CN103618519B - 超宽带高线性度有源移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超宽带高线性度有源移相器，包括兰格耦合器、超宽带放大器、矢量合成放大器、有源巴伦和数摸转换器；其特征在于：射频信号输入兰格耦合器，所述兰格耦合器产生宽带正交的I路与Q路信号，分别输出到I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器，I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器分别对兰格耦合器输出的信号进行放大，生成幅度相等的四路正交信号输出到矢量合成放大器；矢量合成放大器接收数模转换器输出的相位和幅度控制信号以及象限选择控制信号，对I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器输出的幅度相等的四路正交信号进行信号合成和相位、象限选择后，输出I路与Q路移相信号到有源巴伦，有源巴伦对移相信号进行阻抗匹配后输出。

Description

超宽带高线性度有源移相器

技术领域

本发明涉及移相器,具体涉及超宽带高线性度有源移相器。

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；移相器主要分为无源移相器与有源移相器两种，其中无源移相器具有高线性、低功耗等优点，但是无源移相器面积较大而无法大规模集成，且不能宽带应用；有源移相器具有高集成度、宽带等优点，是未来硅基相控阵雷达应用的主流方向。但传统有源移相器最主要的问题是线性度较差，这给有源移相器的应用带来瓶颈。微波/毫米波频段的移相器长期采用Ⅲ/Ⅴ族半导体进行设计，此种移相器集成度低，不能满足小型化的要求；采用硅基设计雷达系统具有小型化的特点，但目前采用硅基设计的移相器电气指标较差，并不能满足电子系统要求。

现在电子对抗雷达系统对移相器的要求是高线性度、超宽带、高集成度；在电子对抗雷达应用中，较强的干扰信号会导致雷达系统失效，为了提高电子对抗雷达的系统的抗干扰能力，提高移相器的线性度是必然之选；宽带应用甚至超宽带应用是未来雷达发展的重要方向之一；与此同时，为了减小雷达系统体积，增加雷达系统集成度，提高雷达系统可靠性，必须使用大规模集成芯片，将一个甚至多个雷达接收/发射通道集成在一个硅片上；因此，设计发明硅基大规模集成超宽带高线性度有源移相器具有非常重要的工程价值。

现有的有源移相器的技术方案如图1，射频信号经过有源巴伦转为差分信号后，经正交移相网络输出四路正交信号，然后经模拟加法器进行幅度合成，数模转换器通过控制模拟加法器中I/Q路的信号幅度进而控制相位合成输出，通过5位数模转换器便能实现5位移相功能。该方案采用正交移相网络产生四路正交信号，为了实现超宽宽带范围的高精度正交移相，正交移相网络的输入阻抗较低，但是前级有源巴伦不能驱动如此低的阻抗，特别是在高频处，过低的负载阻抗会导致信号提前压缩，从而不能实现高线性的信号驱动放大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供超宽带高线性度有源移相器。

本发明的技术方案是，超宽带高线性度有源移相器，包括兰格耦合器、超宽带放大器、矢量合成放大器、有源巴伦和数摸转换器；其特征在于：射频信号输入兰格耦合器，所述兰格耦合器产生宽带正交的I路与Q路信号，分别输出到I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器，I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器分别对兰格耦合器输出的信号进行放大，生成幅度相等的四路正交信号输出到矢量合成放大器；矢量合成放大器接收数模转换器输出的相位和幅度控制信号以及象限选择控制信号，对I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器输出的幅度相等的四路正交信号进行信号合成和相位、象限选择后，输出I路与Q路移相信号到有源巴伦，有源巴伦对移相信号进行阻抗匹配后输出。

本发明电路结构简单，性能优，由于采用的兰格耦合器的工作带宽非常宽，一般能达到3倍频，且输出IQ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、高线性度、高移相精度的360度移相；超宽带放大器设置在矢量合成放大器与兰格耦合器之间，避免矢量合成放大器阻抗的变化对兰格耦合器输出相位与幅度造成干扰；通过矢量合成放大器实现I路与Q路信号的合成，在同一状态下可以实现0至90移相；同时，通过数模转换器控制矢量合成放大器的电压差值，实现象限选择，保证输出0至360度范围内的移相信号；通过数模转换器对矢量合成放大器输出信号的相位和幅度进行控制，实现了数控移相器功能；并且，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，因此本发明能够实现宽带、高线性度、高移相精度的360度移相。

根据本发明所述的超宽带高线性度有源移相器的一种优选方案,所述矢量合成放大器包括第九开关管至第二十开关管，第九开关管与第十二开关管的基极相互连接，第十开关管与第十一开关管的基极相互连接，第十三开关管与第十六开关管的基极相互连接，第十四开关管与第十五开关管的基极相互连接，它们的基极输入电压均由数模转换器进行控制；第九、第十一、第十四、第十六开关管的集电极相连接，并输出移相信号到有源巴伦；第十、第十二、第十三、第十五开关管的集电极相连接，并输出移相信号到有源巴伦；第九开关管与第十开关管的发射极同时连接第十七开关管的集电极，第十二开关管与第十一开关管的发射极同时连接第十八开关管的集电极，第十三开关管与第十四开关管的发射极均连接第十九开关管的集电极，第十六开关管与第十五开关管的发射极均连接第二十开关管的集电极，第十七开关管与第十八开关管的基极相互连接，第十九开关管与第二十开关管的基极相互连接，第十七开关管至第二十开关管的基极输入电压由数模转换器进行控制；第十七开关管至第二十开关管的发射极分别接收I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器输出的信号。

该矢量合成放大器设计巧妙，结构简单，实现了I路与Q路信号的合成，通过控制第十七开关管至第二十开关管的基极电压，在同一状态下可以实现0～90移相，同时通过控制第九开关管至第十六开关管的基极电压差值，可以实现象限选择，因此可以输出0～360度范围内的移相信号。

根据本发明所述的超宽带高线性度有源移相器的一种优选方案,I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器均设置有恒流接收端，恒流接收端接收的电流由恒流源提供，达到对超宽带放大器增益控制。

根据本发明所述的超宽带高线性度有源移相器的一种优选方案，所述兰格耦合器采用片上兰格耦合器，该片上兰格耦合器的射频输入端、射频输出端、耦合端和隔离端均设置在芯片顶层，在芯片的次顶层且与射频输入端、射频输出端、耦合端和隔离端上下对应部位分别设置有端一、端二、端三和端四；

所述射频输入端通过芯片顶层的第一金属线与射频输出端连接，耦合端通过芯片顶层第二金属线与隔离端连接；在芯片的次顶层且分别与第一金属线和第二金属线上下对应部位设置有第七金属线和第八金属线，第八金属线连接端三和端四，第七金属线连接端一和端二；

所述射频输入端还通过第一通孔连接到芯片第四层的第三金属线前端，第四层的第三金属线的尾端通过第三通孔连接端三；

所述耦合端还通过第四通孔连接到芯片第三层的第四金属线尾端，第三层的第四金属线前端通过第二通孔与端一连接；

所述隔离端还通过第五通孔连接到芯片第四层的第五金属线前端，第四层的第五金属线的尾端通过第七通孔连接端二；

所述射频输出端还通过第八通孔连接到芯片第三层的第六金属线尾端，第三层的第六金属线前端通过第六通孔与端四连接。

该方案采用两层金属互相耦合的方法，通过互相耦合达到一定的耦合系数，使得片上兰格耦合器面积减小，且耦合端口与射频输出端口距离较近，有利于两路IQ信号输出到下一级超宽带放大器中。采用该片上兰格耦合器，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、小型化提供了可实现性。

本发明所述的超宽带高线性度有源移相器的有意效果是：本发明电路结构简单，成本低、体积小、效率高、性能优，抗干扰能力强，能够实现宽带、高线性度、高移相精度的360度移相，具有数控移相器功能；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、小型化提供了可实现性，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是现有的移相器的原理框图。

图2是超宽带高线性度有源移相器的原理框图。

图3是I路超宽带放大器和Q路超宽带放大器电路图。

图4是矢量合成放大器4的电路图。

图5是本发明所述的片上兰格耦合器的俯视图。

图6是本发明所述的片上兰格耦合器的结构示意图。

具体实施方式

参见图2，超宽带高线性度有源移相器，包括兰格耦合器1、超宽带放大器、矢量合成放大器、有源巴伦6和数摸转换器7；其特征在于：射频信号输入兰格耦合器1，所述兰格耦合器产生宽带正交的I路与Q路信号，分别输出到I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3，I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3分别对兰格耦合器1输出的信号进行放大，生成幅度相等的四路正交信号I+、I-、Q+、Q-输出到矢量合成放大器4；矢量合成放大器4接收数模转换器7输出的相位和幅度控制信号以及象限选择控制信号，对I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3输出的幅度相等的四路正交信号I+、I-、Q+、Q-进行信号合成和相位、象限选择后，输出I路与Q路移相信号到有源巴伦6，有源巴伦6对移相信号进行阻抗匹配后输出。

在具体实施例中，I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3的电路图参见图3；开关管Q5、Q6和电阻R5构成偏置电路，开关管Q1、Q2构成共射共基放大器；兰格耦合器1输出的信号分别通过电容C1、C2接入，I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3分别设置有恒流接收端Ibias-I、Ibias-Q，恒流接收端接收的电流由恒流源提供，达到对超宽带放大器增益控制；超宽带放大器将IQ输入信号进行放大处理，I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3都保持同等的工作状态，输出四路幅度相等的正交信号I+、I-、Q+、Q-，同时，实现矢量合成放大器与兰格耦合器之间的隔离。

在具体实施例中，矢量合成放大器4的电路图如图4，I路、Q路I路、Q路矢量合成放大器包括开关管Q9～Q20，具体为第九开关管Q9与第十二开关管Q12的基极相互连接，第十开关管Q10与第十一开关管Q11的基极相互连接，第十三开关管Q13与第十六开关管Q16的基极相互连接，第十四开关管Q14与第十五Q15开关管的基极相互连接，它们的基极输入电压均由数模转换器7进行控制；第九、第十一、第十四、第十六开关管的集电极相互连接，并输出信号到有源巴伦6；第十、第十二、第十三、第十五开关管的集电极相互连接，并输出信号到有源巴伦6；第九开关管Q9与第十开关管Q10的发射极同时连接第十七开关管Q17的集电极，第十二开关管Q12与第十一开关管Q11的发射极同时连接第十八开关管Q18的集电极，第十三开关管Q13与第十四开关管Q14的发射极均连接第十九开关管Q19的集电极，第十六开关管Q16与第十五开关管Q15的发射极均连接第二十开关管Q20的集电极，第十七开关管Q17与第十八开关管Q18的基极相互连接，第十九开关管Q19与第二十开关管Q20的基极相互连接，第十七开关管Q17至第二十开关管Q20的基极输入电压由数模转换器7进行控制；第十七开关管Q17至第二十开关管Q20的发射极分别接收I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3的输出的信号。

矢量合成放大器的工作原理为：开关管Q9与Q10、Q11与Q12、Q13与Q14、Q15与Q16分别构成差分放大器，差分放大器的输入信号V1～V4电压由数模转换器7进行控制，通过控制V1～V4电压值可以实现象限选择，开关管Q17～Q20均为共基放大电路，I路超宽带放大器2和Q路超宽带放大器3的输出信号由开关管Q17～Q20的发射极输入；开关管Q17～Q20的基极电压Vi、VQ由数模转换器7进行控制，可通过6位DAC控制Vi与VQ来控制差分放大器的直流工作点；将数字控制信号转换为模拟控制电平Vi与VQ，最后转换为I路与Q路的电流Iq与Ii之比；而电流Iq与Ii之比正好是I路与Q路的信号幅度之比。由此，通过对电流信号Iq与Ii之比进行控制，便可以控制输出信号的相位，且控制Iq与Ii之和保持为恒定值，以此来保证输出信号幅度的恒定。因此通过矢量合成放大器可以实现I路与Q路信号的合成，在同一状态下可以实现0～90移相，同时通过控制V1～V4电压差值可以实现象限选择，因此可以输出0～360度范围内的移相信号。

在具体实施例中，参见图5、6；兰格耦合器采用片上兰格耦合器，为了达到一定的耦合系数，可以采用两层金属互相耦合的方法，片上兰格耦合器的射频输入端10、射频输出端11、耦合端12和隔离端13均设置在芯片顶层，在芯片的次顶层且与射频输入端10、射频输出端11、耦合端12和隔离端13上下对应部位分别设置有端一18、端二19、端三20和端四21；芯片顶层可以选择芯片第六层，芯片的次顶层可以选择芯片第五层；

所述射频输入端10通过芯片顶层的第一金属线31与射频输出端11连接，耦合端12通过芯片顶层第二金属线34与隔离端13连接；在芯片的次顶层且分别与第一金属线31和第二金属线34上下对应部位设置有第七金属线33和第八金属线32，第八金属线32连接端三20和端四21，第七金属线33连接端一18和端二19；

所述射频输入端10还通过第一通孔22连接到芯片第四层的第三金属线14前端，第四层的第三金属线14的尾端通过第三通孔24连接端三20；

所述耦合端12还通过第四通孔25连接到芯片第三层的第四金属线15尾端，第三层的第四金属线15前端通过第二通孔23与端一18连接；

所述隔离端13还通过第五通孔27连接到芯片第四层的第五金属线16前端，第四层的第五金属线16的尾端通过第七通孔29连接端二19；

所述射频输出端11还通过第八通孔30连接到芯片第三层的第六金属线17尾端，第三层的第六金属线17前端通过第六通孔28与端四21连接。

在具体实施时，兰格耦合器不仅限于片上兰格耦合器，采用片外兰格耦合器并用倒装焊芯片（flip-chip）的方式进行封装连接，也可以完成本技术方案，且能获得更好的技术指标。

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.超宽带高线性度有源移相器，包括兰格耦合器（1）、超宽带放大器、矢量合成放大器（4）、有源巴伦（6）和数摸转换器（7）；其特征在于：射频信号输入兰格耦合器（1），所述兰格耦合器（1）产生宽带正交的I路与Q路信号，分别输出到I路超宽带放大器（2）和Q路超宽带放大器（3），I路超宽带放大器（2）和Q路超宽带放大器（3）分别对兰格耦合器（1）输出的信号进行放大处理后，生成幅度相等的正交信号（I+、I-、Q+、Q-）输出到矢量合成放大器（4）；矢量合成放大器（4）接收数模转换器（7）输出的相位和幅度控制信号以及象限选择控制信号，对I路超宽带放大器（2）和Q路超宽带放大器（3）输出的幅度相等的正交信号（I+、I-、Q+、Q-）进行信号合成和相位、象限选择后，输出I路与Q路移相信号到有源巴伦（6），有源巴伦（6）对移相信号进行阻抗匹配后输出。

2.根据权利要求1所述的超宽带高线性度有源移相器，其特征在于：所述矢量合成放大器（4）包括第九开关管至第二十开关管，第九开关管与第十二开关管的基极相互连接，第十开关管与第十一开关管的基极相互连接，第十三开关管与第十六开关管的基极相互连接，第十四开关管与第十五开关管的基极相互连接，它们的基极输入电压均由数模转换器（7）进行控制；第九、第十一、第十四、第十六开关管的集电极相连接，并输出移相信号到有源巴伦（6）；第十、第十二、第十三、第十五开关管的集电极相连接，并输出移相信号到有源巴伦（6）；第九开关管与第十开关管的发射极同时连接第十七开关管的集电极，第十二开关管与第十一开关管的发射极同时连接第十八开关管的集电极，第十三开关管与第十四开关管的发射极均连接第十九开关管的集电极，第十六开关管与第十五开关管的发射极均连接第二十开关管的集电极，第十七开关管与第十八开关管的基极相互连接，第十九开关管与第二十开关管的基极相互连接，第十七开关管至第二十开关管的基极输入电压由数模转换器（7）进行控制；第十七开关管至第二十开关管的发射极分别接收I路超宽带放大器（2）和Q路超宽带放大器（3）输出的信号。

3.根据权利要求1或2所述的超宽带高线性度有源移相器，其特征在于：I路超宽带放大器（2）和Q路超宽带放大器（3）均设置有恒流接收端。

4.根据权利要求3所述的超宽带高线性度有源移相器，其特征在于：所述兰格耦合器（1）采用片上兰格耦合器，该片上兰格耦合器的射频输入端（10）、射频输出端（11）、耦合端（12）和隔离端（13）均设置在芯片顶层，在芯片的次顶层且与射频输入端（10）、射频输出端（11）、耦合端（12）和隔离端（13）上下相对应部位分别设置有端一（18）、端二（19）、端三（20）和端四（21）；

所述射频输入端（10）通过芯片顶层的第一金属线（31）与射频输出端（11）连接，耦合端（12）通过芯片顶层第二金属线（34）与隔离端（13）连接；在芯片的次顶层且分别与第一金属线（31）和第二金属线（34）上下对应部位设置有第七金属线（33）和第八金属线（32），第八金属线（32）连接端三（20）和端四（21），第七金属线（33）连接端一（18）和端二（19）；

所述射频输入端（10）还通过第一通孔（22）连接到芯片第四层的第三金属线（14）前端，第四层的第三金属线（14）的尾端通过第三通孔（24）连接端三（20）；

所述耦合端（12）还通过第四通孔（25）连接到芯片第三层的第四金属线（15）尾端，第三层的第四金属线（15）前端通过第二通孔（23）与端一（18）连接；

所述隔离端（13）还通过第五通孔（27）连接到芯片第四层的第五金属线（16）前端，第四层的第五金属线（16）的尾端通过第七通孔（29）连接端二（19）；

所述射频输出端（11）还通过第八通孔（30）连接到芯片第三层的第六金属线（17）尾端，第三层的第六金属线（17）前端通过第六通孔（28）与端四（21）连接。