CN105610417A - 基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器 - Google Patents

基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器 Download PDF

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张亮
熊永忠
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Abstract

本发明公开了一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，包括正交信号产生电路、共面波导慢波装置，所述共面波导慢波装置包括共面波导传输线、金属线条阵列、开关阵列，所述共面波导传输线设在金属线条阵列的上方，所述开关阵列的两端压在金属线条阵列上；所述正交信号产生电路由电阻、电容无源网络级联组成，所述正交信号产生电路与所述共面波导传输线连接。该发生器解决了正交信号产生电路中由于工艺、电源电压及温度变化而引入的相位失配问题，提升了高频工作时正交信号产生网络输出信号的相位精度，同时实现了通路信号相位的实时连续调谐，提升了系统的抗干扰能力；其结构简单、成本低。

Description

基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器
技术领域
本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号产生电路，旨在解决传统正交信号产生电路中由于工艺、电源电压及温度变化而引入的相位失配问题。
背景技术
在高速通信系统中，模拟数字转换器（ADC,AnalogtoDigitalConverter）由于其设计复杂、工艺要求苛刻、成本高等原因一直是系统设计的核心点，为了在满足系统性能要求的前提下降低ADC的成本，通常会采用时分交织技术来降低ADC的成本，而时分交织技术的核心在于正交/多相时钟信号的生成。一般而言，正交/多相信号产生电路一般采用无源电阻电容级联的方式构成，它可以将输入信号进行相位整形以得到特定频点的正交相位四路输出信号。正交信号产生电路被广泛应用于射频集成收发机和模拟正交采样系统中，可以作为鲁棒性良好的正交信号源使用。但是，正交信号产生电路的阶数以及工艺角的波动会影响四路输出信号的相位失配和幅度失配。
在传统正交信号产生电路中，输出信号的相位失配很大程度上取决于信号产生电路的阶数和工作频率。一般而言，增加正交信号产生电路的阶数，可以将输出信号的相位失配和幅度失配控制在系统可接受的范围内。但随着工作频率的升高，由互连线寄生效应和元器件失配而引入的相位失配会显著增大，这将会降低多通道信号的整体信噪比，从而弱化正交解调系统的性能。而相位失配属于模拟域引入的问题，在数字后端采用相位校正算法需要耗费大量的硬件资源，并且很难完成实时相位校正或后台反馈处理。
共面波导慢波结构属于微波领域的一种相位调谐技术：垂直排布于共面波导传输线下方（或上方）的金属线条阵列可以改变共面波导传输线周围的电场分布，电场分布的改变则会导致共面波导所处介质的等效介电常数发生变化，从而影响电磁波的传播速度，这样便可以调节通路信号的相位，以得到系统所需的各通路信号相位关系。但由于共面波导慢波结构属于无源结构，一般采用板级或模块级实现，在频率较低时占用面积较大，成本代价极高，极少出现在片上系统中。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，该发生器解决了正交信号产生电路中由于工艺、电源电压及温度变化而引入的相位失配问题，提升了高频工作时正交信号产生网络输出信号的相位精度，同时实现了通路信号相位的实时连续调谐，提升了系统的抗干扰能力；其结构简单、成本低。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：
一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，包括正交信号产生电路、共面波导慢波装置，所述共面波导慢波装置包括共面波导传输线、金属线条阵列、开关阵列，所述共面波导传输线设在金属线条阵列的上方，所述开关阵列的两端压在金属线条阵列上；所述正交信号产生电路由电阻、电容无源网络级联组成，所述正交信号产生电路与所述共面波导传输线连接。
进一步地，为了降低通路信号与外界信号的相互干扰，上述共面波导传输线上还设有腔体屏蔽盒。
进一步地，为了使产生的信号实时连续，上述金属线条阵列为两层或两层以上。
进一步地，为了模拟电压可以连续调谐得到理想的各通路信号相位关系，上述开关阵列上还连接有电压控制芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（一）、本发明消除了正交信号产生电路因工艺角、电源电压、温度变化而引入的输出信号相位失配问题，保证了正交信号产生电路在高频工作时的输出相位匹配度。
（二）、本发明模拟信号可调谐正交信号产生电路，提升了高频工作时正交信号产生网络输出信号的相位精度，同时实现了通路信号相位的实时连续调谐。
（三）、本发明将金属线条阵列中的部分金属线条接地，并用片上金属实现了类腔体屏蔽盒，大大提升了隔离度，以降低通路信号与外界信号的相互干扰。
（四）、本发明的开关阵列采用mos场效应晶体管开关实现，可以获得较大的相位调谐范围。
（五）本发明在频率较高时占用面积较小，成本代价也低。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例一的电路原理示意图。
图2是图1中共面波导慢波装置的电路示意图。
图3是图1中三阶正交信号产生电路的电路示意图。
图4是实施例一的相位调谐范围仿真图。
图5是本发明实施例二的电路原理示意图。
具体实施方式
实施例一
图1示出，高相位精度正交信号发生器包括三阶正交信号产生电路1a与共面波导慢波装置2两部分，具体的三阶正交信号产生电路1a如图3所示，共面波导慢波装置2示意图如图2所示,图中G表示接地。共面波导慢波装置包括共面波导传输线3、五层的金属线条阵列4、MOS开关管阵列5，且共面波导传输线3设在金属线条阵列4的上方，所述开关阵列5的两端压在金属线条阵列4上，且开关阵列5的栅极电压由片外电压源给定，共面波导传输线3之下的金属线条阵列4由开关阵列5实现接地或部分浮置。
本例的共面波导传输线3上还设有腔体屏蔽盒6，MOS开关管阵列5上还连接有电压控制芯片7。
本例的三阶正交信号产生电路1a采用的是电阻电容型三阶网络，且三阶正交信号产生电路1a与共面波导传输线3连接。
本实施例以8GHz作为中心工作频率，采用硅基半导体工艺进行电路级设计，图4所示为本实施例的相位调谐范围仿真图。
当电压控制芯片7将高压MOS开关管栅压从1.5V增加到6V时，共面波导慢波装置产生的信号的可调相位范围为2.3度，若改变金属线条阵列的尺寸可以得到更高度数的调谐范围。对于8GHz频点处的三阶正交信号产生电路1a的相位失配小于0.5度，因此通过这种共面波导慢波装置可以达到所需的相位精度要求。
实施例二
图5示出，本例与实施例一基本相同，不同的是：
高相位精度正交信号发生器包括四阶正交信号产生电路1b与共面波导慢波装置2两部分，共面波导慢波装置包括共面波导传输线3、四层的金属线条阵列4、MOS开关管阵列5，且共面波导传输线3设在金属线条阵列4的上方，所述开关阵列5栅压在金属线条阵列4上。
本例的共面波导传输线3上还设有腔体屏蔽盒6，MOS开关管阵列5上还连接有电压控制芯片7。
本例的四阶正交信号产生电路1b采用的是电阻电容型四阶网络，且四阶正交信号产生电路1b与共面波导传输线3连接。
本例的四阶正交信号产生电路1b采用四级一阶正交信号产生电路级联生成。一阶正交信号产生电路利用电阻电容在某一频点的90度移相特性，进行四路输出级联成环，通过环路反馈稳定四路输出信号相互之间的相位特性，而采用四级一阶正交信号产生电路则是通过四级级联实现了四路输出正交相位特性的匹配，大大降低了相位失配。
本实施例以8GHz作为中心工作频率，采用硅基半导体工艺进行电路级设计。当MOS开关管栅压从1.5V增加到6V时，共面波导慢波装置产生的信号的可调相位范围为2.3度，若改变金属线条阵列的尺寸可以得到更高度数的调谐范围。对于8GHz频点处的四阶正交信号产生电路1b的相位失配小于0.2度，因此通过这种共面波导慢波装置可以达到所需的相位精度要求。
本发明正交信号产生电路可是其它电阻电容无源网络级联生成，金属线条阵列根据需求，设计为多层。。

Claims (4)

1.一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，其特征在于：包括正交信号产生电路、共面波导慢波装置，所述共面波导慢波装置包括共面波导传输线、金属线条阵列、开关阵列，所述共面波导传输线设在金属线条阵列的上方，所述开关阵列的两端压在金属线条阵列上；所述正交信号产生电路由电阻、电容无源网络级联组成，所述正交信号产生电路与所述共面波导传输线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，其特征在于：所述共面波导传输线上还设有腔体屏蔽盒。
3.根据权利要求2所述的一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，其特征在于：所述金属线条阵列为两层或两层以上。
4.根据权利要求3所述的一种基于共面波导慢波结构的相位可调谐正交信号发生器，其特征在于：所述开关阵列上还连接有电压控制芯片。
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