CN104767501B - 一种基于超高频rfid应用的6位360°有源移相器 - Google Patents
一种基于超高频rfid应用的6位360°有源移相器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超高频RFID应用的6位360°有源移相器，其正交信号产生电路‑由两级电阻和电容构成，将输入信号转换成正交的I路和Q路信号，然后分别输入到I路和Q路吉尔伯特单元；象限选择器控制所需相位在相应象限内的产生，坐标轴选择器控制在相应象限内信号合成时坐标轴变量的转换，进而简化逻辑编码电路；电流偏置阵列包括I路与Q路电流偏置阵列，其开关控制信号是互补的，分别控制I、Q两路输出信号的幅度，改变合成信号的相位；逻辑编码电路主要产生象限与坐标轴选择器以及电流偏置阵列的控制信号；加法器实现I、Q路信号的矢量叠加，输出一系列同幅不同相的信号。本发明减小了芯片面积，降低了成本，简化了移相器的逻辑编码电路。
Description
技术领域
本发明属于有源移相器技术领域，具体涉及一种6位360°有源移相器。本发明尤其应用于超高频RFID读写器系统。
背景技术
超高频RFID系统是一个无源的半双工识别系统，读写器发射端产生并向外发射载波信号与调制信号，无源射频标签接收载波信号并转化成能量为其供电，同时将接收的调制信号后向散射回读写器接收端。根据EPC二代协议，在每一次RFID系统通信中，读写器都要在接收散射信号时发射载波信号为无源射频标签提供能量。读写器发射机和接收机同频且同时工作的特性使得接收机和发射机之间的隔离变得很困难，发射机泄漏到接收机的信号功率通常会大于0dBm。因此，要求读写器接收机具有泄露信号抵消电路。
在信号抵消电路中，输入信号来源于定向耦合器，其与泄露信号的相位差是未知的，需要一个360°有源移相器改变输入信号的相位，控制其与泄露信号具有相反的相位。移相器主要分为无源移相器和有源移相器，无源移相器不仅有插入损耗，而且多组无源器件所需面积较大，不利于大规模集成。有源移相器虽然牺牲了功耗性能，但在转换输入信号的相位时具有一定的增益，有源器件占用面积较小，利于集成。因此，有源移相器的性能要优于无源移相器。
在参考文献【1】(A.Asoodeh and M.Atarodi,“A 6-bit active digital phaseshifter,”IEEE IEICE Electronics Express,vol.8,pp.121-128,Jan,2011.)中，如图3所示，有源移相器采用吉尔伯特单元作为输入级，在直流通路上进行象限转换，用电流偏置阵列改变I、Q两路输出信号的幅度。正交信号产生电路采用RLC结构，虽然频率较高，但采用多个电感，面积仍然较大。移相器的逻辑编码电路的6位数控位同时控制象限的转换与电流偏置阵列，编码电路比较复杂。
移相器的象限控制不仅可以在直流通路上进行，还可以在射频通路上进行，如文献CN103986439A所公开的方案，依然是通过改变偏置电流的大小实现输出相位的调谐，但其象限的控制放置于压控放大器的前一级。相对于直流通路上的低频象限选择器来说，一个高频象限选择器的设计可能会出现很多问题，比如噪声、频带内的相位平坦度、寄生电容等。该移相器的正交信号产生电路同样采用RLC结构，所占面积相对较大；其编码电路的方式和参考文献【1】类似，逻辑电路也比较复杂。
现有的有源移相器都是基于控制象限选择和电流偏置阵列来实现相位调谐的，在坐标轴选择上还没有相关文献的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于超高频RFID应用的6位360°有源移相器，通过逻辑编码电路数控位的高两位控制象限选择、坐标轴以及低四位控制电流偏置阵列，将编码电路简单化。正交信号产生电路仅采用RC结构，减小电感所占的面积，降低芯片成本。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
基于超高频RFID应用的6位360°有源移相器，包括正交信号产生电路、I路吉尔伯特单元、Q路吉尔伯特单元、象限与坐标轴选择器、电流偏置阵列、逻辑编码电路、加法器。
正交信号产生电路由两级相同结构的RC网络构成，差分信号输入到正交信号产生电路，输出两路正交的I路差分信号和Q路差分信号，然后将I路信号和Q路信号分别输入到I路吉尔伯特单元和Q路吉尔伯特单元，将电压信号转化成电流信号进行处理。
象限与坐标轴选择器分别控制所需相位对应象限的选择和其在相应象限内信号合成时坐标轴变量的转换，进而简化逻辑编码电路。
电流偏置阵列包括I路电流偏置阵列与Q路电流偏置阵列，其开关控制信号是互补的，分别控制I、Q两路输出信号幅度的大小，改变合成信号的相位；逻辑编码电路主要产生象限与坐标轴选择器以及电流偏置阵列开关的控制信号。
经过上述各个模块的处理，差分输入的电压信号转化为电流信号，再将其输入到加法器，即负载电阻，转化成一系列同幅不同相的电压信号。
本发明技术的原理：
本发明所述正交信号产生电路由两级相同结构的RC网络构成，包括两个差分输入端口Vi+、Vi-，四个正交输出端口Voi+、Voi-、Voq+、Voq-以及四个正交节点V1+、V1-、V2+、V2-。输入端口Vi+与电阻R1、R2以及电容C1、C2的一端连接，输入端口Vi-与电阻R3、R4以及电容C3、C4的一端连接；节点V1+与电阻R1、R5与电容C4、C5的一端连接，节点V2+与电阻R2、R6与电容C1、C6的一端连接，节点V1-与电阻R3、R7与电容C2、C7的一端连接，节点V2-与电阻R4、R8与电容C3、C8的一端连接；输出端口Voi+与电阻R5和电容C8的另一端连接，输出端口Voq+与电阻R6和电容C5的另一端连接，输出端口Voi-与电阻R7和电容C6的另一端连接，输出端口Voq-与电阻R8和电容C7的另一端连接。
根据叠加定理，考虑所有电阻值均等于R，所有电容值均等于C，分析出连接点V1+、V1-、V2+、V2-的表达式为：
其中，A为差分输入信号Vi+、Vi-的峰值，θ1＝tan(-ωRC),θ2＝tan(1/ωRC)。当RC网络工作在所设计的频率附近时，θ1≈-45°,θ2≈45°，上述四路信号处于正交状态。同理，对第二级RC网络进行叠加分析，在工作频率附近，输出端口信号Voi+、Voi-、Voq+、Voq-也相互正交。单级RC网络构成的正交信号产生电路频率带宽较窄，为了拓展带宽，本发明采用两级RC网络级联，以满足超高频RFID的应用需求。
进一步，所述I路吉尔伯特单元由四个NMOS管M1、M2、M3、M4组成，其中M1与M4的栅极与输入端口Voi+连接，M2与M3的栅极与输入端口Voi-连接，M1与M2的源极与节点X1连接，M3与M4的源极与节点X2连接，M1与M3的漏极与输出端口VO+连接，M2与M4的漏极与输出端口VO-连接；Q路吉尔伯特单元由四个NMOS管M5、M6、M7、M8组成，其中M5与M8的栅极与输入端口Voq+连接，M6与M7的栅极与输入端口Voq-连接，M5与M6的源极与节点Y1连接，M7与M8的源极与节点Y2连接，M5与M7的漏极与输出端口VO+连接，M6与M8的漏极与输出端口VO-连接。
进一步，所述象限与坐标轴选择器4包括象限选择器与坐标轴选择器。象限选择器由NMOS管M9、M10、M11、M12组成，控制不同象限的选择，其中M9、M10的栅极分别与控制信号IS、ISB连接，漏极分别与节点X1、X2连接，源级与Z1连接，M11、M12的栅极分别与控制信号QS、QSB连接，漏极分别与节点Y1、Y2连接，源级与Z2连接；坐标轴选择器由NMOS管M13、M14、M15、M16组成，控制坐标轴变量的转换，其中M13、M16的栅极分别与控制信号AX、AXB连接，漏极分别与节点Z1、Z2连接，源级与IIC连接，M14、M15的栅极分别与控制信号AXB、AX连接，漏极分别与节点Z1、Z2连接，源级与QIC连接。
进一步，所述电流偏置阵列由I路电流偏置阵列和Q路电流偏置阵列组成。其中I路电流偏置阵列包括6路电流偏置，分别受S0B、S1B、S2B、S3B、S4B、S5B控制，当控制位为高电平时，开关打开；Q路电流偏置阵列包括6路电流偏置，分别受S0、S1、S2、S3、S4、S5控制，当控制位为高电平时，开关打开；I、Q两路电流偏置阵列的控制位是互补的。
进一步，逻辑编码电路由6位数控位组成，高两位实现象限与坐标轴选择器的控制，低四位实现电流偏置阵列的控制。一般6位360°移相器的编码是从0°开始，每隔5.625°，进行一次编码，直到354.375°，即从000000至111111。在此过程中，所有的数控位同时参与象限选择器以及电流偏置阵列的编码，相对复杂。本发明的编码原理是，高两位仅用于控制象限与坐标轴选择器，低四位实现每一象限5.625°步进的移相。在编码过程中，控制坐标轴选择位，使得第一象限和第三象限的坐标轴保持不变，即X轴为I路信号，Y轴为Q路信号，而第二象限和第四象限的坐标轴进行调换，即X轴为Q路信号，Y轴为I路信号。这样的编码方式，简化了逻辑编码电路，便于实现。本发明编码与一般编码的对比如下表，其中象限选择控制位为IS和QS，坐标轴选择控制位为AX。
通过I路吉尔伯特单元、Q路吉尔伯特单元、象限与坐标轴选择器、以及电流偏置阵列的处理，将正交的I、Q两路电压信号转化为具有不同幅度的正交电流信号，通过加法器即负载电阻R进行相加，转化为所需相位的输出信号。
本发明的有益效果是，本发明的正交信号产生电路采用RC结构，相对于RLC结构，减小了芯片面积，降低了成本；所用的坐标轴选择器简化了移相器的逻辑编码电路；同时有源移相器也能避免无源移相器损耗大的缺点。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明提出的正交信号产生电路原理图；
图3为传统技术的矢量加法电路原理图；
图4为本发明提出的矢量加法电路原理图；
图5为本发明与传统技术的编码方式示意图，其中，图(a)为传统技术的一般6位360°移相器的编码，图(b)为本发明的编码；
图6为本发明的电流偏置阵列原理图；
图7为本发明在超高频RFID的工作频段内的输出相位图；
图8为本发明的均方根相位误差和均方根幅度误差。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的具体实施方式。
本发明的结构示意图参见图1，包括正交信号产生电路1、I路吉尔伯特单元2、Q路吉尔伯特单元3、象限与坐标轴选择器4、电流偏置阵列5、逻辑编码电路6、加法器7。
正交信号产生电路1由两级相同结构的RC网络构成，差分信号输入到正交信号产生电路，输出两路正交的I路差分信号和Q路差分信号，然后将I路信号和Q路信号分别输入到I路吉尔伯特单元2和Q路吉尔伯特单元3，将电压信号转化成电流信号进行处理。象限与坐标轴选择器4分别控制所需相位对应象限的选择和其在相应象限内信号合成时坐标轴变量的转换，进而简化逻辑编码电路。电流偏置阵列5包括I路电流偏置阵列与Q路电流偏置阵列，其开关控制信号是互补的，分别控制I、Q两路输出信号幅度的大小，改变合成信号的相位；逻辑编码电路6主要产生象限与坐标轴选择器以及电流偏置阵列开关的控制信号。经过上述各个模块的处理，差分输入的电压信号转化为电流信号，再将其输入到加法器，即负载电阻，转化成一系列同幅不同相的电压信号。
本发明中的正交信号发生电路1参见图2，由两级相同结构的RC网络构成，包括两个差分输入端口Vi+、Vi-，四个正交输出端口Voi+、Voi-、Voq+、Voq-以及四个正交节点V1+、V1-、V2+、V2-，其中电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝R8＝R，电容C1＝C2＝C3＝C4＝C5＝C6＝C7＝C8＝C。输入端口Vi+与电阻R1、R2以及电容C1、C2的一端连接，输入端口Vi-与电阻R3、R4以及电容C3、C4的一端连接；节点V1+与电阻R1、R5与电容C4、C5的一端连接，节点V2+与电阻R2、R6与电容C1、C6的一端连接，节点V1-与电阻R3、R7与电容C2、C7的一端连接，节点V2-与电阻R4、R8与电容C3、C8的一端连接；输出端口Voi+与电阻R5和电容C8的另一端连接，输出端口Voq+与电阻R6和电容C5的另一端连接，输出端口Voi-与电阻R7和电容C6的另一端连接，输出端口Voq-与电阻R8和电容C7的另一端连接。在所需的工作频带内，输出信号幅度相同，相位正交。
矢量加法电路具体实施方案参见图4，包括I路吉尔伯特单元2、Q路吉尔伯特单元3、象限与坐标轴选择器4、电流偏置阵列5、加法器7。
所述I路吉尔伯特单元2由四个NMOS管M1、M2、M3、M4组成，其中M1与M4的栅极与输入端口Voi+连接，M2与M3的栅极与输入端口Voi-连接，M1与M2的源极与节点X1连接，M3与M4的源极与节点X2连接，M1与M3的漏极与输出端口VO+连接，M2与M4的漏极与输出端口VO-连接；Q路吉尔伯特单元3由四个NMOS管M5、M6、M7、M8组成，其中M5与M8的栅极与输入端口Voq+连接，M6与M7的栅极与输入端口Voq-连接，M5与M6的源极与节点Y1连接，M7与M8的源极与节点Y2连接，M5与M7的漏极与输出端口VO+连接，M6与M8的漏极与输出端口VO-连接。
所述象限与坐标轴选择器4包括象限选择器与坐标轴选择器。象限选择器由NMOS管M9、M10、M11、M12组成，控制象限的选择，其中M9、M10的栅极分别与控制信号IS、ISB连接，漏极分别与节点X1、X2连接，源级与Z1连接，M11、M12的栅极分别与控制信号QS、QSB连接，漏极分别与节点Y1、Y2连接，源级与Z2连接；坐标轴选择器由NMOS管M13、M14、M15、M16组成，控制坐标轴变量的切换，其中M13、M16的栅极分别与控制信号AX、AXB连接，漏极分别与节点Z1、Z2连接，源级与IIC连接，M14、M15的栅极分别与控制信号AXB、AX连接，漏极分别与节点Z1、Z2连接，源级与QIC连接。
所述电流偏置阵列5由I路电流偏置阵列和Q路电流偏置阵列组成。其中I路电流偏置阵列包括6路电流偏置，分别受S0B、S1B、S2B、S3B、S4B、S5B控制，当控制位为高电平时，开关闭合；Q路电流偏置阵列包括6路电流偏置，分别受S0、S1、S2、S3、S4、S5控制，当控制位为高电平时，开关闭合；I、Q两路电流偏置阵列的控制位是互补的。
逻辑编码电路6的编码方式参见图5，其由6位数控位组成，高两位实现象限与坐标轴选择器的控制，低四位实现电流偏置阵列的控制。一般6位360°移相器的编码(a)是从0°开始，每隔5.625°，进行一次编码，直到354.375°，即从000000至111111。本发明的编码(b)原理是，高两位仅用于控制象限与坐标轴选择器，低四位实现每一象限5.625°步进的移相。在编码过程中，第一象限和第三象限的坐标轴保持不变，即X轴为I路信号，Y轴为Q路信号，而第二象限和第四象限的坐标轴进行调换，即X轴为Q路信号，Y轴为I路信号。这样的编码方式，简化了逻辑编码电路，便于实现。
本发明的电流偏置阵列原理参见图6，I路电流偏置阵列的两路电流由N2、N3、N4、N8、N9和N10组成，其中N3、N4、N9、N10为开关管，N2、N8为偏置管，N2的栅极与N3的漏极和N4的漏极连接，漏极与端口IIC连接，源级与N4的源级共同接地，N3与N4的栅极分别由S0B和S0控制，N3的源级与端口IB连接。N8、N9、N10采用类似的连接方式，唯一不同的是，N9与N10的栅极分别由S5B和S5控制。Q路电流偏置阵列的两路电流由N5、N6、N7、N11、N12和N13组成，其中N6、N7、N12、N13为开关管，N5、N11为偏置管。采用相似连接，N6与N7的栅极分别由S0和S0B控制，N12与N13的栅极分别由S5和S5B控制，N5和N11的漏极与端口QIC连接。N1为镜像管，栅极与漏极短接与端口IB连接，源级接地。I、Q两路电流偏置阵列的控制信号是互补的。
图7为本发明在超高频RFID的工作频段内的输出相位图，在整个工作频段内，相位变化较平坦。本发明的均方根相位误差和均方根幅度误差如图8所示，均方根相位误差小于0.21度，均方根幅度误差小于0.3dB，说明本发明在整个频段内输出相位步进均接近于5.625度。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于超高频RFID应用的6位360°有源移相器，包括正交信号产生电路(1)、I路吉尔伯特单元(2)、Q路吉尔伯特单元(3)、象限与坐标轴选择器(4)、电流偏置阵列(5)、逻辑编码电路(6)、加法器(7)，其特征在于：正交信号产生电路(1)由两级相同结构的RC网络构成，差分信号输入到正交信号产生电路，输出两路正交的I路差分信号和Q路差分信号，然后将I路信号和Q路信号分别输入到I路吉尔伯特单元(2)和Q路吉尔伯特单元(3)，将电压信号转化成电流信号进行处理；象限与坐标轴选择器(4)分别控制所需相位对应象限的选择和其在相应象限内信号合成时坐标轴变量的转换；电流偏置阵列(5)包括I路电流偏置阵列与Q路电流偏置阵列，其开关控制信号是互补的，分别控制I、Q两路输出信号幅度的大小，改变合成信号的相位；逻辑编码电路主要产生象限与坐标轴选择器以及电流偏置阵列开关的控制信号，经过上述各个模块的处理，差分输入的电压信号转化为电流信号，再将其输入到加法器，即负载电阻，转化成一系列同幅不同相的电压信号；
所述正交信号产生电路(1)由两级相同结构的RC网络构成，包括两个差分输入端口Vi+、Vi-，四个正交输出端口Voi+、Voi-、Voq+、Voq-以及四个正交节点V1+、V1-、V2+、V2-，输入端口Vi+与电阻R1、R2以及电容C1、C2的一端连接，输入端口Vi-与电阻R3、R4以及电容C3、C4的一端连接；节点V1+与电阻R1、R5与电容C4、C5的一端连接，节点V2+与电阻R2、R6与电容C1、C6的一端连接，节点V1-与电阻R3、R7与电容C2、C7的一端连接，节点V2-与电阻R4、R8与电容C3、C8的一端连接；输出端口Voi+与电阻R5和电容C8的另一端连接，输出端口Voq+与电阻R6和电容C5的另一端连接，输出端口Voi-与电阻R7和电容C6的另一端连接，输出端口Voq-与电阻R8和电容C7的另一端连接；
所述象限与坐标轴选择器(4)包括象限选择器与坐标轴选择器，象限选择器由NMOS管M9、M10、M11、M12组成，控制不同象限的选择，其中M9、M10的栅极分别与控制信号IS、ISB连接，漏极分别与节点X1、X2连接，源级与Z1连接，M11、M12的栅极分别与控制信号QS、QSB连接，漏极分别与节点Y1、Y2连接，源级与Z2连接；坐标轴选择器由NMOS管M13、M14、M15、M16组成，控制坐标轴变量的转换，其中M13、M16的栅极分别与控制信号AX、AXB连接，漏极分别与节点Z1、Z2连接，源级与IIC连接，M14、M15的栅极分别与控制信号AXB、AX连接，漏极分别与节点Z1、Z2连接，源级与QIC连接；
逻辑编码电路(6)由6位数控位组成，高两位实现象限与坐标轴选择器的控制，低四位实现电流偏置阵列的控制，在编码过程中，第一象限和第三象限的坐标轴保持不变，即X轴为I路信号，Y轴为Q路信号，而第二象限和第四象限的坐标轴进行调换，即X轴为Q路信号，Y轴为I路信号。
2.根据权利要求1所述的有源移相器，其特征在于：所述I路吉尔伯特单元(2)由四个NMOS管M1、M2、M3、M4组成，其中M1与M4的栅极与输入端口Voi+连接，M2与M3的栅极与输入端口Voi-连接，M1与M2的源极与节点X1连接，M3与M4的源极与节点X2连接，M1与M3的漏极与输出端口VO+连接，M2与M4的漏极与输出端口VO-连接；Q路吉尔伯特单元(3)由四个NMOS管M5、M6、M7、M8组成，其中M5与M8的栅极与输入端口Voq+连接，M6与M7的栅极与输入端口Voq-连接，M5与M6的源极与节点Y1连接，M7与M8的源极与节点Y2连接，M5与M7的漏极与输出端口VO+连接，M6与M8的漏极与输出端口VO-连接。
3.根据权利要求1所述的有源移相器，其特征在于：所述电流偏置阵列(5)由I路电流偏置阵列和Q路电流偏置阵列组成，其中I路电流偏置阵列包括6路电流偏置，分别受S0B、S1B、S2B、S3B、S4B、S5B控制，当控制位为高电平时，开关闭合；Q路电流偏置阵列包括6路电流偏置，分别受S0、S1、S2、S3、S4、S5控制，当控制位为高电平时，开关闭合；I、Q两路电流偏置阵列的控制位是互补的。
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