CN109546989A - 低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，包括：输入节点和输出节点，输入节点和输出节点之间连接有参考路径和衰减路径，输入节点接收待衰减信号，输出节点输出衰减信号。本发明的有益效果为：(1)采用切换参考路径和衰减路径的电路架构，可以在满足高动态衰减范围的同时，实现常数相位特性；(2)非对称开关结构，串联电抗元件，构成低通匹配结构，可以在在较宽的频率范围内实现大动态高精度低插损低附加相移的特性；(3)采用改进的T型或者π型电阻网络，能够进一步提高衰减精度。

Description

低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路
技术领域
本发明涉及可变衰减电路技术领域，尤其是一种低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路。
背景技术
可变衰减电路广泛应用于雷达信号模拟器、信号发生器、自动增益控制器、相控阵系统、电子对抗系统和通信系统等，实现对信号幅度的控制。当前，可变衰减电路存在个衰减态之间相位差较大和大动态衰减范围时衰减精度低的不足，限制了可变衰减电路在现今系统中应用，或是增加了应用系统的复杂度。各衰减态相移一致、大动态范围内的衰减精度、高度一致性和温度稳定性的衰减电路能使应用系统省去校准工作，降低应用系统复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，可以在满足超宽带带和高动态范围的应用需求下，实现超低附加相移以及优异的衰减精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，包括：输入节点和输出节点，输入节点和输出节点之间连接有参考路径和衰减路径，输入节点接收待衰减信号，输出节点输出衰减信号。
优选的，参考路径包括第一串联晶体管、若干并联晶体管和若干串联电抗元件；第一并联晶体管与第一串联晶体管连接，若干并联晶体管之间通过串联电抗逐级连接；第一控制电压施加于第一串联晶体管的偏置节点，第二控制电压施加于参考路径中所有若干并联晶体管的偏置节点上。
优选的，衰减路径包括第二串联晶体管、若干并联晶体管、若干串联电抗元件和衰减网络；第二串联晶体管与输入节点之间通过电抗元件连接，第二并联晶体管与第二串联晶体管连接，若干并联晶体管之间采用串联电抗元件逐级连接，衰减网络设置于若干级联连接并联晶体管和串联电抗元件的对称中心位置；第三控制电压施加于第二串联晶体管的偏置节点，第四控制电压施加于衰减路径中所有若干并联晶体管的偏置节点上。
优选的，参考路径中第一串联晶体管的沟道宽度大于衰减路径中第二串联晶体管的沟道宽度。
优选的，在前级电路与电路输入节点间串联电抗元件，在电路输出节点和后级电路输入端口之间串联电抗元件，增强电路的匹配特性。
优选的，若干串联电抗元件采用电感器件或者高特征阻抗的传输线。
优选的，衰减网络采用改进的T型电阻网络实现，在T型网络的公共节点与接地电阻之间串联电抗性元件，电抗性元件用于调节高频衰减精度。
优选的，衰减网络采用改进的π型电阻网络实现，在π型网络的输出节点与接地电阻之间串联电抗性元件，电抗性元件用于调节高频衰减精度。
本发明的有益效果为：(1)采用切换参考路径和衰减路径的电路架构，可以在满足高动态衰减范围的同时，实现常数相位特性；(2)非对称开关结构，串联电抗元件，构成低通匹配结构，可以在在较宽的频率范围内实现大动态高精度低插损低附加相移的特性；(3)采用改进的T型或者π型电阻网络，能够进一步提高衰减精度。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
图2为本发明改进T型和改进π型电阻网络示意图。
图3为本发明的实施例电路原理示意图。
图4为本发明实施例参考态下的衰减电路等效电路原理示意图。
图5为本发明实施例衰减态下的衰减电路等效电路原理示意图。
图6为本发明实施例插入损耗、衰减特性和附加相移的仿真结果示意图。
图7为本发明实施例参考态和衰减态下输入回波损耗的仿真结果示意图。
具体实施方式
本发明所提供的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，可以在低插入损耗和低附加相移的前提下，实现大的衰减动态范围。如图1所示，数控衰减电路包含RF输入节点Ie和RF输出节点Oe，本实施例采用关于输入输出节点对称的结构。输入节点Ie和输出节点Oe均与参考路径Pref和衰减路径Patt连接。衰减电路包含开关元件，用于切换信号到参考路径或者衰减路径。参考路径损耗越低越好，但由于器件有限的品质因数，插损不可避免，因此，实际的衰减电路衰减量为信号通过参考路径Pref和信号通过衰减路径Patt的损耗差值。
低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，包括：输入节点和输出节点，输入节点和输出节点之间连接有参考路径和衰减路径，输入节点接收待衰减信号，输出节点输出衰减信号。
参考路径包括第一串联晶体管、若干并联晶体管和若干串联电抗元件；第一并联晶体管与第一串联晶体管连接，若干并联晶体管之间通过串联电抗逐级连接；第一控制电压施加于第一串联晶体管的偏置节点，第二控制电压施加于参考路径中所有若干并联晶体管的偏置节点上。
如图2所示，衰减路径包括第二串联晶体管、若干并联晶体管、若干串联电抗元件和衰减网络；第二串联晶体管与输入节点之间通过电抗元件连接，第二并联晶体管与第二串联晶体管连接，若干并联晶体管之间采用串联电抗元件逐级连接，衰减网络设置于若干级联连接并联晶体管和串联电抗元件的对称中心位置；第三控制电压施加于第二串联晶体管的偏置节点，第四控制电压施加于衰减路径中所有若干并联晶体管的偏置节点上。
衰减网络采用改进的T型电阻网络实现，在T型网络的公共节点与接地电阻之间串联电抗性元件，电抗性元件用于调节高频衰减精度。衰减网络采用改进的π型电阻网络实现，在π型网络的输出节点与接地电阻之间串联电抗性元件，电抗性元件用于调节高频衰减精度。
如图3所示，衰减电路电路包含一个双刀双掷(DPDT)切换结构。该双刀双掷结构由输入端和输出端两个单刀双掷(SPDT)结构组成。开关结构由串联晶体管和并联若干晶体管组成；在本实施例中，选取串联1支晶体管，并联1支晶体管进行验证，即输入端单刀双掷结构包含参考路径Pref中第一串联晶体管T11和第一并联晶体管T12，同时包含衰减路径Patt中第二串联晶体管T21和第二并联晶体管T22。输出端单刀双掷结构包含参考路径Pref中第一串联晶体管T11＇和第一并联晶体管T12＇，同时包含衰减路径Patt中第二串联晶体管T21＇和第二并联晶体管T22＇。
参考路径Pref中，第一串联晶体管T11与第一并联晶体管T12级联连接，第一并联晶体管T12接地。第一串联晶体管T11和第一并联晶体管T12的栅极各自通过电阻R11和R12连接偏置节点，T11和T12的偏置节点处控制电压分别为V1与V2。第一串联晶体管T11＇与第一并联晶体管T12＇级联连接，第一并联晶体管T12＇接地。第一串联晶体管T11＇和第一并联晶体管T12＇的栅极各自通过电阻R11＇和R12＇连接偏置节点，T11＇和T12＇的偏置节点处控制电压分别为V1与V2。其中，R11和R12选取2.5k电阻，以减小射频信号泄露并保持衰减电路的工作速度。第一串联晶体管的沟道宽度选择适中，一方面较大的沟道宽度可以减小晶体管的开启电阻，实现降低衰减电路插入损耗的目的；另一方面，过大的沟道宽度将增大晶体管的关闭电容，过大的关闭电容会恶化参考路径的开关特性，从而造成参考路径和衰减路径信号的互相影响。第一并联晶体管之间串联电感L11+L11＇进行级联连接，第一并联晶体管在信号通过参考路径时等效为小电容，电感L11+L11＇连同T12、T12＇共同组成三阶低通网络。
衰减路径Patt中，第二串联晶体管T21与第二并联晶体管T22级联连接，第二并联晶体管T22接地。第二串联晶体管T21和第二并联晶体管T22的栅极各自通过电阻R21和R22连接偏置节点，T21和T22的偏置节点处控制电压分别为V2与V1。第二串联晶体管T21＇与第二并联晶体管T22＇级联连接，第二并联晶体管T22＇接地。第二串联晶体管T21＇和第二并联晶体管T22＇的栅极各自通过电阻R21＇和R22＇连接偏置节点，T21＇和T22＇的偏置节点处控制电压分别为V2与V1。第一串联晶体管和第二并联晶体管在偏置节点处施加相同的偏置电压V1，第二串联晶体管和第一并联晶体管在偏置节点处施加相同的偏置电压V2。第二串联晶体管的沟道宽度选择一般小于第一串联晶体管的沟道宽度，这样可以增加两个路径的隔离度。衰减网络采用改进的T型结构，由电阻R1、R2、R3以及高阻传输线TL0构成。其中，电阻元件R1、R2、R3用于对信号进行衰减，高阻传输线TL0用于改进高频段的衰减精度，由它们组成的改进的T型衰减网络对衰减路径的相位特性影响较小。输入节点Ie与第二串联晶体管T11之间级联一段传输线TL21，作为串联电抗元件。第二并联晶体管T22与衰减网络之间级联一段传输线TL22，作为串联电抗元件。输出节点Oe与第二串联晶体管T11＇之间级联一段传输线TL21＇，作为串联电抗元件。第二并联晶体管T22＇与衰减网络之间级联一段传输线TL22＇，作为串联电抗元件。衰减路径上的两个三阶低通网络，在实现宽带匹配的同时，平衡路径的相位特性，使得衰减路径与参考路径的相位一致。表1为本实施例中所采用的开关晶体管的沟道宽度以及开/关状态下等效电路参数。
表1开关晶体管的沟道宽度以及开/关状态下等效电路参数
进一步地，在前级输出节点Si与输入节点Ie、后级输入节点So与输出节点Oe之间，串联一电抗元件，本实施例中采用了一段高阻传输线TLi和TLo，用于进一步电路匹配，降低输入输出端口的驻波比。表2为本实施例中所采用的其它电路元件的电路参数值。
表2其它电路元件的电路参数值
此时，当开关结构切换到参考路径时，第一串联晶体管T11和第一并联晶体管T12分别等效为串联电阻R11和并联电容C12，输入输出的高阻传输线TLi和TLo可以近似等效与串联电感Li和Lo；而对于衰减路径而言，第二串联晶体管T21和第二并联晶体管T22分别等效为串联小电容和并联小电阻，因此衰减路电路几乎没有影响；此时衰减电路等效于5阶低通滤波器结构，如图4所示；当开关结构切换到衰减路径时，第二串联晶体管T21和第二并联晶体管T22分别等效为串联电阻R21和并联电容C22，输入输出的高阻传输线TLi和TLo可以近似等效与串联电感Li和Lo；而对于参考路而言，第一串联晶体管T11和第一并联晶体管T12分别等效为串联小电容和并联小电阻，因此参考路电路几乎没有影响，其它高阻传输线仍近似等效于电感元件。当开关结构切换到参考路径时，第一串联晶体管T11＇和第一并联晶体管T12＇分别等效为串联电阻R11＇和并联电容C12＇，输入输出的高阻传输线TLi和TLo可以近似等效与串联电感Li和Lo；而对于衰减路径而言，第二串联晶体管T21＇和第二并联晶体管T22＇分别等效为串联小电容和并联小电阻，因此衰减路电路几乎没有影响；此时衰减电路等效于5阶低通滤波器结构，如图4所示；当开关结构切换到衰减路径时，第二串联晶体管T21＇和第二并联晶体管T22＇分别等效为串联电阻R21＇和并联电容C22＇，输入输出的高阻传输线TLi和TLo可以近似等效与串联电感Li和Lo；而对于参考路而言，第一串联晶体管T11＇和第一并联晶体管T12＇分别等效为串联小电容和并联小电阻，因此参考路电路几乎没有影响，其它高阻传输线仍近似等效于电感元件。衰减电路等效于两个3阶低通网络之间串联T型衰减网络，如图5所示。
图6为实施例的衰减精度、衰减附加相移以及插入损耗的仿真结果示意图，在DC-20GHz的频率范围内，保持20dB的衰减精度，能够实现±2°的超低衰减附加相移；于此同时，在频率范围内，衰减电路的插入损耗小于1.4dB。图7为实施例参考态和衰减态下驻波特性，在DC-20GHz的频率范围内，实现好于-10dB的良好匹配。

Claims (8)

1.低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，包括：输入节点和输出节点，输入节点和输出节点之间连接有参考路径和衰减路径，输入节点接收待衰减信号，输出节点输出衰减信号。
2.如权利要求1所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，参考路径包括第一串联晶体管、若干并联晶体管和若干串联电抗元件；第一并联晶体管与第一串联晶体管连接，若干并联晶体管之间通过串联电抗逐级连接；第一控制电压施加于第一串联晶体管的偏置节点，第二控制电压施加于参考路径中所有若干并联晶体管的偏置节点上。
3.如权利要求1所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，衰减路径包括第二串联晶体管、若干并联晶体管、若干串联电抗元件和衰减网络；第二串联晶体管与输入节点之间通过电抗元件连接，第二并联晶体管与第二串联晶体管连接，若干并联晶体管之间采用串联电抗元件逐级连接，衰减网络设置于若干级联连接并联晶体管和串联电抗元件的对称中心位置；第三控制电压施加于第二串联晶体管的偏置节点，第四控制电压施加于衰减路径中所有若干并联晶体管的偏置节点上。
4.如权利要求2或3所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，参考路径中第一串联晶体管的沟道宽度大于衰减路径中第二串联晶体管的沟道宽度。
5.如权利要求1所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，在前级电路与电路输入节点间串联电抗元件，在电路输出节点和后级电路输入端口之间串联电抗元件。
6.如权利要求2或3所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，若干串联电抗元件采用电感器件或者高特征阻抗的传输线。
7.如权利要求3所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，衰减网络采用改进的T型电阻网络实现，在T型网络的公共节点与接地电阻之间串联电抗性元件。
8.如权利要求3所述的低通匹配式大动态常数相位的数控衰减电路，其特征在于，衰减网络采用改进的π型电阻网络实现，在π型网络的输出节点与接地电阻之间串联电抗性元件。
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