CN109616723B - 一种应用于5g毫米波基站的高精度移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器。其中，所述移相器为八位移相器，精度高达1.4°，包括三种结构的移相单元：高通/低通滤波移相单元、带通/低通滤波移相单元、传输线耦合电感移相单元。180°、90°、45°移相单元高通/低通滤波移相单元，22.5°、11.25°、5.625°移相单元采用带通/低通滤波移相单元，2.8125°、1.40625°移相单元采用耦合传输线移相单元。其中，耦合传输线移相单元通过调节传输线电感及两传输线之间的耦合电容，实现相位的变化。本发明解决了传统高通/低通结构移相器在实现高精度移相时由于理想元器件值过大或过小而无法实现的问题，具有电路体积小、移向精度高、插入损耗小的特点。

Description

一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器。
背景技术
随着通信技术的发展，相控阵系统在雷达、卫星广播通信系统、GPS导航系统中的应用越来越广泛。相控阵是由许多辐射和接收单元排列成阵列天线，每个发射/接受单元都配有移相器。计算机通过控制移相器来改变天线发射的无线电波的相位，使得雷达的波瓣可在空中实现相位偏转，完成对空搜索。相控阵雷达中的核心组件是T/R（收发）组件，而移相器又是T/R组件中的关键部分。因此，移相器性能的好坏直接影响了整个相控阵系统的性能。移相器的主要性能指标有工作频带、移相精度、回波损耗、插入损耗、驻波比、开关时间、功率容量等。移相器根据相位变化是否连续可分为模拟移相器与数字移相器。传统的数字无源移相器有加载线型移相器、反射型移相器、开关线型移相器、高低通型移相器。加载线型移相器在实现小相位相移时，具有衰减小驻波好等高性能，但不适用于大相移。反射型移相器具有较高的功率容量，但由于需要耦合器，电路的尺寸往往偏大。开关线型移相器原理简单，易设计。但由于色散效应的存在，该移相器工作频带较窄。高低通型移相器的移相精度较高，且工作频带较宽，但占用面积达，插损较大。有源移相器一般采用正交矢量合成的方法。可变增益放大器将两路正交的信号放大不同倍数，使得合成信号实现特定的相移。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的不足，提出一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，以提高移相精度，降低插入损耗。
根据本发明，采用三种移相结构实现八位移相器，分别为高通/低通滤波结构、
带通/低通滤波结构、耦合传输线结构。
优选地，所述高通/低通滤波结构包括π型高通网络结构及T型低通网络结构。
优选地，所述π型高通网络结构由两个串联电容及一个并联电感组成π型结构，并联电感一端接地。所述T型低通网络结构由一个串联电感及两个并联电容组成T型网络结构，并联电容一端接地。当信号输入后，由晶体管开关选择信号经过高通网络或者低通网络后输出。输出信号相位做差后即为该移相单元的相对相移。
优选地，所述带通/低通滤波结构包括第一晶体管，带有并联电感的第二晶体管、π型低通滤波结构，用于与晶体管栅极串联的两个隔离电阻。
优选地，所述第一晶体管，其源端与漏端一端接输入信号，另一端作为输出端输出经过移相后的信号。所述第二晶体管与电感LR 、电容CR 并联，所述第二晶体管源漏一端接地，一端与所述π型低通滤波结构中所述连两个串联电容中间相连。
优选地，第一晶体管的源漏与π型低通滤波结构中所述电感及所述串联电容并联。
优选地，所述第一晶体管与所述第二晶体管均作为开关管，两者一个导通另一个关断。
优选地，隔离电阻为高阻，与所述第一晶体管与所述第二晶体管栅极串联，另一端接导通电压或关断电压。隔离电阻用于防止信号从源级及漏级经栅极泄漏。
优选地，耦合传输线移相单元包括一条传输线及数个开关控制接地的耦合线。
优选地，所述传输线的长宽可调。所述耦合线通过MOS管开关接地。当开关导通时，所述耦合线与所述传输线之间产生耦合电容。通过控制导通开关的数量，来控制所述耦合电容，达到特定的移相。
优选地，将三个所述高通/低通滤波移相单元、三个所述带通/低通滤波移相单元、两个所述耦合传输线移相单元级联起来，可实现0°到360°移相，步长为1.4°。
附图说明
图1为高通/低通滤波结构电路示意图。
图2为带通/低通滤波结构电路示意图。
图3为不同金属层传输线耦合电路示意图。
图4为不同金属层传输线耦合差分电路示意图。
图5为相同金属层传输线耦合电路示意图。
图6为相同金属层传输线耦合差分电路示意图。
图7为8bit相移器。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出高通/低通滤波结构电路示意图。
如图1所示，两个串联在M1与M2之间的电容与一个一端接地的电感组成T型高通滤波支路，一个串联在M3与M4之间的电感与两个一端接地的电容组成π型高通滤波支路。控制信号通过隔离电阻加在晶体管栅极上。M1与M2导通时，M3与M4关断，信号通过T型高通滤波支路，相位超前。M1与M2关断时，M3与M4导通，信号通过π型低通滤波支路，相位滞后。两者相位做差，可实现输出信号之间的相对相移。通过调整电感及电容的值，可实现特定的相移。
图2示出带通/低通滤波结构电路示意图。
如图2所示，M5的漏源分别为信号的输入端与输出端，电感Ls与两个电容Cp并联在开关管M5上。开关管M6与电感LR并联，M6源级与漏极一端接地，另一端接在两串联电容Cp 之间。当M5导通，M6关断时，移相单元为带通滤波通路，信号相位变化近似为零。当M5关断，M6导通时，移相单元为低通滤波通路，信号可实现特定相位的变化。两者相位做差，可实现输出信号之间的相对相移。
图3示出不同金属层传输线耦合电路示意图。
如图3所示，Mm金属层传输线用于传输信号，Mn金属层传输线与Mm金属层传输线在靠近时会产生耦合电容。Mn金属层传输线与晶体管漏极相连，晶体管源极接地。当晶体管导通时，该传输线与Mm金属层传输线产生耦合电容。控制晶体管导通与关断的数量来改变总耦合电容，使得信号相位发生变化，实现信号的移相。
图4示出不同金属层传输线耦合差分电路示意图。
如图4所示，电路为上下对称的结构，两条Mm金属层传输线用于传输差分信号。每条传输线均有数条与之耦合的Mn金属层传输线。控制晶体管导通与关断的数量来改变总耦合电容，使得信号相位发生变化，实现信号的移相。
图5示出相同金属层传输线耦合电路示意图。
如图5所示，Mm金属层传输线用于传输信号，上下均有数条较短的Mm金属层传输线与其耦合产生耦合电容。数条较短的Mm金属层传输线与晶体管漏极相连，晶体管源极接地。当晶体管导通时，该传输线与Mm金属层传输线产生耦合电容。控制晶体管导通与关断的数量来改变总耦合电容，使得信号相位发生变化，实现信号的移相。
图6示出相同金属层传输线耦合差分电路示意图。
如图6所示，两条Mm金属层传输线用于传输差分信号。每条传输线均有数条与之耦合的Mm金属层传输线。控制晶体管导通与关断的数量来改变总耦合电容，使得信号相位发生变化，实现信号的移相。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，用于将不同的输出信号实现相对移相，其特征在于：包括：
高通/低通滤波结构，用于实现180°、90°、45°相移；
带通/低通滤波结构，用于实现22.5°、11.25°、5.625°相移；
耦合传输线移相单元，用于实现2.8125°、1.40625°相移；
所述带通/低通滤波结构包括第一晶体管，带有并联电感的第二晶体管，π型低通滤波结构，用于与第一晶体管、第二晶体管栅极分别串联的两个隔离电阻；所述π型低通滤波结构包含两个并联电容和一个串联电感，串联电感的两端分别接在第一晶体管的源极和漏极，两个并联电容的一端分别接第一晶体管的源极和漏极，输入信号接在第一晶体管的源极，输出信号接在第一晶体管的漏极，第一晶体管的栅极接一个隔离电阻，隔离电阻的另一端接控制信号；两个并联电容的另一端均接在第二晶体管的漏极，第二晶体管的源极和漏极分别接并联电感的两端，第二晶体管的源极接地，第二晶体管的栅极接一个隔离电阻，隔离电阻的另一端接控制信号；
耦合传输线移相单元包括一条传输线及数个开关控制接地的耦合线，传输线为Mm金属层传输线，所述传输线用于传输信号，所述传输线的一端连接输入信号，另一端连接输出信号，数个开关控制接地的耦合线设置为数条较短的Mm金属层传输线，所述传输线上下均有数个开关控制接地的耦合线与其耦合产生耦合电容，所述耦合线与第三晶体管漏极相连，第三晶体管源极接地，栅极接控制信号；
所述传输线的长宽可调，所述耦合线通过作为开关的第三晶体管接地，当开关导通时，所述耦合线与所述传输线之间产生耦合电容，通过控制导通开关的数量，来控制所述耦合电容，实现相位变化；
三个所述高通/低通滤波结构、带通/低通滤波结构、两个所述耦合传输线移相单元依次级联，实现0°到360°移相，移相步长为1.4°。
2.根据权利要求1所述一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，其特征在于：所述高通/低通滤波结构包括π型高通网络结构及T型低通网络结构。
3.根据权利要求2所述一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，其特征在于：所述π型高通网络结构由一个串联电感及两个并联电容组成π型网络结构，并联电容一端接地；所述T型低通网络结构由两个串联电容及一个并联电感组成的T型网络结构，并联电感一端接地，当信号输入后，由第四晶体管开关选择信号经过高通网络或者低通网络后输出。
4.根据权利要求3所述一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，其特征在于：所述第一晶体管，其源端与漏端一端接输入信号，另一端作为输出端输出经过移相后的信号，所述第二晶体管与电感LR并联，所述第二晶体管源漏一端接地，另一端与所述π型低通滤波结构中两个所述并联电容的连接处相连。
5.根据权利要求1所述一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，其特征在于：所述第一晶体管与所述第二晶体管均作为开关管，两者一个导通另一个关断。
6.根据权利要求1所述一种应用于5G毫米波基站的高精度移相器，其特征在于：隔离电阻为高阻，隔离电阻分别与所述第一晶体管栅极、所述第二晶体管栅极串联，另一端接导通电压或关断电压，隔离电阻用于防止信号从源级及漏级经栅极泄漏。
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