CN104617948B - 有源幅相控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了有源幅相控制电路，包括正交产生器、移相调幅单元、幅度控制DAC和相位控制DAC；其特征在于：移相调幅单元包括移相单元和调幅单元；幅度控制DAC包括幅度控制电路和第一译码器，相位控制DAC包括相位控制电路和第二译码器；幅度控制电路用于将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成二路电压控制信号输出到调幅单元；相位控制电路用于将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成四路电压控制信号输出到移相单元；移相单元用于将正交产生器输出的四路正交信号进行信号放大，再合成为两路差分信号输出到调幅单元，以实现360度移相。

Description

有源幅相控制电路

技术领域

本发明涉及幅相控制,具体涉及有源幅相控制电路。

背景技术

幅相控制电路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幅度与相位进行一定值的控制后进行输出，其在相控阵雷达的应用示意图如图1所示；多功能电路主要分为无源结构与有源结构两种，其中无源幅相控制多功能电路具有高线性、低功耗等优点，但是无源幅相控制多功能电路面积较大且不能宽带应用；有源幅相控制多功能电路具有高集成度、宽带等优点，是未来硅基相控阵雷达应用的主流方向。

现在电子对抗雷达系统对幅相控制多功能电路的要求是高线性度、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，提高幅相控制多功能电路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；但是，无源多功能电路因为芯片面积大而无法大规模集成，且无法宽带应用。

传统有源电路采用可变增益放大器与移相器串联而成，最主要的问题是线性度较差，这给有源幅相控制多功能电路的应用带来瓶颈；因此，设计发明硅基大规模集成幅相控制多功能电路具有非常重要的工程价值。

现有的有源移相器的技术方案采用将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。该方案幅度控制只能通过控制总电流的方式实现，这种控制方式在低增益情况下的线性度迅速恶化，且电流的变化会使得有源电感变化从而使得在不同增益的情况下带宽发生变化。并且，现有的幅相控制多功能电路都采用两级电路串联实现幅度与相位控制；一级实现幅度控制，另一级实现相位控制；但这种串联的形式会在一定程度上损失线性度或者噪声系数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供有源幅相控制电路。

本发明的技术方案是，有源幅相控制电路，包括正交产生器、移相调幅单元、幅度控制DAC和相位控制DAC；其特点是：移相调幅单元包括移相单元和调幅单元；幅度控制DAC包括幅度控制电路和第一译码器，相位控制DAC包括相位控制电路和第二译码器；

第一译码器用于将外部数字控制信号转换为模拟控制电平输出到幅度控制电路；

第二译码器用于将外部数字控制信号转换为模拟控制电平输出到相位控制电路；

幅度控制电路用于将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成二路电压控制信号输出到调幅单元；

相位控制电路用于将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成四路电压控制信号输出到移相单元；

正交产生器用于将差分射频信号转换成四路正交信号输出到移相单元；

移相单元用于将正交产生器输出的四路正交信号进行信号放大，再合成为两路差分信号输出到调幅单元，以实现360度移相；信号放大倍数由相位控制电路输出的电压控制信号进行控制；

调幅单元用于将移相单元输出的两路差分信号进行放大，放大倍数由幅度控制电路输出的电压控制信号进行控制，以实现幅度控制。

本发明利用正交产生器产生宽带正交的IQ差分四路正交信号，通过幅度控制电路与相位控制电路的控制信号在移相调幅单元里分别对调幅单元与移相单元进行控制，实现调幅移相；这种结构能在单级中实现调幅与移相，不仅节省了功耗，更重要的是减少了一级放大器带来的线性度恶化；只采用同一级电路同时实现调幅移相功能，能大大提高线性度和噪声系数；与现有技术方案相比具有低功耗、高线性度等优点。从而提高了线性度，解决了硅基幅相控制电路特别是微波/毫米波频段幅相控制电路电气指标差的难题，为雷达系统单片化、小型化提供了可实现性；采用此结构的电路能够实现宽带、高线性度、高移相精度的360度移相与控幅。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，所述移相单元包括由四组共源差分对管组成的共源电路；四组共源差分对管分别对四路正交信号进行信号放大，并合成为两路差分信号输出到调幅单元；相位控制电路输出的电压控制信号输入到共源差分对管的栅极，对共源差分对管进行电流控制。

本发明移相单元设计巧妙，结构简单；通过控制共源差分对管的删极电压以实现对共源差分对管进行电流控制，控制共源差分对管对四路正交信号进行信号放大并合成为两路差分信号，实现360度范围内的移相。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，调幅单元包括由二组共栅差分对管组成的共栅电路；移相单元输出的两路差分信号分别输入到二组共栅差分对管的源极；幅度控制电路输出的电压控制信号输入到共栅差分对管的删极，对共栅差分对管进行电流控制。

本调幅单元设计巧妙，结构简单；由二组共源差分对管组成共栅电路；通过控制共栅差分对管的栅极电压以实现对共栅差分对管进行电流控制，控制共栅差分对管对移相单元输出的两路差分信号进行信号放大，以实现幅度控制。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，移相单元中的四组共源差分对管分别由第五与第六MOS管、第七与第八MOS管、第九与第十MOS管、第十一与第十二MOS管组成；第五～第十二MOS管，第五～第十二MOS管的源极相连，第五、第八MOS管的栅极同时接收四路正交信号中的第一路正交信号，第六、第七MOS管的栅极同时接收四路正交信号中的第二路正交信号，第九、第十二MOS管的栅极同时接收四路正交信号中的第三路正交信号，第十、第十一MOS管的栅极同时接收四路正交信号中的第四路正交信号；第五、第六MOS管的栅极同时接收相位控制电路输出的第四电压控制信号，第七、第八MOS管的栅极同时接收相位控制电路输出的第三电压控制信号，第九、第十MOS管的栅极同时接收相位控制电路输出的第二电压控制信号，第十一、第十二MOS管的栅极同时接收相位控制电路输出的第一电压控制信号；第五、第七、第九、第十一MOS管的漏极相连，并输出信号到调幅单元；第六、第八、第十、第十二MOS管的漏极相连，并输出信号到调幅单元。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，幅度控制电路包括n个电流控制单元一；每个电流控制单元一均将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，每个电流控制单元一均包括放大管一和第一、第二开关电路；放大管一将第一参考电流放大，第一、第二开关电路受第一译码器输出的控制信号的控制，对放大管一输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，相位控制电路包括m个电流控制单元二；每个电流控制单元二均将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号。

根据本发明所述的有源幅相控制电路的优选方案，每个电流控制单二均包括放大管二和第三、第四开关电路；放大管二将第二参考电流放大，第三、第四开关电路受第二译码器输出的控制信号的控制，对放大管二输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号。

本发明所述的有源幅相控制电路的有意效果是：本发明利用正交产生器产生宽带正交的IQ差分四路正交信号，通过幅度控制电路与相位控制电路的控制信号在移相调幅单元里分别对调幅单元与移相单元进行控制，实现调幅移相；这种结构能在单级中实现调幅与移相，不仅节省了功耗，更重要的是减少了一级放大器带来的线性度恶化，从而提高了线性度；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度移相与控幅，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是本发明所述的有源幅相控制电路原理框图。

图2是移相单元2和调幅单元3的电路示意图。

图3是幅度控制电路4电路示意图。

图4是相位控制电路5的电路示意图。

具体实施方式

参见图1，有源幅相控制电路，包括正交产生器1、移相调幅单元、幅度控制DAC和相位控制DAC；其特征在于：移相调幅单元包括移相单元2和调幅单元3；幅度控制DAC包括幅度控制电路4和第一译码器6，相位控制DAC包括相位控制电路5和第二译码器7；

第一译码器6用于将外部数字控制信号转换为模拟控制电平输出到幅度控制电路4；

第二译码器7用于将外部数字控制信号转换为模拟控制电平输出到相位控制电路5；

幅度控制电路4用于将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成二路电压控制信号输出到调幅单元3；

相位控制电路5用于将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成四路电压控制信号输出到移相单元2；

正交产生器1用于将差分射频信号转换成四路正交信号IN、IP、QN、QP输出到移相单元2；

移相单元2用于将正交产生器1输出的四路正交信号IN、IP、QN、QP进行信号放大，再合成为两路差分信号输出到调幅单元3，以实现360度移相；信号放大倍数由相位控制电路5输出的电压控制信号进行控制；

调幅单元3用于将移相单元2输出的两路差分信号进行放大，放大倍数由幅度控制电路4输出的电压控制信号进行控制，以实现幅度控制。

参见图2，在具体实施例中，所述移相单元2包括由四组共源差分对管组成的共源电路；四组共源差分对管分别对四路正交信号IN、IP、QN、QP进行信号放大，并合成为两路差分信号输出到调幅单元3；相位控制电路5输出的电压控制信号输入到共源差分对管的栅极，对共源差分对管进行电流控制。

其中，第五与第六MOS管M5、M6、第七与第八MOS管M7、M8、第九与第十MOS管M9、M10、第十一与第十二MOS管M11、M12分别组成共源差分对管；第五～第十二MOS管M5～M12的源极相连，第五、第八MOS管M5、M8的栅极同时接收四路正交信号中的第一路正交信号IP，第六、第七MOS管M6、M7的栅极同时接收四路正交信号中的第二路正交信号IN，第九、第十二MOS管M9、M12的栅极同时接收四路正交信号中的第三路正交信号QP，第十、第十一MOSM10、M11管的栅极同时接收四路正交信号中的第四路正交信号QN；第五、第六MOS管M5、M6的栅极同时接收相位控制电路5输出的第四电压控制信号VC6，第七、第八MOS管M7、M8的栅极同时接收相位控制电路5输出的第三电压控制信号VC5，第九、第十MOS管M9、M10的栅极同时接收相位控制电路5输出的第二电压控制信号VC4，第十一、第十二MOS管M11、M12的栅极同时接收相位控制电路5输出的第一电压控制信号VC3；第五、第七、第九、第十一MOS管M5、M7、M9、M11的漏极相连，并输出信号到调幅单元3；第六、第八、第十、第十二MOS管M6、M8、M10、M12的漏极相连，并输出信号到调幅单元3。

本发明相位控制的原理是利用控制I路信号与Q路信号的幅度关系来达到移相的功能。图2中采用共源差分对管放大IQ正交信号，相位控制电路5输出的电压控制信号VC3～VC6对共源差分对管进行电流控制，进而控制每一共源差分对管的输出信号幅度，完成360度移相。

在具体实施例中，调幅单元3包括由二组共栅差分对管组成的共栅电路；移相单元2输出的两路差分信号分别输入到二组共栅差分对管的源极；幅度控制电路4输出的电压控制信号输入到共栅差分对管的删极，对共栅差分对管进行电流控制。流过共栅差分对管的电流I1A、I2A比值与幅度控制电路4中电流I1、I2比值相同。

图2中，M1与M2组成一对共栅差分对管，M3与M4组成另一对共栅差分对管，二对差分对管的源极分别接收移相单元2输出的差分信号；M1与M4的栅极相连，接收幅度控制电路4输出的电压控制信号VC1；M2与M3的栅极相连，接收幅度控制电路4输出的电压控制信号VC2。

在调幅单元3中，M1将抽取M2的电流，当流过M2的电流最大时，调幅单元3增益最高；当流过M2的电流最小时，调幅单元3的增益最小；因此通过控制流过M1电流与流过M2电流的比例关系可以控制调幅单元3的增益。因为图2中VC1与VC2与图3中VC1与VC2相连，而图3中I1与I2的比例将很好的拷贝到图2的电路中，且I1与I2比例关系在非常悬殊时仍然能保证精确性，这对提高可变增益放大器的动态范围非常重要。

参见图3，在具体实施例中，幅度控制电路4包括n个电流控制单元一，每个电流控制单元一均将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号；n的数值由第一外部数字控制信号位数确定，第一外部数字控制信号位数决定了幅度控制的精度；如第一DAC控制位数为5位，n的数值为32；如第一DAC控制位数为6位，n的数值为64。每个电流控制单元一均包括放大管一和第一、第二开关电路；放大管一将第一参考电流放大，第一、第二开关电路受第一译码器6输出的控制信号的控制，对放大管一输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号。而每个电流控制单元一中放大管一的放大倍数是不同。并且，在保证电流I1与I2之和不变的情况下，电流I1与I2之比值受第一译码器6输出的控制信号的控制。

在此，以幅度控制电路4的第一个电流控制单元一为例进行说明，放大管一是1X7，1X1、1X3和1X5构成第一开关电路，1X2、1X4和1X6构成第二开关电路；1X1、1X2、1X5和1X6的栅极分别受第一译码器6输出的控制信号S1、S1U、S1UN、S1N的控制，其中，S1与S1N为一组反向信号，S1U与S1UN为一组反向信号。第一、第二开关电路受S1、S1U、S1UN、S1N的控制，对放大管一1X7输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号1I1、1I2。

幅度控制电路4的原理是采用电流切换来实现电流比例关系的拷贝，并且，在保证电流I1与电流I2之和不变的情况下电流I1与电流I2的比例按外部数字控制信号进行变化。

参见图4，在具体实施例中，所述相位控制电路5包括m个电流控制单元二，每个电流控制单元二均将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号。m的数值由第二DAC控制位数确定，第二DAC控制位数决定了移相控制的精度；如第二DAC控制位数为5位，m的数值为32；如第二DAC控制位数为6位，m的数值为64。每个电流控制单二均包括放大管二和第三、第四开关电路；放大管二对第二参考电流进行放大，第三、第四开关电路受第二译码器7输出的控制信号的控制，对放大管二输出的电流进行电流切换，转换成第三、第四电流信号。每个电流控制单元二中放大管二的放大倍数是不同。相位控制电路5中电子开关K1、K2用于将二组电压控制信号转换成四组电压控制信号。并且，在保证电流I3与I4之和不变的情况下，电流I3与I4之比值受第二译码器7输出的控制信号的控制。

在此，以相位控制电路5的第一个电流控制单元二为例进行说明。图4中，放大管一是1T7，1T1、1T2和1T3构成第三开关电路，1T4、1T5和1T6构成第四开关电路；1T1、1T2、1T4和1T5的栅极分别受第一译码器6输出的控制信号W1、W1U、W1UN、W1N的控制，其中，W1与W1N为一组反向信号，W1U与W1UN为一组反向信号。第一、第二开关电路受W1、W1U、W1UN、W1N的控制，对放大管一1T7输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号1I3、1I4。

相位控制电路5的原理与幅度控制电路的原理类似，都是采用电流切换来实现电流比例关系的拷贝。在保证电流I3与电流I4之和不变的情况下电流I3与电流I4的比例按外部数字控制信号进行变化。为了实现360度移相，在控制电路中加入两个一转二开关以选择移相的相限，最终达到360度移相的目的。

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 (8)

1.有源幅相控制电路，包括正交产生器(1)、移相调幅单元、幅度控制DAC和相位控制DAC；其特征在于：移相调幅单元包括移相单元(2)和调幅单元(3)；幅度控制DAC包括幅度控制电路(4)和第一译码器(6)，相位控制DAC包括相位控制电路(5)和第二译码器(7)；

第一译码器(6)用于将外部数字控制信号转换为模拟控制电平输出到幅度控制电路(4)；

第二译码器(7)用于将外部数字控制信号转换为模拟控制电平输出到相位控制电路(5)；

幅度控制电路(4)用于将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成二路电压控制信号输出到调幅单元(3)；

相位控制电路(5)用于将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号，再将该二路电流信号转换成四路电压控制信号输出到移相单元(2)；

正交产生器(1)用于将差分射频信号转换成四路正交信号(IN、IP、QN、QP)输出到移相单元(2)；

移相单元(2)用于将正交产生器(1)输出的四路正交信号(IN、IP、QN、QP)进行信号放大，再合成为两路差分信号输出到调幅单元(3)，以实现360度移相；信号放大倍数由相位控制电路(5)输出的电压控制信号进行控制；

调幅单元(3)用于将移相单元(2)输出的两路差分信号进行放大，放大倍数由幅度控制电路(4)输出的电压控制信号进行控制，以实现幅度控制。

2.根据权利要求1所述的有源幅相控制电路，其特征在于：所述移相单元(2)包括由四组共源差分对管组成的共源电路；四组共源差分对管分别对四路正交信号(IN、IP、QN、QP)进行信号放大，并合成为两路差分信号输出到调幅单元(3)；相位控制电路(5)输出的电压控制信号输入到共源差分对管的栅极，对共源差分对管进行电流控制。

3.根据权利要求2所述的有源幅相控制电路，其特征在于：调幅单元(3)包括由二组共栅差分对管组成的共栅电路；移相单元(2)输出的两路差分信号分别输入到二组共栅差分对管的源极；幅度控制电路(4)输出的电压控制信号输入到共栅差分对管的栅极，对共栅差分对管进行电流控制。

4.根据权利要求1、2或3所述的有源幅相控制电路，其特征在于：移相单元(2)中的四组共源差分对管分别由第五与第六MOS管、第七与第八MOS管、第九与第十MOS管、第十一与第十二MOS管组成；第五～第十二MOS管，第五～第十二MOS管的源极相连，第五、第八MOS管的栅极同时接收正交产生器(1)输出的第一路正交信号(IP)，第六、第七MOS管的栅极同时接收正交产生器(1)的第二路正交信号(IN)，第九、第十二MOS管的栅极同时接收正交产生器(1)输出的第三路正交信号(QP)，第十、第十一MOS管的栅极同时接收正交产生器(1)输出的第四路正交信号(QN)；第五、第六MOS管的栅极同时接收相位控制电路(5)输出的第四电压控制信号，第七、第八MOS管的栅极同时接收相位控制电路(5)输出的第三电压控制信号，第九、第十MOS管的栅极同时接收相位控制电路(5)输出的第二电压控制信号，第十一、第十二MOS管的栅极同时接收相位控制电路(5)输出的第一电压控制信号；第五、第七、第九、第十一MOS管的漏极相连，并输出信号到调幅单元(3)；第六、第八、第十、第十二MOS管的漏极相连，并输出信号到调幅单元(3)。

5.根据权利要求4所述的有源幅相控制电路，其特征在于：幅度控制电路(4)包括n个电流控制单元一，n为正整数；每个电流控制单元一均将第一参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号。

6.根据权利要求5所述的有源幅相控制电路，其特征在于：每个电流控制单元一均包括放大管一和第一、第二开关电路；放大管一将第一参考电流放大，第一、第二开关电路受第一译码器(6)输出的控制信号的控制，对放大管一输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号。

7.根据权利要求4所述的有源幅相控制电路，其特征在于：相位控制电路(5)包括m个电流控制单元二，m为正整数；每个电流控制单元二均将第二参考电流进行放大和电流切换，转换成二路电流信号。

8.根据权利要求7所述的有源幅相控制电路，其特征在于：每个电流控制单元二均包括放大管二和第三、第四开关电路；放大管二将第二参考电流放大，第三、第四开关电路受第二译码器(7)输出的控制信号的控制，对放大管二输出的电流进行电流切换，转换成二路电流信号。