CN109039288B - 可调增益均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明的多种实施例均涉及可调增益均衡器以在宽频带上实现具有恒定增益的射频输出。所述可调增益均衡器包括串联电路以及连接在串联电路上的两条并联电路，所述串联电路包括多个串联连接的可调电容。可调电容可以是变容二极管，变容二极管连接至偏置电压以实现电容调节。并联电路包括电感，使得正增益斜率能够补偿射频放大器的负增益斜率。并联路径可以通过一个或多个连接在两条并联路径之间的支路连接。连接支路提供更高的可调谐增益斜率量和更好的输入/输出匹配。通过使可调增益均衡器的偏置电压依赖于温度，可调增益均衡器能够产生温度相关的增益斜率以抵消温度变化影响。

Description

可调增益均衡器

技术领域

本发明涉及一种增益均衡器，具体涉及一种宽带可调增益均衡器。

背景技术

许多射频(RF)系统，尤其是那些具有宽工作频带的，需要在宽带上获得恒定的增益和功率输出。宽带放大器通常在较高的频率处具有下降的增益，即负增益斜率形状。RF链路中的不同组件可能具有不同的负增益斜率形状。而且，在不同的工作温度下，放大器的增益斜率会变化。

均衡器已被用于解决增益变化的问题。均衡器可以是无源的或者有源的以实现期望的衰减斜率。考虑到不同RF组件在不同温度下的负增益斜率会变化，具有固定增益斜率的传统均衡器无法有效地解决上述问题。

因此，有必要提供一种具有宽工作带宽并能够有效地解决负增益斜率变化的可调增益均衡器。

发明内容

本发明涉及一种具有宽的工作频带且能够有效地解决宽带RF系统中负增益斜率变化的可调增益均衡器。

在一个或多个实施例中，本发明的特点在于宽带可调增益均衡器。所述可调增益均衡器包括串联路径，所述串联路径包括连接在RF输入端RF1和RF输出端RF2之间的第一电容和第二电容。所述可调增益均衡器还包括连接至串联路径的第一并联路径和第二并联路径。各并联路径均包括串联连接的一个或多个段，每个段包括串联连接的电阻和电感。所述第一并联路径包括第一段和第二段；所述第二并联路径包括第三段和第四段。各段可以包括串联连接的电阻和电感。在沿着第一并联路径和第二并联路径的一些中间点处，第一并联路径和第二并联路径可以通过两个并联路径之间的一个或多个支路连接。在并联路径与串联路径的连接点处，串联路径上的第一电容和第二电容可以作为第一支路连接两个并联路径；而在第一并联路径和第二并联路径各自的段之间的中间点处，短路支路可以连接两个并联路径以提供更高的增益斜率量和更好的输入/输出匹配。

在一个或多个实施例中，第一电容和第二电容为可调电容，例如，背靠背串联连接的变容二极管。两个变容二极管的负极相互连接并经由偏置电阻Rbias连接至偏置电压源VT，所述偏置电阻Rbias在VT和串联路径之间提供直流-射频(DC-RF)隔离。所述偏置电压源VT 可以被调节以同时控制两个变容二极管的电容。在一个或多个实施例中，变容二极管背靠背串联连接，两个变容二极管之间设置有DC隔离电容。各变容二极管连接至各自的偏置电压源以使得变容二极管的电容值能够被单独地或者彼此独立地调整。

在一个或多个实施例中，公开了一种包含在不同温度条件下增益补偿的可调增益均衡器系统。该可调增益均衡器系统通过使可调增益均衡器的偏置电压VT随温度变化以抵消温度变化的影响，从而解决了由于温度变化产生的增益变化问题。所述可调增益均衡器系统包括可调增益均衡器、温度传感器、微控制单元(MCU)、数模转换器(DAC)和放大器。所述温度传感器检测环境温度并输出表示环境温度的输出电压。所述MCU接收输出电压并基于输出电压产生数字控制信号。DAC将数字控制信号转换为温度相关的偏置电压VT。所述可调增益均衡器接收射频输入信号并输出均衡器输出信号。之后均衡器输出信号被放大器放大以产生射频输出信号，该射频输出信号在宽的频带和温度范围上具有恒定增益。

附图说明

附图中示出了本发明的示例性实施例以供参考，附图的作用在于说明而非限制本发明。虽然本发明大致记载于实施例中，但如此做的目的不是将本发明的保护范围限制为所描述实施例的具体技术特征：

图1描述了在不同频率和温度下典型宽带放大器的增益；

图2描述了现有技术中使用场效应晶体管(FET)作为电压可变电阻器的混合均衡器电路；

图3为本发明实施例1中的可调增益均衡器的电路原理图；

图4为本发明实施例2中的可调增益均衡器的电路原理图；

图5描述了本发明实施例2中可调增益均衡器的插入损耗；

图6为本发明实施例3中包含在不同温度下增益补偿的可调增益均衡器系统的原理框图。

本领域技术人员将认识到，根据说明书能够实施本发明的多种实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例均应包含在本发明的保护范围之内。

具体实施方式

在下文的描述中，为了解释本发明，将陈述本发明的具体细节以方便理解，但本发明可能不通过部分或者全部所述的具体细节亦可实施。下文所述的本发明的实施例可能被包含在许多不同的电气组件、电路、设备和系统中。附图的电路框图中所示的系统和设备用以说明本发明的示例性实施例，并且不作为用于模糊本发明宽泛指导的托辞。附图中所示的元件之间的连接关系不限于直接连接，而是能够被修改、重构或者通过中间组件来改变的。

当在说明书中提到“一个实施例”或者“某个实施例”时，所表达的含义是与该实施例有关的具体特性、结构、特征或功能包含在本发明的至少一个所预期的实施例中。因此，说明书中不同位置所出现的短语“在一个实施例中”不构成对本发明单个实施例的多次引用。

图1描述了在不同频率和温度下，亚德诺半导体技术有限公司的HMC311SC70宽带放大器的增益。如图1所示，该放大器具有负增益斜率，其频率越高，增益越小。此外，放大器的增益体现出温度变化，尤其是在较高的频率处。例如，温度-40℃对应的增益105高于温度+25℃对应的增益110和温度+85℃对应的增益115。在频率和温度下的这种增益变化给在宽带上实现恒定增益和功率输出的增益补偿带来更多挑战。显然地，具有固定增益斜率的增益均衡器无法解决上述放大器增益变化的问题。

图2描述了现有技术中使用场效应晶体管(FET)作为电压可变电阻器的均衡器电路。专利号为5,363,069的美国专利公开了这种均衡器。所述均衡器包括设置在射频输入端口20 和射频输出端口40之间的一系列微带传输线，以及由通过微带传输线连接的FET 54和短截线调谐器53的串联组合构成的并联路径。所述FET 54可以在导电状态和非导电状态切换。 FET用作电压可变电阻器以选择性地控制短截线调谐器的Q值，从而控制均衡曲线的深度。但是，正如专利号为5,363,069的美国专利所公开的，该均衡器电路的增益随频率曲线为抛物线形状，其在中心工作频率处增益最小。抛物线形的增益曲线可能无法很好地匹配以补偿宽带放大器的负增益斜率从而获得恒定的增益输出。不仅如此，可以通过短截线调谐器匹配的阻抗范围取决于短截线之间的间距，而短截线之间的间距通常是固定的，因而限制了宽带应用的适应性。

【实施例1】：

图3为本发明实施例1中的可调增益均衡器300的原理图。该可调增益均衡器包括串联路径，所述串联路径包括连接在射频输入端RF1和射频输出端RF2之间的第一电容350和第二电容360。所述可调增益均衡器还包括连接至串联路径的第一并联路径和第二并联路径。在一个或多个实施例中，各并联路径均包括串联连接的一个或多个段，每个段包括串联连接的电阻和电感。如图3所示，第一并联路径包括第一段310和第二段320，第一段310包括电阻R1和电感L1，第二段320包括电阻R2和电感L2；第二并联路径包括第三段330和第四段340，第三段330包括电阻R1’和电感L1’，第四段340包括电阻R2’和电感L2’。在沿着第一并联路径和第二并联路径的部分中间点处，所述第一并联路径和第二并联路径可以通过连接在两个并联路径之间一个或多个支路连接。例如，位于串联路径上的第一电容350和第二电容360可以作为第一支路在各并联路径上的点(a和a’)处连接两条并联路径；而短路支路315可以在各并联路径的点(b和b’)处连接两条并联路径。所述短路支路315可以提供更高的可调增益斜率量和更好的输入/输出匹配。

在部分实施例中，所述串联路径还包括第一直流隔离电容Cb 355和第二直流隔离电容Cb’365，其中，第一直流隔离电容Cb 355连接在射频输入端RF1和第一电容350之间，第二直流隔离电容Cb’365位于射频输出端RF2和第二电容360之间。两个直流隔离电容用于阻隔射频输入的直流分量，并防止直流分量泄漏到射频输出。

在一个或多个实施例中，可调增益均衡器300具有关于虚拟对称线305对称的对称拓扑结构。这种配置确保可调增益均衡器300可能具有拥有对称S11/S22(反射系数)参数的散射矩阵(可调增益均衡器300被视作具有射频输入端RF1和射频输出端RF2的双端口网络)，以便于设计和额外的使用方便性，例如，射频输入信号既可以通过射频输入端RF1也可以通过射频输出端RF2被馈送至可调增益均衡器300。相应地，射频输出信号既可以通过射频输出端RF2也可以通过射频输入端RF1从可调增益均衡器300中输出。

通过在串联路径中设置电容以及在并联路径中设置至少一个电感，可调增益均衡器300 原则上可以实现正增益斜率。在一个或多个实施例中，第一电容350和第二电容360中的至少一个的电容可调，使得可调增益均衡器300可以具有可调谐的正增益斜率以匹配各种其他的射频组件，例如放大器，从而在宽频带上实现具有恒定增益的射频输出。第一电容350和第二电容360可以同时地、单独地或者彼此独立地被调节。在一个或多个实施例中，第一电容350和第二电容360可以是开关电容、电压调谐电容(例如，变容二极管)、数字调谐电容、固定电容与可调电容相结合等。

本领域技术人员应当理解，图3所示的实施例1的多种修改方式也同样适用于所期望获得的增益均衡器。例如，第一并联路径和第二并联路径中的一个或多个段可以配置为可调节的，通过采用可调的电阻或电感。此外，尽管图3中示出的所有段的结构相类似，但本领域技术人员应当理解，改变段的结构可以用于可调均衡器。例如，第一段310和第三段330可以仅具有电感，而第二段320和第四段340可以包括电阻和电感。上述变化仍应落在本发明的保护范围内。

【实施例2】：

图4为本发明实施例2中的可调增益均衡器400的原理图。可调增益均衡器400包括位于射频输入端RF1和射频输出端RF2之间的串联路径，以及连接在串联路径上的第一并联路径和第二并联路径。所述串联路径包括背靠背串联连接的第一变容二极管450和第二变容二极管460。两个变容二极管的负极相互连接并经由偏置电阻Rbias 475连接至偏置电压源VT 470，所述偏置电阻Rbias 475在偏置电压源VT 470和串联路径之间提供直流-射频隔离。所述偏置电压源VT 470可以被调节以同时控制第一变容二极管450和第二变容二极管460。在一个或多个实施例中，偏置电阻Rbias 475串联连接有电感以增强直流-射频隔离。在一个或多个实施例中，所述串联路径还包括第一直流隔离电容Cb 455和第二直流隔离电容Cb’465 以用于宽带可调增益均衡器400与外部电路间的直流隔离，其中，所述第一直流隔离电容Cb 455位于射频输入端RF1和第一变容二极管450之间，所述第二直流隔离电容Cb’465位于射频输出端RF2和第二变容二极管460之间。

在一个或多个实施例中，第一并联路径和第二并联路径拥有相同的结构。各并联路径包括串联连接的一个或多个段，每个段包括串联连接的电阻和电感。如图4所示，第一并联路径包括第一段410和第二段420，第一段410包括电阻R1和电感L1，第二段420包括电阻 R2和电感L2；第二并联路径包括第三段430和第四段440，第三段430包括电阻R1’和电感L1’，第四段440包括电阻R2’和电感L2’。在沿着第一并联路径和第二并联路径的部分中间点处，第一并联路径和第二并联路径可以通过连接在两个并联路径之间的一个或多个支路连接。例如，位于串联路径上的第一变容二极管450和第二变容二极管460可以作为第一支路以在各并联路径上的点(a和a’)处连接两个并联路径；而短路支路415可以在各并联路径的点(b和b’)处连接两个并联路径。所述短路支路415可以提供更高的可调谐增益斜率量和更好的输入/输出匹配。在一个或多个实施例中，短路支路415可以替换为电容Cs以调节可调增益均衡器400的增益斜率量和增益斜率形状。

在一个或多个实施例中，类似于图3所示的实施例1中的可调增益均衡器300，可调增益均衡器400也可以具有关于虚拟对称线405对称的对称拓扑结构以使得射频输入信号既可以通过射频输入端RF1也可以通过射频输出端RF2被馈送至可调增益均衡器400。相应地，射频输出信号既可以通过射频输出端RF2也可以通过射频输入端RF1从可调增益均衡器400 中输出。

在一个或多个实施例中，第一变容二极管450和第二变容二极管460串联连接，第一变容二极管450和第二变容二极管460之间设置有直流隔离电容(未在图4中示出)。第一变容二极管450和第二变容二极管460均连接至各自的偏置电压源以使得第一变容二极管450和第二变容二极管460的电容值能够被单独地或者彼此独立地调整。

图5描述了可调增益均衡器400的插入损耗(或者插入增益)。如图5所示，可调增益均衡器400展示了正增益斜率(505，510和515)，该正增益斜率具有受偏置电压控制的可调节增益。在较高的偏置电压下，可调增益均衡器400具有更大的正增益斜率。

【实施例3】：

图6为本发明实施例3中包含在不同温度下增益补偿的可调增益均衡器系统600的原理框图。上述由于温度变化导致的增益变化问题的一个解决办法是使可调增益均衡器的偏置电压VT随温度变化以抵消温度变化的影响。可调增益均衡器系统600包括可调增益均衡器610、温度传感器620、微控制单元(MCU)630、数模转换器(DAC)640和放大器650。所述温度传感器620检测环境温度并输出表示环境温度的输出电压622。所述MCU 630接收输出电压622并基于输出电压622产生数字控制信号632。DAC 640将数字控制信号632转换为温度相关的偏置电压VT 644。所述可调增益均衡器610接收射频输入信号RFin 612并输出均衡器输出信号614。之后均衡器输出信号614被放大器650放大以产生射频输出信号RFout652，该射频输出信号RFout 652在宽的频带和温度范围上具有恒定增益。MCU 630也可以输出使能控制信号(EN)634以使能或不使能DAC 640。

在部分实施例中，DAC 640接收参考电压642。所述参考电压642的电压电平决定了DAC 模拟输出的最大值，所述DAC模拟输出的最大值对应于偏置电压VT 644的最大值。MCU630 产生的数字控制信号632由DAC 640转换为偏置电压VT 644，所述偏置电压VT 644的电压电平为参考电压642的分数倍，该分数倍的分数取决于数字控制信号632的数值，所述数字控制信号632的数值可以包括多个二进制位，例如包括了DB0～DB7的8位。

在部分实施例中，MCU 630包括存储有查询表的存储器636，该查询表将多个温度(例如从-40℃到85℃，分辨率为2℃)与数字控制信号632的相应的特定状态相关联。可以在可调增益均衡器系统600的测试阶段创建查询表，并将查询表预加载在存储器636中。所述测试阶段包括在一个或多个频率下和/或在一个或多个温度下，在多种控制电压时进行的测试。当接收到表示温度的输出电压622，MCU 630从查询表中检索数字控制信号632的对应状态，并将具有检索到的对应状态的数字控制信号632发送至DAC 640以产生所期望的偏置电压VT 644，偏置电压VT 644由可调增益均衡器610接收并产生具有期望的增益或增益频率量的均衡器输出信号614。在实施例中，存储器636可以是能够被MCU 630访问以进行数据检索的外部存储器。

本发明的上述描述用于清楚和理解本发明，而不是用于将本发明限制在所公开的精确形式中，在所公开的内容上做出的各种修改也同样有可能落入本发明权利要求书的保护范围中。

本领域技术人员应当理解的是前文所述的示例和实施例是示例性的，而不是用于限制本发明的保护范围的。所有根据阅读本发明说明书及研究本发明附图后所作出的对于本领域技术人员来说显而易见的置换、增强、等同、结合和改进都应落入本发明的精神和保护范围中。

还应当注意的是，各权利要求中所提及的元件之间可以进行不同的布置，包括具有多种依赖关系、结构及组合。例如，在某些实施例中，各权利要求的主要内容可以相互结合。

Claims (10)

1.可调增益均衡器，其特征在于，包括：

串联路径，所述串联路径连接在第一射频端和第二射频端之间，串联路径包括至少一个用于增益调谐的可调电容；

连接在串联路径上第一并联路径和第二并联路径，所述第一并联路径和第二并联路径均包括至少一个电感，第一并联路径和第二并联路径至少通过第一支路和第二支路连接，所述第一支路包括串联路径的一部分，第二支路连接第一并联路径的中间点和第二并联路径的中间点，所述可调电容、第一并联路径和第二并联路径中的电感用于使所述可调增益均衡器具有正增益斜率。

2.根据权利要求1所述的可调增益均衡器，其特征在于，所述串联路径包括第一可调电容和第二可调电容，所述第一可调电容和第二可调电容连接在第一并联路径和第二并联路径之间。

3.根据权利要求2所述的可调增益均衡器，其特征在于，所述第一可调电容和第二可调电容的电容值可以共同调节或单独调节。

4.根据权利要求1所述的可调增益均衡器，其特征在于，所述第二支路为短路支路或电容器。

5.根据权利要求1~4中任一项所述的可调增益均衡器，其特征在于，第一并联路径和第二并联路径均包括多个串联连接的段，所述段包括串联连接的电阻和电感。

6.可调增益均衡器，其特征在于，包括：

串联路径，所述串联路径连接在第一射频端和第二射频端之间，所述串联路径包括至少一个可调节电容以实现可调增益均衡器的正增益斜率；

连接在串联路径上的第一并联路径和第二并联路径，所述串联路径上至少一个可调节电容连接在第一并联路径和第二并联路径之间，所述可调节电容具有可调节的电容值以实现可调增益均衡器的增益调谐。

7.根据权利要求6所述的可调增益均衡器，其特征在于，所述串联路径包括连接在第一并联路径和第二并联路径之间的第一可调电容和第二可调电容，所述第一可调电容和第二可调电容为变容二极管。

8.根据权利要求6或7所述的可调增益均衡器，其特征在于，所述第一并联路径和第二并联路径均包括至少一个电感，第一并联路径和第二并联路径通过支路连接，所述支路连接第一并联支路的中间点和第二并联支路的中间点。

9.可调增益均衡器系统，其特征在于，包括：

温度传感器，所述温度传感器产生指示环境温度的输出电压；

微控制单元，所述微控制单元至少基于输出电压产生数字控制信号；

数模转换器，所述数模转换器基于数字控制信号和参考电压产生温度相关的偏置电压；及

可调增益均衡器，所述可调增益均衡器接收射频输入信号和温度相关的偏置电压，所述可调增益均衡器包括一个或多个压控电容，所述压控电容受温度相关的偏置电压控制以调节电容使所述可调增益均衡器具有正增益斜率，可调增益均衡器根据射频输入信号产生具有所需增益或增益斜率的均衡器输出信号，以抵消温度引起的增益变化；

放大器，所述放大器接收均衡器输出信号并产生具有恒定增益的射频输出信号。

10.根据权利要求9所述的可调增益均衡器系统，其特征在于，所述数字控制信号具有从查询表中检索的状态，所述状态对应于输出电压指示的环境温度。

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