CN105577203B - 一种Ka波段发射SOC - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ka波段发射SOC，包括：功分器、多个单独与功分器连接的矢量调制器，每一个矢量调制器后级还连接一功率放大器；功分器用于将输入信号分为多路输出信号，每一路输出信号经矢量调节器进行相位和幅度变换后传输至功率放大器，并经功率放大器放大后发射出去。目的在于提供一种体积小、集成度高、精度高，以及同时具有对信号进行移相、幅度变换和信号放大功能的发射SOC。

Description

一种Ka波段发射SOC
技术领域
本发明涉及一种Ka波段瓦片式相控阵雷达信号处理器件，特别涉及一种Ka波段发射SOC。
背景技术
传统的相控阵TR组件中多采用数字移相器和数字衰减器，用于对发射信号进行功分、移相、衰减和放大处理；但是，这样也就造成了电路的控制线路增多、尺寸较大，且精度也有限；尤其是对于多通道情况，移相和衰减芯片成倍数的增加，更加是增大的器件的体积和复杂度，以一个简单的四通道为例，实现移相和衰减功能需要8个单功能芯片才能完成，对于结构的复杂性大为增加，且成本也不菲，因而亟需一种体积小、集成度高、精度高且同时具备上述数字移相器和数字衰减器的功能的芯片。
发明内容
本发明的目的在于克服现有相控阵TR组件中多采用数字移相器和数字衰减器，而造成的控制线路增多、尺寸较大，且精度也有限的问题，提供一种体积小、集成度高、精度高，以及同时具有对信号进行移相、幅度变换和信号放大功能的发射SOC。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种Ka波段发射SOC，包括：功分器、多个单独与所述功分器连接的矢量调制器，每一个所述矢量调制器后级还连接一功率放大器；所述功分器用于将输入信号分为多路输出信号，每一路所述输出信号经所述矢量调节器进行相位和幅度变换后传输至所述功率放大器，并经所述功率放大器放大后发射出去；
通过在一块单片上集成所述的功分器、矢量调制器和功率放大器，使得其与传统的用的分离单片构成的多个发射通道相比，面积大为减小、成本也得到降低。同时通过所述矢量调制器可以360度内以任意角度对信号进行移相处理，且移相精度较高。
优选的，所述功分器为1分四Wilkinson功分器，所述1分四Wilkinson功分器用于将输入信号分成4路输出分别输出至所述矢量调制器；
同时，在所述1分四Wilkinson功分器的4个发射通道内还设置有隔离电阻，用于减小各个发射通道之间的相互影响。
优选的，所述矢量调制器包括：依次连接的正交功分器、相位幅度变换网络、功率分配合成器，所述正交功分器用于接收所述1分四Wilkinson功分器分成的4路信号中的一路，并对其处理后产生2路正交信号，所述2路正交信号分别经所述相位幅度变换网络进行相位和幅度变换后传输至所述功率分配合成器，并经所述功率分配器合成器合成一路后输出。
优选的，所述正交功分器包括第一lange耦合器，用于输出2路正交信号，所述2路正交信号分别输出至所述相位幅度变换网络，进行幅度和相位变换。
优选的，所述相位幅度变换网络包括：第二lange耦合器和第三lange耦合器，所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的输入端分别连接所述第一lange耦合器的耦合端和直通端；
所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的直通端和耦合端分别连接一个场效应管，2个所述场效应管的栅极之间经2个串接的电阻后连接在一起，在所述2个串接的电阻的公共接点处还连接一控制电压，所述控制电压用于控制所述正交信号的幅度和相位，经过幅度和相位调整后的正交信号由所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的隔离端输出；所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的隔离端连接至所述功率分配器合成器，所述功率分配器合成器用于将所述第二lange耦合器和第三lange耦合器输出的信号合成一路输出至所述功率放大器，所述功率分配器合成器为Wilkinson功率分配合成器。
同时，每一个所述场效应管的源极和漏极之间并联一段微带线，等效于电感接地。由于场效应管的输出电容会严重影响矢量调制器的性能，因此通过在场效应管得漏极和源极间并联合适长度的微带线可以抵消该电容的影响，所述微带线的长度可根据实际的工作频带进行调整。
其中，所述第一lange耦合器、第二lange耦合器和第三lange耦合器均采用了折线布局结构，用于减小面积，进而节约成本。
其中，提供所述控制电压的供电PAD设置于芯片边缘，这样可以使得供电更加方便。
优选的，所述场效应管为冷FET管，所述控制电压通过控制所述冷FET管的栅压来调节所述正交信号的幅度和相位。
优选的，所述功率放大器由三级放大链路构成，每一级放大电路中的晶体管栅极上串联一个阻容并联结构，通过调节合适的阻容值可以有效的改善所述功率放大器的低频稳定性。同时，所述的功率放大器选用较大管芯以降低栅压；
同时所述三级放大链路中的所有晶体管的源极连接在一起后连接外部电源，所有晶体管的漏极连接在一起后连接外部电源，源极或漏极在相互连接时可以用桥进行搭建，这样可以在需要时划断分开进行供电。
优选的，所述功率放大器工作AB类。
优选的，所述正交功分器与矢量调制器之间设置有隔离地孔，用于减小正交功分器与所述矢量调制器之间的耦合。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、通过在一块单片上集成所述的功分器、矢量调制器和功率放大器，使得其与传统的用的分离单片构成的多个发射通道相比，面积大为减小、成本也得到降低。同时通过所述矢量调制器可以360度内以任意角度对信号进行移相处理，且移相精度较高。
2、同时，在所述1分四Wilkinson功分器的4个发射通道内还设置有隔离电阻，可以减小各个发射通道之间的相互影响。
3、通过在场效应管得漏极和源极间并联合适长度的微带线可以抵消场效应管的输出电容对矢量调制器性能的影响。
4、将提供所述控制电压的供电PAD设置于芯片边缘，这样可以使得供电更加方便。
5、所述第一lange耦合器、第二lange耦合器和第三lange耦合器均采用了折线布局结构，减小了面积，进而节约了成本。
6、每一级放大电路中的晶体管栅极上串联一个阻容并联结构，通过调节合适的阻容值可以有效的改善所述功率放大器的低频稳定性。
7、所述三级放大链路中的所有晶体管的源极连接在一起后连接外部电源，所有晶体管的漏极连接在一起后连接外部电源，源极或漏极在相互连接时可以用桥进行搭建，这样可以在需要时划断分开进行供电。
附图说明
图1为实施例中Ka波段发射SOC的电路方框图；
图2为实施例中Ka波段发射SOC的芯片结构图；
图3为实施例中W1-VM3-PA3通道电路结构示意图；
图4为矢量调制器VM3中第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3的电路结构图；
图5为实施例中1分四Wilkinson功分器和4个矢量调制器的版图布局图；
图6为实施例中1分四Wilkinson功分器版图布局图；
图7为实施例中1分四Wilkinson功分器和一个矢量调制器的版图布局图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
本实施例提供一种Ka波段发射SOC，其工作频段为29-31GHz，它将1分四Wilkinson功分器W1、矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)和功率放大器(标记PA1、PA2、PA3、PA4)集成在一块单片中，能够同时支持4路发射工作。该片面积小、成本低、控制精度高，系统结构布局灵活性大，相较于传统数字式移相衰减芯片，具体多方面的优势。
发射SOC具体包括：1分四Wilkinson功分器W1、多个单独与1分四Wilkinson功分器W1连接的矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)，每一个矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)后级还连接一功率放大器(标记PA1、PA2、PA3、PA4)；1分四Wilkinson功分器W1用于将输入信号分成4路输出分别输出至矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)，每一路输出信号经矢量调节器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)进行相位和幅度变换后传输至功率放大器(标记PA1、PA2、PA3、PA4)，并经功率放大器(标记PA1、PA2、PA3、PA4)放大后发射出去，从而实现同时发射4路信号的功能。
其中，在1分四Wilkinson功分器W1的4个发射通道内均设置有隔离电阻Rg，用于减小各个发射通道中信号的相互影响；同时，在1分四Wilkinson功分器W1与矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)之间还设置有隔离地孔H，隔离地孔用于减小1分四Wilkinson功分器W1与矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)之间的耦合。进一步的，参看图6，1分四Wilkinson功分器W1采用折线和跨桥方式进行结构布局，如图中所示，箭头所指位置即为空气桥，上层金属跨越下层金属，不会影响功分器的射频性能，又能减小芯片面积。
由于输入信号分为4路后，每一路信号所经过的电路结构均相同，即均为依次连接的矢量调制器(标记VM1、VM2、VM3、VM4)和功率放大器(标记PA1、PA2、PA3、PA4)，下面以标记W1-VM3-PA3这个通道进行详细的结构说明：
具体的，参看图3所所示的W1-VM3-PA3通道电路结构示意图，矢量调制器VM3包括：依次连接的第一lange耦合器K1、相位幅度变换网络、Wilkinson功率分配合成器W2，第一lange耦合器K1的输入端11用于接收1分四Wilkinson功分器W1分成的4路信号中的一路，并对该路信号进行处理后产生2路相位差为90度的正交信号，并通过第一lange耦合器K1的耦合端12和直通端13分别传输给相位幅度变换网络；相位幅度变换网络对2路正交信号分别进行相位和幅度变换后传输至Wilkinson功率分配合成器W2，并经Wilkinson功率分配合成器W2合成一路后输出。
其中，相位幅度变换网络包括：第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3，第二lange耦合器K2的输入端21连接第一lange耦合器K1的直通端13，用于接收2路正交信号中的一路；第三lange耦合器K3的输入端31连接第一lange耦合器K1的耦合端12，用于接收2路正交信号中的另一路。
再结合图4，第二lange耦合器K2的耦合端22和直通端23和第三lange耦合器K3的耦合端32和直通端33分别连接一个冷FET管，其中一个冷FET管的栅极再经过两个串接的电阻R后连接至另一个冷FET管的栅极；在2个串接的电阻的公共接点处还连接一控制电压(VI3、VQ3)，控制电压(VI3、VQ3)通过控制冷FET管的栅压来调节正交信号的幅度和相位；由于场效应管FET的输出电容会严重影响矢量调制器VM3的性能，因此在每一个场效应管FET的源极和漏极之间并联一段合适长度的微带线Tline，该微带线到源极地孔相当于一个电感，它可以抵消漏源寄生电容的影响，其中，电感的长度可根据实际的工作频带进行调整。
参看图5，其中，提供控制电压的供电PAD(标记P)设置于芯片边缘，这样可以使得供电更加方便；而经过幅度和相位调整后的正交信号由第二lange耦合器K2的隔离端24和第三lange耦合器K3的隔离端34输出；第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3的隔离端(24、34)连接至Wilkinson功率分配合成器W2，Wilkinson功率分配合成器W2将第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3的隔离端(24、34)输出的信号合成一路输出至功率放大器PA3。
参看图5和图7，为了进一步减小面积，节约成本，第一lange耦合器、第二lange耦合器和第三lange耦合器均采用了折线布局结构。
同时，功率放大器PA3由三级放大链路构成，这样既有利于匹配，提高输出功率，且可以降低电流，不至于影响效率；在实际工作中，功率放大器工作在AB类且选用较大的管芯(2*75栅宽)，以降低栅压。
此外，每一级放大电路中的晶体管栅极上还串联一个阻容并联结构，即一个电阻和电容并联后，将其一端与放大电路中的晶体管栅极串接；通过调节合适的阻容值可以有效的改善功率放大器的低频稳定性；同时，将阻容并联结构的另一端连接至外部栅压电源Vg3，外部栅压电源Vg3为功率放大器PA3中的冷FET管提供栅压。
同时，结合图2，在三级放大链路中，其所有晶体管的源极连接在一起后接地，所有晶体管的漏极连接在一起后连接外部漏压电源Vd3，外部漏压电源Vd3为功率放大器PA3中的冷FET管提供漏压，且漏压和栅压的供电一致。源极与源极或漏极与漏极在相互连接时可以用桥进行搭建，这样可以在需要时，将连接在一起的漏极或源极划断，进行分开供电。
以上为4路信号中的1路所经过的W1-VM3-PA3这个通道的具体电路结构，其余3路信号分别经W1-VM1-PA1、W1-VM2-PA2、W1-VM4-PA4处理后输出，其结构与W1-VM3-PA3这个通道均相同，其中，参看图2，其图中的标记VI1、VI2、VI4与标记VI3功能相同，标记VQ1、VQ2、VQ4与标记VQ3功能相同，标记Vg1、Vg2、Vg4与标记Vg3功能相同，标记Vd1、Vd2、Vd4与标记Vd3功能相同，标记OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别为PA1、PA2、PA3、PA4的输出端。
由于4路信号的传输过程相同，下面以4路信号中的1路经过W1-VM3-PA3这个通道进行处理后被发射出去的工作过程为例介绍Ka波段发射SOC的工作过程：
输入信号从1分四Wilkinson功分器W1输入端IN输入后，经1分四Wilkinson功分器W1分成4路，其中一路经过矢量调制器VM3进行幅度和相位变换，具体的，在矢量调制器VM3中，第一lange耦合器K1将接收到的1路输入信号分为2路相位差90度的正交信号，并分别传输给第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3；此时，通过调节控制电压(VI3、VQ3)从而控制冷FET管的沟道电阻，控制电压(VI3、VQ3)在-2V～0V之间变化时，冷FET管的阻抗则在0～+∞之间变化，从而实现-1～1的反射系数，进而在第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3的隔离端(24、34)有信号输出，所且输出的信号的相位也相应引入+0°～+180°的变化，最后再通过Wilkinson功率分配合成器W2将第二lange耦合器K2和第三lange耦合器K3的隔离端(24、34)输出的2路信号合成一路输出至功率放大器PA3，且相对输入信号，该Wilkinson功率分配合成器W2输出的信号可实现+0°～+360°任意相移；最后，功率放大器PA3将Wilkinson功率分配合成器W2输出的信号进行放大后输出。

Claims (7)

1.一种Ka波段发射SOC，其特征在于，包括：功分器、多个单独与所述功分器连接的矢量调制器，每一个所述矢量调制器后级还连接一功率放大器；所述功分器用于将输入信号分为多路输出信号，每一路所述输出信号经所述矢量调节器进行相位和幅度变换后传输至所述功率放大器，并经所述功率放大器放大后发射出去；其中，
所述矢量调制器包括：依次连接的正交功分器、相位幅度变换网络、功率分配合成器，所述正交功分器用于输出2路正交信号，所述2路正交信号分别经所述相位幅度变换网络进行相位和幅度变换后传输至所述功率分配合成器，并经所述功率分配器合成器合成一路后输出；
而且，所述正交功分器包括第一lange耦合器，用于输出2路正交信号；
所述相位幅度变换网络包括：第二lange耦合器和第三lange耦合器，所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的输入端分别连接所述第一lange耦合器的耦合端和直通端；
所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的直通端和耦合端分别连接一个场效应管，2个所述场效应管的栅极之间经2个串接的电阻后连接在一起，在所述2个串接的电阻的公共接点处还连接一控制电压，所述控制电压用于控制所述正交信号的幅度和相位，经过幅度和相位调整后的正交信号由所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的隔离端输出；所述第二lange耦合器和第三lange耦合器的隔离端连接至所述功率分配器合成器，所述功率分配器合成器用于将所述第二lange耦合器和第三lange耦合器输出的信号合成一路输出至所述功率放大器；同时，每一个所述场效应管的源极和漏极之间并联一段微带线。
2.根据权利要求1所述的Ka波段发射SOC，其特征在于，所述功分器为1分四Wilkinson功分器，所述1分四Wilkinson功分器用于将输入信号分成4路输出。
3.根据权利要求1所述的Ka波段发射SOC，其特征在于，提供所述控制电压的供电PAD设置于芯片边缘。
4.根据权利要求1所述的Ka波段发射SOC，其特征在于，所述场效应管为冷FET管，所述控制电压通过控制所述冷FET管的栅压来调节所述正交信号的幅度和相位。
5.根据权利要求1所述的Ka波段发射SOC，其特征在于，所述功率放大器由三级放大链路构成，每一级放大电路中的晶体管栅极上串联一个阻容并联结构，同时所述三级放大链路中的所有晶体管的源极连接在一起后连接外部电源，所有晶体管的漏极连接在一起后连接外部电源。
6.根据权利要求5所述的Ka波段发射SOC，其特征在于，所述功率放大器工作为AB类功率放大器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的Ka波段发射SOC，其特征在于，所述正交功分器与矢量调制器之间设置有隔离地孔，用于减小正交功分器与所述矢量调制器之间的耦合。
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