与次级线圈(4)大小相等。
2.根据权利要求1所述的无源片上180度宽带移相器，其特征在于：第一～第四MOS场效应晶体管(M1～M4)的衬底分别通过第七～第十电阻(R7～R10)接地。
3.根据权利要求2所述的无源片上180度宽带移相器，其特征在于：第一～第四MOS场效应晶体管(M1～M4)为NMOS场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的无源片上180度宽带移相器，其特征在于：所述巴伦(1)的两个输入端口之间连接电容(C)。
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