CN104836551B - 微波毫米波和太赫兹电路及相控阵的低功率波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微波毫米波和太赫兹电路及相控阵的低功率波束形成方法，具体提供一种适用于毫米波和太赫兹频段的微分求积信号发生器，属于通信技术领域。本发明提供的微分求积信号发生器可以被诸如功放器、差分驱动移相器、巴特勒矩阵、六端口网络等新型差分电路所采用。运用本发明技术所建立的所有电路都具有低功耗和高线性度的额外优势，这是由于这些电路都是基于没有引入额外动力的无源网络来完成的。采用本发明的电路，其接地装置有较小的误差、抵抗电磁干扰强且相对于单端电路来说有较低的损耗。

Description

微波毫米波和太赫兹电路及相控阵的低功率波束形成方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及微波毫米波和太赫兹电路及相控阵的低功率波束形成方法，具体涉及一种独特的微分求积(DQ)信号发生器，另外一种有着相对较宽的带宽和小型化尺寸的Lange耦合器被广泛用于MMIC设计里面，特别用于宽带混合器、Dorhty放大器。

背景技术

相控阵雷达具有多功能、多目标跟踪和多种工作方式等优点,这些优点的发挥,以及相控阵雷达战术性能的提高,在很大程度上都与形成多波束能力有关。随着数字技术与大规模数字与模拟集成电路技术的进步,数字多波束形成技术已开始应用于相控阵雷达型号产品之中。超高速模拟数字变换器(ADC)、数字通道接收机、基于直接频率综合器(DDS)的多通道相关信号的产生为数字式接收与发射多波束的形成及数字阵列雷达(DAR)的发展提供了新的技术基础。先进相控阵雷达性能的进一步提高在很大程度上取决于其形成多波束的能力与实现方法。

I/Q调制信号发生器或者说90度混合耦合器是一种网络，能够提供两个同样幅值但相位差别90度的输出信号，在射频收发前端里是一种非常重要的功能模块。运用晶体管电路去实现混合耦合器的功能是可行的。然而，现在也面临着功耗低于1dB、相位与幅值之间平衡的低精确度等问题。因此，对于微波应用来说，无源网络被广泛用于I/Q调制信号发生器中，如分支线耦合器、Lange耦合器等。为了达到15％或者更高的带宽，分支线耦合器可以从一阶变到高阶。但不足的是相对较大的尺寸，尤其是一旦高阶耦合器被用到，就会增加损耗和尺寸。对IC设计来说，它不是一种有成本效益的方法。另外一种有着相对较宽的带宽和小型化尺寸的Lange耦合器被广泛用于MMIC设计里面，特别用于宽带混合器、Dorhty放大器。为了实现混合耦合器的小型化，我们可以采用在LC网络里面运用集总元件的方法。在基带处理或者混合电路的镜频抑制控制中，I/Q调制信号发生器是这些架构里面必不可少的一部分。I/Q调制信号发生器还有其他的应用，比如：六端口网络，巴特勒矩阵，波束形成等。众所周知，一个n×n的巴特勒矩阵或者线性的n元天线阵列，会产生n个正交的波束。通过混合耦合器的运用，波束形成特性和接收机特性都能够得到改进。由于60GHz短范围无线通信波束形成的需求被引起了关注，the IEEE 802.11ad在波束形成上有直接的需求。然而，对于移动通信特别是个人手持设备来说，低功率和高性能是采用60GHz波束形成系统的重要需求。

发明内容

本发明技术是建立在差分驱动电路之上的。由于微分求积信号发生器的基础性构件，这个微分求积信号发生器可以被诸如功放器、差分驱动移相器、巴特勒矩阵、六端口网络等新型差分电路所采用。运用本发明技术所建立的所有电路都具有低功耗和高线性度的额外优势，这是由于这些电路都是基于没有引入额外动力的无源网络来完成的。它被用于低功率设计特别是像智能手机这类手持设备是非常引人注目的。

本发明所采用的技术方案是：

一种微分求积信号发生器，包含输入端、隔离端、耦合端及直通端，所述每一端由两个差分端口构成，即输入端由[1+]端口和[1-]端口构成，隔离端由[2+]端口和[2-]端口构成，耦合端由[3+]端口和[3-]端口构成，直通端由[4+]端口和[4-]端口构成，所述[1+]端口通过第一传输线与[2-]端口连接，[1-]端口通过第二传输线与[2+]端口连接，[3+]端口通过第三传输线与[4-]端口连接，[3-]端口通过第四传输线与[4+]端口连接，所述第一传输线与第四传输线之间、第二传输线与第三传输线之间、第一传输线与第三传输线之间、第二传输线与第四传输线之间均通过耦合方式传输能量。

所述四条传输线的长度均相等。

进一步的，为了便于实现，所述微分求积信号发生器采用双层结构，如图1所示，上层记为A层，下层记为B层，所述八个差分端口均设置于A层上表面便于与外部端口连接，所述第二传输线与第四传输线之间采用窄边耦合方式设置于A层上，所述第一传输线与第三传输线之间采用窄边耦合方式设置于B层上表面，所述第一传输线与第四传输线之间、第二传输线与第三传输线之间均采用宽边耦合方式，所述[1+]端口、[2-]端口、[3+]端口及[4-]端口分别通过贯穿层A的金属通孔与相应的传输线连接；所述微分求积信号发生器的输入端与直通端位于发生器的同一侧，其耦合端与隔离端同位于发生器的另一侧。

进一步的，通过对图1所示结构的改进，本发明针对所述微分求积信号发生器提出另一种可实现结构，如图2所示，所述微分求积信号发生器为双层结构，上层记为A层，下层记为B层，所述八个差分端口均设置于A层上表面便于与外部端口连接；所述第一、第二、第三及第四传输线均分为两部分，分别记为相应传输线的第一部分和第二部分，四条传输线的第一部分的长度相等；所述第一传输线靠近[1+]端口的部分记为该传输线的第一部分位于层B上表面，其靠近[2-]端口的部分即该传输线的第二部分位于层A上表面，所述第一传输线的两部分通过贯穿于层A的金属通孔连接；所述第二传输线靠近[1-]端口的部分记为该传输线的第一部分位于层A上表面，其靠近[2+]端口的部分即该传输线的第二部分位于层B上表面；

同样的，所述第三传输线靠近[3+]端口的第一部分位于层A上表面，其靠近[4-]端口的第二部分位于层B；所述第四传输线靠近[3-]端口的第一部分位于层B上表面，其靠近[4+]端口的第二部分位于层A；所述四条传输线的第一部分各自通过一个贯穿层A的金属通孔与其相应的第二部分连接；所述[1+]端口、[2+]端口、[3-]端口及[4-]端口分别通过贯穿层A的金属通孔与相应的传输线连接；图2所示的微分求积信号发生器通过各个端口之间传输线的上、下层空间结构的转换，使得其端口的排布不同于图1所提供的微分求积信号发生器的端口排布，图2中，所述输入端与隔离端位于微分求积信号发生器的同一侧，而其耦合端与直通端同位于发生器的另一侧。

本发明提供的微分求积信号发生器是不同于传统的四端口I/Q调制信号发生器的，它是拥有四个差分驱动端口的八端口网络。本发明提供的微分求积信号发生器的实现可基于CMOS或者BiCMOS的IC制造技术，通过运用多层金属和衬底层，形成了结构简单和良好平衡特性的电路。这四个差分驱动端口在差分驱动模式下工作。它是完全对称的，并且在这个条件下，四个不同的端口可以相应地改变。假如1端口是差分驱动输入端口，那么将会有两个相位差别90度的差分驱动输出端口(也就是说这两个差分驱动输出端口将会产生四个信号，这四个信号有同样的幅值但相位不同，分别是0°，90°，180°，270°)。左面那个端口叫做隔离端口，也是一个差分驱动端口。这个隔离端口也被用来注入信号，并且与差分驱动输入端口1有着很好的隔离性。

该8端口微分求积信号发生器是由运用CMOS或者BiCMOS技术的多金属层的多个传输耦合线组成的。耦合线的宽边耦合和边缘耦合类型在使用金属层的缺陷地结构的帮助下被吸收。多条耦合线的设计参数主要是导线宽度、耦合缝隙和控制耦合强度所选择的层数。耦合线长度是决定各个端口间的匹配与相位关系的很重要的设计参数。

这个微分求积信号发生器可以被用于结构类似于传统的90度混合耦合器中从而形成移相器、巴特勒矩阵和六端口网络。然而，所有相应的端口都是差分驱动，端口间的连接线也都是差分驱动线。它可以被用来连接到单端口设备中，但是对于单连接系统来说，这些需要巴伦把差分端口转换成单端端口。

运用本微分求积信号发生器可以产生巴特勒矩阵，本发明提到的巴特勒矩阵为4×4巴特勒矩阵和8×8巴特勒矩阵。利用这些巴特勒矩阵又可以形成4×4巴特勒矩阵通信系统、8×8巴特勒矩阵通信系统和4×8巴特勒矩阵通信系统。

运用本发明中的微分求积信号发生器，形成巴特勒矩阵，然后与差分驱动天线组合在一起，形成了一种用于相控阵的新波束形成法。

在功率放大器、移相器中内嵌本发明中的微分求积信号发生器，形成了一种新的放大器、移相器的设计方法。

所有运用了该发明的电路都有如下优点：

1)接地装置有较小的误差：在连接设备的终端，接收装置能够分辨出两个信号的不同之处。由于接收机忽略了相对于地的线电压，因此发射机与接收机间的接地电压的微小变化不会影响接收机探测信号的能力；

2)使用低压电子设备的适当性：在电子产业里，特别是针对便携式可移动设备，为了节能和减少多余的发光辐射，降低电源电压是一个可持续性的趋势。然而，一个低电源电压会引起一系列的信令问题，因为它降低了抗干扰度。微分信号技术帮助我们减少了这些问题，这是因为，对于一个给定的电源电压，它能够提供一个单端系统两倍的抗干扰度；

3)抵抗电磁干扰：这个优点不仅仅是由于微分信号技术本身，也是由于在平衡线上传输微分信号的惯例所引起的；

4)相对于单端电路来说有较低的损耗：由于低电阻率硅的使用，商业硅有较高的衬底损耗。差分驱动电路使得电路更少地依赖于有损耗的硅和地，这样虚拟接地就可能存在于差分驱动导线之间。

附图说明

图1是微分求积信号发生器的原理图，其中图1(a)是微分求积信号发生器的内部连接，图1(b)是微分求积信号发生器的示意图；

图2是第二种形式的微分求积信号发生器原理图；

图3是微分求积信号发生器形成六端口网络的运用；

图4是运用微分求积信号发生器产生的差分4×4巴特勒矩阵；

图5是运用微分求积信号发生器产生的差分8×8巴特勒矩阵；

图6是基于差分4×4巴特勒矩阵的通信系统；

图7是基于差分8×8巴特勒矩阵的通信系统；

图8是基于差分4×4巴特勒矩阵的通信系统；

图9是基于差分4×4巴特勒矩阵的通信系统；

图10是基于差分4×8巴特勒矩阵的通信系统；

图11是基于差分4×4巴特勒矩阵的通信系统；

图12是常规8×8差分巴特勒矩阵波束形成的一种典型波束方向图；

图13是应用DQ产生器的差分数字/模拟移相器；

图14是应用DQ放大器的平衡Doherty放大器；

图15是应用DQ产生器的双平衡放大器；

图16是应用DQ产生器的信号分配，其中图16(a)是差分信号转换成两个差分信号，图16(b)是单端信号转换成两个差分信号。

具体实施方式

现在对本发明进行说明，如说明书附图所示，它不是设计的全部，只代表了本发明技术应用实例的一部分。特别是对于微分求积信号发生器和巴特勒矩阵来说，本发明仅用4×4和8×8差分巴特勒矩阵作为举例说明，但是除了差分驱动要求不满足以外，方法可以应用到与传统单端巴特勒矩阵有着相似结构的n×n巴特勒矩阵。

图3展示了微分求积信号发生器可以用来形成六端口网络，单端信号被馈入巴伦里面。巴伦可以把单端信号转变成差分驱动信号。它形成了端口从A1到A6的六端口网络。端口A1和A2间有良好的隔离性。A1和A2通过巴伦分别连接到微分求积信号发生器的差分端口1和2，差分端口3和4分别连接输出端口A3、A4、A5和A6。这个六端口网络可以被用作天线的馈电网络、微波测量系统或者六端口接收机等等。

图4所示为运用微分求积信号发生器产生的差分4×4巴特勒矩阵的结构，从端口1L，2R，2L和1R馈入差分驱动输入信号，输出端口为A1、A2、A3和A4。所述巴特勒矩阵由4个微分求积信号发生器(DQ Generator)组成，所述微分求积信号发生器的1端口为输入端，2端口为隔离端，3端口为耦合端，4端口为直通端。所述四个微分求积信号发生器分别记为“11”、“12”、“21”、“22”信号发生器，差分驱动输入信号从“21”、“22”信号发生器的1端口、2端口共计四个端口输入，信号从“11”、“12”信号发生器的1端口、2端口共计四个端口输出，“21”信号发生器的3端口通过一个45°移相结构与“11”信号发生器的1端口连接，“21”信号发生器的4端口与“12”信号发生器的1端口连接，“22”信号发生器的4端口通过一个45°移相结构与“12”信号发生器的2端口连接，“22”信号发生器的3端口与“11”信号发生器的2端口连接。具体的，这4个微分求积信号发生器采用两行两列的放置方式，从上到下依次为第一行、第二行。从第一行到第二行及从左到右编号依次为“11”、“12”、“21”、“22”；其中“12”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的4端口相连，“11”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的3端口相连。涉及到连接关系的连接线是差分驱动金属导线或者耦合传输线，就像传统巴特勒矩阵，这样做是为了保持相似端口间的相位关系。“11”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的3端口之间连接一个45度的差分移相器，“12”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的4端口之间连接一个45度的差分移相器。通过使用差分驱动移相器，45度差分移相器可以得到应用，另外，45度差分延迟线等移相结构也能够满足相位延迟和阻抗要求。需要说明的是，若所述微分求积信号发生器的1、2、3、4端口分别为输入端、直通端、耦合端及隔离端，此结构的微分求积信号发生器同样能用于实现则图4所示的差分4×4巴特勒矩阵结构。

图5所示为运用微分求积信号发生器产生的差分8×8巴特勒矩阵的结构。输入信号分别是差分驱动信号A1-A8，输出端口1L、4R、3L、2R、2L、3R、4L和1R。该结构用了12个微分求积信号发生器，这12个微分求积信号发生器采用三行四列的放置方式，从上到下依次为第一行、第二行、第三行，从第一行到第三行及从左到右编号依次为“11”、“12”、“13”、“14”、“21”、“22”、“23”、“24”、“31”、“32”、“33”、“34”。其中“11”微分求积信号发生器的4端口与“22”微分求积信号发生器的1端口相连，“21”微分求积信号发生器的2端口与“12”微分求积信号发生器的3端口相连；“13”微分求积信号发生器的4端口与“24”微分求积信号发生器的1端口相连，“14”微分求积信号发生器的3端口与“23”微分求积信号发生器的2端口相连；“21”微分求积信号发生器的4端口与“33”微分求积信号发生器的1端口相连，“31”微分求积信号发生器的2端口与“23”微分求积信号发生器的3端口相连；“22”微分求积信号发生器的4端口与“34”微分求积信号发生器的1端口相连，“24”微分求积信号发生器的3端口与“32”微分求积信号发生器的2端口相连。涉及到连接关系的连接线是差分驱动金属导线或者耦合传输线，就像传统巴特勒矩阵，这样做是为了保持相似端口间的相位关系。“11”微分求积信号发生器的3端口与“21”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个67.5度的差分移相器；“14”微分求积信号发生器的4端口与“24”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个67.5度的差分移相器；“12”微分求积信号发生器的4端口与“22”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个22.5度的差分移相器；“13”微分求积信号发生器的3端口与“23”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个22.5度的差分移相器；“11”微分求积信号发生器的3端口与“21”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个67.5度的差分移相器；“21”微分求积信号发生器的3端口与“31”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个45度的差分移相器；“22”微分求积信号发生器的3端口与“32”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个45度的差分移相器；“23”微分求积信号发生器的4端口与“33”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个45度的差分移相器；“24”微分求积信号发生器的4端口与“34”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个45度的差分移相器。通过使用差分驱动移相器，45度、22.5度、67.5度差分移相器可以得到应用，另外，差分延迟线能够满足巴特勒矩阵的要求。

图6所示为基于图4所示的差分4×4巴特勒矩阵的通信系统，所述通信系统还包括收发机、四个差分天线、四个巴伦和四个SPST开关；收发机连接于基带和IF I/Q信号之间。基带可包含嵌入式电路或者控制设置收发机和开关的处理器。收发机的发射机(Tx)和接收机(Rx)连接到SPTD开关上，收发机的普通端口连接到有四个单刀单掷开关(SPST)的信号分配网络上(这些SPST开关和信号分配网络也可以被单刀四掷(SP4T)开关所取代)。从SPST开关(可以是一个SP4T开关)导出的输出端口通过巴伦连接到4×4巴特勒矩阵上，该矩阵可以作为无源相位控制网络来连接四个波束形成的差分天线。巴伦在这里的作用是作为转换器把单端转换成差分驱动，所以这里用到了单端开关。如果用到了差分驱动开关，巴伦在这里就不需要了。

图7所示为基于差分8×8巴特勒矩阵的通信系统结构，且内嵌微分求积信号发生器。收发机连接于基带和IF I/Q信号之间。基带可能包含嵌入式电路或者控制设置收发机和开关的处理器。发射机(Tx)和接收机(Rx)连接到单刀双掷开关(SPTD)上，普通端口连接到有8个单刀单掷开关(SPST)的信号分配网络上(这些SPST开关和信号分配网络也可以被SP4T开关所取代)。从SPST开关(可以是一个SP8T开关)导出的输出端口经过巴伦连接到8×8巴特勒矩阵上，该矩阵可以作为无源相位控制网络来连接八个波束形成的差分天线。巴伦在这里的作用是作为转换器把单端转换成差分驱动，所以这里用到了单端开关。如果用到了差分驱动开关，巴伦在这里就不需要了。该8×8巴特勒矩阵用了12个微分求积信号发生器，这12个微分求积信号发生器采用三行四列的放置方式，从上到下依次为第一行、第二行、第三行，从第一行到第三行及从左到右编号依次为“11”、“12”、“13”、“14”、“21”、“22”、“23”、“24”、“31”、“32”、“33”、“34”。其中“11”微分求积信号发生器的4端口与“22”微分求积信号发生器的1端口相连，“21”微分求积信号发生器的2端口与“12”微分求积信号发生器的3端口相连；“13”微分求积信号发生器的4端口与“24”微分求积信号发生器的1端口相连，“14”微分求积信号发生器的3端口与“23”微分求积信号发生器的2端口相连；“21”微分求积信号发生器的4端口与“33”微分求积信号发生器的1端口相连，“31”微分求积信号发生器的2端口与“23”微分求积信号发生器的3端口相连；“22”微分求积信号发生器的4端口与“34”微分求积信号发生器的1端口相连，“24”微分求积信号发生器的3端口与“32”微分求积信号发生器的2端口相连。涉及到连接关系的连接线是差分驱动金属导线或者耦合传输线，就像传统巴特勒矩阵，这样做是为了保持相似端口间的相位关系。“11”微分求积信号发生器的3端口与“21”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个67.5度的差分移相器；“14”微分求积信号发生器的4端口与“24”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个67.5度的差分移相器；“12”微分求积信号发生器的4端口与“22”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个22.5度的差分移相器；“13”微分求积信号发生器的3端口与“23”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个22.5度的差分移相器；“11”微分求积信号发生器的3端口与“21”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个67.5度的差分移相器；“21”微分求积信号发生器的3端口与“31”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个45度的差分移相器；“22”微分求积信号发生器的3端口与“32”微分求积信号发生器的1端口之间连接一个45度的差分移相器；“23”微分求积信号发生器的4端口与“33”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个45度的差分移相器；“24”微分求积信号发生器的4端口与“34”微分求积信号发生器的2端口之间连接一个45度的差分移相器。

图8所示为基于图4所示的差分4×4巴特勒矩阵的内嵌微分求积产生器的高功率应用通信系统。与图6所示的系统相比，这个系统的不同之处是：1)这里只用到了发射机；2)为了提高每个天线单元的辐射功率，增加了额外的差分驱动功率放大器(PAs)。这里用到的PAs可以是图7所示的差分驱动也可以是单端驱动，这种单端驱动带有将必要的差分转换成单端的巴伦。该通信系统的结构为：发射机连接于基带和IF I/Q信号之间。基带可能包含嵌入式电路或者控制设置收发机和开关的处理器。发射机(Tx)连接到单刀四掷开关(SP4T)上。从SP4T开关导出的输出端口通过巴伦连接到4×4巴特勒矩阵上，该矩阵可以作为无源相位控制网络来连接四个波束形成的差分天线。如果用到了差分驱动开关，巴伦在这里就不需要了。该4×4巴特勒矩阵用到了4个微分求积信号发生器，这4个微分求积信号发生器采用两行两列的放置方式，从上到下依次为第一行、第二行。从第一行到第二行及从左到右编号依次为“11”、“12”、“21”、“22”。其中“12”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的4端口相连，“11”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的3端口相连。涉及到连接关系的连接线是差分驱动金属导线或者耦合传输线，就像传统巴特勒矩阵，这样做是为了保持相似端口间的相位关系。“11”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的3端口之间连接一个45度的差分移相器，“12”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的4端口之间连接一个45度的差分移相器。四个输出端口分别连接差分驱动功率放大器(PA1、PA2、PA3和PA4)，通过功率放大器连接四个差分天线。

图9所示为基于差分4×4巴特勒矩阵的内嵌微分求积产生器的用于低噪声要求的通信系统。与图6所示的系统相比，这个系统的不同之处是：1)这里只用到了接收机；2)为了提高每个天线单元的辐射功率，增加了额外的差分驱动低噪声放大器(LNAs)。这里用到的LNAs可以是图11所示的差分驱动也可以是单端驱动，这种单端驱动带有必要的将差分转换成单端的巴伦。该通信系统的结构为：接收机连接于基带和IF I/Q信号之间。基带可能包含嵌入式电路或者控制设置收发机和开关的处理器。发射机(Tx)连接到单刀四掷开关(SP4T)上。从SP4T开关导出的输出端口通过巴伦连接到4×4巴特勒矩阵上，该矩阵可以作为无源相位控制网络来连接四个波束形成的差分天线。如果用到了差分驱动开关，巴伦在这里就不需要了。该4×4巴特勒矩阵用到了4个微分求积信号发生器，这4个微分求积信号发生器采用两行两列的放置方式，从上到下依次为第一行、第二行。从第一行到第二行及从左到右编号依次为“11”、“12”、“21”、“22”。其中“12”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的4端口相连，“11”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的3端口相连。涉及到连接关系的连接线是差分驱动金属导线或者耦合传输线，就像传统巴特勒矩阵，这样做是为了保持相似端口间的相位关系。“11”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的3端口之间连接一个45度的差分移相器，“12”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的4端口之间连接一个45度的差分移相器。四个输出端口分别连接差分驱动功率放大器(PA1、PA2、PA3和PA4)，通过功率放大器连接四个差分天线。

图10所示为基于差分4×8巴特勒矩阵的内嵌微分求积产生器的通信系统。所有的天线阵列、辐射方向图有最小的可实现旁瓣电平是非常重要的。为了形成能够减小重要旁瓣的8天线单元阵列，这里我们提出了一种4×4差分巴特勒矩阵的新概念。该通信系统的结构为：发射机连接于基带和IF I/Q信号之间。基带可能包含嵌入式电路或者控制设置收发机和开关的处理器。发射机(Tx)连接到单刀四掷开关(SP4T)上。从SP4T开关导出的输出端口通过巴伦连接到4×4巴特勒矩阵上，该矩阵可以作为无源相位控制网络来连接四个波束形成的差分天线。如果用到了差分驱动开关，巴伦在这里就不需要了。该4×4巴特勒矩阵用到了4个微分求积信号发生器，这4个微分求积信号发生器采用两行两列的放置方式，从上到下依次为第一行、第二行。从第一行到第二行及从左到右编号依次为“11”、“12”、“21”、“22”。其中“12”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的4端口相连，“11”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的3端口相连。涉及到连接关系的连接线是差分驱动金属导线或者耦合传输线，就像传统巴特勒矩阵，这样做是为了保持相似端口间的相位关系。“11”微分求积信号发生器的1端口与“21”微分求积信号发生器的3端口之间连接一个45度的差分移相器，“12”微分求积信号发生器的2端口与“22”微分求积信号发生器的4端口之间连接一个45度的差分移相器。八个天线(天线1、天线2、天线3、天线4、天线5、天线6、天线7和天线8)分别与差分输出端口相连。其中天线3、天线4、天线7和天线8分别接一个180度的移相器。

图11所示为基于差分4×8巴特勒矩阵的内嵌微分求积信号发生器和差分驱动天线的通信系统。输入端口是差分驱动端口#1～#4，分别命名为1R，2L，2R和1L端口。在巴特勒矩阵的帮助下，形成了如图11所示的依据输入端口顺序的四个波束。波束的方向分别是-45度、-15度、15度和45度。因此阵列天线能够有一个相对较高的增益和宽的覆盖范围。

图12展示了一个基于内嵌有DQ产生器和差分驱动天线的8×8差分巴特勒矩阵的典型波束方向图。输入端口是差分驱动端口#1～#8。在8×8巴特勒矩阵的帮助下，形成了如图12所示的依据输入端口顺序的八个波束。因此阵列天线能够有一个相对较高的增益和宽的覆盖范围。

图13所示为平衡Doherty放大器。相比平衡放大器，该平衡Doherty放大器提高了效率。这些放大器一般用于通信中(无线，但不是雷达)，Doherty放大器的心脏是Doherty组合器。该平衡放大器包括微分求积信号发生器差分驱动端口为#1～#4，端口1为输入端口，端口2为输出端口，端口3和4分别连接相移网络。相移网络通过模拟或数字的方式来进行控制。

如图14所示，该平衡Doherty放大器包含一个微分求积信号发生器、两个放大器、第一耦合传输线及第二耦合传输线，，其中一个放大器为“载体”放大器，另一个为“峰值”放大器。两个放大器的偏置不同，“载体”放大器处于“常规”等级AB上(提供任何功率级别的增益)而“峰值”放大器处于等级C只工作于循环的一半。与处于低功率等级的平衡放大器相比，Doherty放大器的优势在于提高了功率附加效率。如果工作于饱和功率状态下(就像许多雷达)，没有理由不选择Doherty放大器。微分求积信号发生器有4个差分驱动端口(#1～#4)，端口1为输入端口，端口2连接电阻为100欧姆的负载，端口3连接峰值放大器，端口4连接载体放大器，两个放大器都是直流偏置；所述载体放大器的输出端与第一耦合传输线相连，第一耦合传输线的另一端与峰值放大器的输出端连接后通过第二耦合传输线输出信号。

该对平衡Doherty放大器工作于如下条件：在输入端口，信号被原理图所示的3dBDQ产生器所分离。输入端口的作用相当于一个平衡放大器，有着如下同样的特点：如果反射系数在幅值和相位上是相等的，那么不匹配放大器将会减小它们的反射系数，反射波会被连接到DQ产生器隔离端口的负载所吸收。

对于这对平衡Doherty放大器的输出端口来说，两个平衡信号有90度相位之差，但是通过在峰值放大器上增加1/4波长传输线，它们的相位趋于相等并被重新组合在一起。

图15所示为一个双平衡放大器，该放大器有两个相互正交的放大装置(每个放大装置都可以级联多个装置)和两个微分求积信号发生器组成，分别记为第一放大装置、第二放大装置、第一信号发生器及第二信号发生器；所述双平衡放大器从左到右依次为第一微分求积信号发生器、两个并列的放大装置、第二微分求积信号发生器，且两个微分求积信号发生器分别有四个差分驱动端口(#1～#4)。第一微分求积信号发生器的端口1作为输入端，端口2连接电阻为100欧姆的负载，端口3和4分别连接直流偏置的放大装置，第一放大装置的输出端与第二微分求积信号发生器的4端口相连，第二放大装置的输出端与第二微分求积信号发生器的3端口相连，第二微分求积信号发生器的1端口连接电阻为100欧姆的负载，端口2为输出端。也就是说，两个放大装置工作于90度之差的传输相位上。处于输入端口的DQ产生器把两个有90度相位之差的信号送入放大装置的输入端口，然后处于输出端口的第二个DQ产生器把位于放大装置输出端口的信号无相移地输送到输出端口上，因此它们可以在相位上组合在一起。

如图15所示，输入端口的信号被相移了90度，这意味着从放大装置反射回来的信号会有180度的相移并且在RF输入端口被反相位地组合在了一起。对于几乎相同的装置来说，当它们组合时，它们会彼此互相抵消，所以相加为零伏特，最终达到了输入端口的匹配。在输出端口也是同样的原理。大概是这样的：只要把这些装置几乎无反射地匹配到一起，就可以把具有很小反射系数的设置组合在一起，放大器的终端几乎匹配到50欧姆。该双平衡放大器通常具有较小的回波损耗(如上所述)。如果在输出端口匹配较差的话，我们可以从两个放大器看到这些不好的匹配，但是相位相差180度。如果两个放大器的相位(或者幅度)不完全一样的话，连接在输出端口中的隔离端口上的负载就会有很大的散热。

如图16所示为信号分配网络，有两个选择部分可供信号分配，即：一个是如图16a)所示的用于把差分信号分配成两个为90度相差的差分信号，另一个是如图16b)所示的在巴伦的帮助下，把单端信号分配成两个90度相差的差分信号。DQ产生器是完成这个功能的基本结构单元，并且它也可以做更多的级联。它的典型应用是把IF、LO、RF信号从单端形式或者差分形式转换成微分求积形式。

Claims (9)

1.一种微分求积信号发生器，包含输入端、隔离端、耦合端及直通端，其特征在于，所述每一端由两个差分端口构成，即输入端由[1+]端口和[1-]端口构成，隔离端由[2+]端口和[2-]端口构成，耦合端由[3+]端口和[3-]端口构成，直通端由[4+]端口和[4-]端口构成，所述[1+]端口通过第一传输线与[2-]端口连接，[1-]端口通过第二传输线与[2+]端口连接，[3+]端口通过第三传输线与[4-]端口连接，[3-]端口通过第四传输线与[4+]端口连接，所述第一传输线与第四传输线之间、第二传输线与第三传输线之间、第一传输线与第三传输线之间、第二传输线与第四传输线之间均通过耦合方式传输能量；

所述微分求积信号发生器采用双层结构，上层记为A层，下层记为B层，所述八个差分端口均设置于A层上表面便于与外部端口连接，所述第二传输线与第四传输线之间采用窄边耦合方式设置于A层上，所述第一传输线与第三传输线之间采用窄边耦合方式设置于B层上表面，所述第一传输线与第四传输线之间、第二传输线与第三传输线之间均采用宽边耦合方式，所述[1+]端口、[2-]端口、[3+]端口及[4-]端口分别通过贯穿层A的金属通孔与相应的传输线连接；所述微分求积信号发生器的输入端与直通端位于发生器的同一侧，其耦合端与隔离端同位于发生器的另一侧。

2.根据权利要求1所述的微分求积信号发生器，其特征在于，所述四条传输线的长度均相等。

3.根据权利要求1所述的微分求积信号发生器，其特征在于，所述微分求积信号发生器为双层结构，上层记为A层，下层记为B层，所述八个差分端口均设置于A层上表面便于与外部端口连接；所述第一、第二、第三及第四传输线均分为两部分，分别记为相应传输线的第一部分和第二部分，四条传输线的第一部分的长度相等；所述第一传输线靠近[1+]端口的部分记为该传输线的第一部分位于层B上表面，其靠近[2-]端口的部分即该传输线的第二部分位于层A上表面，所述第一传输线的两部分通过贯穿于层A的金属通孔连接；所述第二传输线靠近[1-]端口的部分记为该传输线的第一部分位于层A上表面，其靠近[2+]端口的部分即该传输线的第二部分位于层B上表面；

所述第三传输线靠近[3+]端口的第一部分位于层A上表面，其靠近[4-]端口的第二部分位于层B；所述第四传输线靠近[3-]端口的第一部分位于层B上表面，其靠近[4+]端口的第二部分位于层A；所述四条传输线的第一部分各自通过一个贯穿层A的金属通孔与其相应的第二部分连接；所述[1+]端口、[2+]端口、[3-]端口及[4-]端口分别通过贯穿层A的金属通孔与相应的传输线连接；所述输入端与隔离端位于微分求积信号发生器的同一侧，而其耦合端与直通端同位于发生器的另一侧。

4.一种差分4×4巴特勒矩阵结构，其特征在于，包括四个如权利要求1所述的微分求积信号发生器和两个45°移相结构；所述四个微分求积信号发生器分别记为“11”、“12”、“21”、“22”信号发生器，差分驱动输入信号从“21”、“22”信号发生器的1端口、2端口共计四个端口输入，信号从“11”、“12”信号发生器的1端口、2端口共计四个端口输出；“21”信号发生器的3端口通过一个45°移相结构与“11”信号发生器的1端口连接，“21”信号发生器的4端口与“12”信号发生器的1端口连接，“22”信号发生器的4端口通过一个45°移相结构与“12”信号发生器的2端口连接，“22”信号发生器的3端口与“11”信号发生器的2端口连接；所述微分求积信号发生器的1、2、3、4端口分别为输入端、直通端、耦合端及隔离端，或者所述微分求积信号发生器的1、2、3、4端口分别为输入端、隔离端、耦合端及直通端。

5.根据权利要求4所述的差分4×4巴特勒矩阵结构，其特征在于，所述45°移相结构为45°移相器或者45°差分延迟线。

6.一种包含如权利要求4所述的差分4×4巴特勒矩阵结构的通信系统，其特征在于，还包括收发机、四个差分天线、四个巴伦和四端口输出的信号分配网络；收发机连接于基带和中频I/Q信号之间；所述收发机的发射机和接收机均连接到一个SPDT开关上，所述SPDT开关的输出端连接于所述信号分配网络；所述SPDT开关的公共端连接到信号分配网络上，所述信号分配网络为四个SPST开关或者一个SP4T开关；信号分配网络的四个输出端分别通过一个巴伦将信号输入至所述差分4x4巴特勒矩阵结构的四个输入端，所述差分4×4巴特勒矩阵结构的四个输出端分别连接一个差分天线。

7.一种包含如权利要求4所述的差分4×4巴特勒矩阵结构的通信系统，其特征在于，还包括四个差分天线、四个功率放大器、一个SP4T开关、发射机；所述发射机连接于基带和中频I/Q信号之间，所述发射机的输出端连接到SP4T上，SP4T的四个输出端口分别通过一个巴伦输入至所述差分4×4巴特勒矩阵结构，所述差分4×4巴特勒矩阵结构的四个输出端分别通过一个差分功率放大器与一个差分天线连接。

8.一种平衡Doherty放大器，其特征在于，包含一个如权利要求1所述的微分求积信号发生器、两个放大器、第一耦合传输线及第二耦合传输线，所述两个放大器的其中一个为载体放大器，另一个为峰值放大器；所述载体放大器处于常规等级AB上，而峰值放大器处于等级C只工作于循环的一半；所述微分求积信号发生器的端口1为输入端口，端口2连接电阻为100欧姆的负载，端口3连接峰值放大器，端口4连接载体放大器，两个放大器均是直流偏置；所述载体放大器的输出端与第一耦合传输线相连，第一耦合传输线的另一端与峰值放大器的输出端连接后通过第二耦合传输线输出信号。

9.一种双平衡放大器，其特征在于，包括两个相互正交的放大装置和两个如权利要求1所述的微分求积信号发生器，分别记为第一放大装置、第二放大装置、第一信号发生器及第二信号发生器；所述第一微分求积信号发生器的端口1作为输入端，端口2连接电阻为100欧姆的负载，端口3和4分别连接直流偏置的第一、第二放大装置，第一放大装置的输出端与第二微分求积信号发生器的4端口相连，第二放大装置的输出端与第二微分求积信号发生器的3端口相连，第二微分求积信号发生器的1端口连接电阻为100欧姆的负载，端口2为整个双平衡放大器的输出端。