CN109802652A - 一种5g相控阵的移相器 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种5G相控阵的有源移相器。包括：π型网络结构，由可变电容和变压器的主级线圈组成；第一晶体管，栅极接输入信号，漏级连接所述π型网络结构，实现对输入信号的放大；第二晶体管，栅极、源级分别与第一晶体管的栅极、源级相接，用于镜像第一晶体管的交流信号电流；开关阵列，连接于所述第二晶体管和变压器的次级线圈，通过开关阵列切换次级线圈的交流电流方向从而改变主级线圈的电感大小；第三晶体管，栅极接偏置，源级接所述π型网络结构，漏级接输出，实现对所述π型网络结构插入损耗的补偿。本发明解决传统π型网络结构移相器，具有电路体积小、相位调节范围大、插入损耗小的特点。

Description

一种5G相控阵的移相器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种5G相控阵的移相器。

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、移相幅度、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。传统的模拟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

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种相位调节大、插入损耗低的5G相控阵移相器。

本发明提供的5G相控阵移相器，采用可变电容和可变电感构成的π型网络结构来提高相位调节范围，采用有源晶体管和所述π型网络结构相结合的方式来降低所述π型网络结构的插入损耗。

本发明提供的5G相控阵移相器，用于将输入信号移相，其电路结构包括：

π型网络结构，由2个可变电容和变压器的组成；用于实现相位连续可调；

第一晶体管，其栅极接输入信号，漏级连接所述π型网络结构的一端，源级接地；用于实现对输入信号的放大；

第二晶体管，其栅极、源级分别和第一晶体管的栅极、源级相接，漏级接开关阵列；

第二晶体管，其栅极、源级分别与第一晶体管的栅极、源级相接，漏级与开关阵列连接，用于镜像第一晶体管的输出交流信号电流；

开关阵列，连接于所述第二晶体管和变压器的次级线圈之间，通过开关阵列切换次级线圈的交流电流方向从而改变主级线圈的电感大小；

第三晶体管，栅极接偏置，源级接所述π型网络结构的另一端，漏级接输出，用于实现对所述π型网络结构插入损耗的补偿。

本发明中，所述开关阵列，包括两组开关，每组开关由一个NMOS晶体管和一个栅极连接反相器的NMOS晶体管构成，一组开关连接所述第二晶体管和变压器的次级线圈之间，另外一组开关连接于所述变压器的次级线圈和第三晶体管之间。

本发明中，所述π型网络结构由变压器和可变电容构成，通过改变所述变压器次级线圈的交流电流方向来改变主级线圈的电感大小，从而实现相位的粗调，通过改变可变电容的大小来实现相位的连续细调。

本发明中，所述，所述可变电容的容值大小通过精细设计，使其最大电容值和最小值电容值的比值最大化，每个可变电容受独立的控制电压控制，配合电感的粗调实现相位的最大化连续调节。

本发明中，所述变压器的主级线圈和可变电容构成π型网络结构，次级线圈连接开关阵列，开关阵列的4个开关由同一个控制电压控制，以简化电路的复杂度。

本发明中，所述开关阵列包含2组，每组由一个NMOS晶体管和一个栅极连接反相器的NMOS晶体管构成，以实现在同一个控制电压控制下交替开启或者闭合。

本发明中，所述第二晶体管为电流镜，其尺寸经过精细设计，使其宽长比与第一晶体管宽长比成比例，第二晶体管宽长比与第一晶体管的宽长比之间的比值决定了次级线圈交流电流的大小，进而决定了主级线圈电感的调节范围。

本发明中，所述π型网络结构连接于第一晶体管和第三晶体管之间，通过第一晶体管和第三晶体管的增益来补偿π型网络结构的插入损耗，实现移相器的低插入损耗。

本发明中，所述5G相控阵移相器为单端架构的移相器；本发明还包括差分架构的移相器，以及由这两种架构移相器级联而成的多级移相器结构。所谓差分架构的移相器是指由所述单端架构的移相器进行镜像复制而得到差分架构。

本发明解决了传统π型网络结构移相器，其相位调节范围受可变电容限制和插入损耗大的问题，具有电路体积小、相位调节范围大、插入损耗小的特点。

附图说明

图1为本发明一种5G相控阵移相器电路拓扑结构示意图。

图2为电感、电容可调的无源π型网络和有源MOS晶体管相结合的移相器示意图。

图3为M4、M5导通M6、M7断开时，移相器电路示意图。

图4为M4、M5断开M6、M7导通时，移相器电路示意图。

图5为所述5G相控阵移相器的差分结构电路示意图。

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示出本发明移相器电路拓扑结构示意图。

如图1所示，移相器电路包括：2个信号放大晶体管M₁、M₃；1个电流镜晶体管M₂；4个开关管M₄、M₅、M₆、M₇和2反相器INV₁、INV₂；2个电感L_P、L_S；2个隔直电容C₃、C₄；2个可变电容C₁、C₂。其中C₁与C₃串联，C₂与C₄串联，并分别与电感L_P并联组成π型网络，C₁的电容大小由控制电压Vt₁调节，C₂的电容大小由控制电压Vt₂调节，电感L_P的大小由次级线圈L_S和开关管阵列调节；信号放大晶体管M1栅极接输入信号，漏级接π型网络的一端，源级接地，晶体管M₃源级接π型网络的另外一端，栅极接偏置电压，漏级接输出；电流镜晶体管M₂的栅极、源级分别与晶体管M₁的栅极、源级连接，其漏级连接开关晶体管M₄、M₆的源级；开关管M₄、M₆的漏级分别连接次级线圈L_S的两端，开关管M₅、M₇的源级分别与开关管M₆、M₄的漏级相连，开关管M₅、M₇的漏级与信号放大晶体管M₃的源级相连，开关管M₄、M₅的栅极接控制电压Vsw，开关管M₆、M₇的栅极分别接方向器INV₁、INV₂的输出，反相器INV₁、INV₂的输入接控制电压Vsw。

图2示出电感、电容可调的无源π型网络和有源MOS晶体管相结合的移相器原理图。

如图2所示，隔直电容C₃、C₄和可变电容C₁、C₂与等效可变电感L_P构成无源π型网络。通过调节电感实现相位的粗调，通过调节电容实现相位的连续精调。所述无源π型网络一端连接信号放大晶体管M₁的漏级输出，另一端连接信号放大晶体管M₃的源级输入。通过有源晶体管的增益补偿无源π型网络的插入损耗。

图3示出M₄、M₅导通M₆、M₇断开时，移相器电路示意图。

如图3所示，当控制电压Vsw为高电平时，开关管M₄、M₅导通M₆、M₇断开，此时某一时刻，电流镜晶体管M₂会按尺寸比例复制放大晶体管M₁的交流电流，此镜像交流电流会依次流经M₄、次级线圈L_S、M₅直至放大晶体管M₃，在此刻，变压器主级线圈交流电流i _Lp和次级线圈的交流电流i _Ls方向相同，由于互感的影响，此时初级线圈的电感为L_P1。

图4示出M₄、M₅断开M₆、M₇导通时，移相器电路示意图。

如图4所示，当控制电压Vsw为低电平时，开关管M₄、M₅断开M₆、M₇导通，此时某一时刻，电流镜晶体管M₂会按尺寸比例复制放大晶体管M₁的交流电流，此镜像交流电流会依次流经M₆、次级线圈L_S、M₇直至放大晶体管M₃，在此刻，变压器主级线圈交流电流i _Lp和次级线圈的交流电流i _Ls方向相反，由于互感的影响，此时初级线圈的电感为L_P1。图3与图4示出了所述π型网络电感调节的详细原理。

图5示出所述移相器的差分结构。

如图5所示，为图1所示的5G相控阵移相器结构的差分架构，由于差分电路交流地的特性，在所述差分移相器中，移除了隔直电容，控制电压Vt1直接加在可变电容C_1P和C_1N之间，控制电压Vt₂直接加在可变电容C_2P和C_2N之间，实现所述差分移相器的相位连续精调。

应当说明的是，本文所述的5G相控阵的移相器，包括图1所示的单端架构和图5所示的差分架构，也包括由这两种架构级联而成的多级移相器结构。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (8)

1.一种5G相控阵移相器，其特征在于，电路结构包括：

π型网络结构，由2个可变电容和变压器的组成；用于实现相位连续可调；

第一晶体管，其栅极接输入信号，漏级连接所述π型网络结构的一端，源级接地；用于实现对输入信号的放大；

第二晶体管，其栅极、源级分别与第一晶体管的栅极、源级相接，漏级与开关阵列连接，用于镜像第一晶体管的输出交流信号电流；

开关阵列，连接于所述第二晶体管和变压器的次级线圈之间，通过开关阵列切换次级线圈的交流电流方向从而改变主级线圈的电感大小；

第三晶体管，栅极接偏置，源级接所述π型网络结构的另一端，漏级接输出，用于实现对所述π型网络结构插入损耗的补偿。

2.根据权利要求1所述的5G相控阵移相器，其特征在于，所述开关阵列包括两组开关，每组开关由一个NMOS晶体管和一个栅极连接反相器的NMOS晶体管构成，一组开关连接所述第二晶体管和变压器的次级线圈之间，另外一组开关连接于所述变压器的次级线圈和第三晶体管之间。

3.根据权利要求1所述的5G相控阵移相器，其特征在于，所述π型网络结构由一个变压器和两个可变电容构成，所述变压器由主级线圈和次级线圈构成，两个可变电容分别并联在变压器主级线圈的两端；通过改变所述变压器次级线圈上流经的交流电流方向来改变主级线圈的电感大小，从而实现相位的粗调，通过改变可变电容的大小来实现相位的连续细调。

4.根据权利要求1所述的5G相控阵移相器，其特征在于，所述可变电容设计成其最大电容值和最小值电容值的比值最大化，每个可变电容受独立的控制电压控制，配合电感的粗调实现相位的最大化连续调节。

5.根据权利要求1所述的5G相控阵移相器，其特征在于，本发明中，所述变压器的主级线圈和可变电容构成π型网络结构，次级线圈连接开关阵列，开关阵列的4个开关由同一个控制电压控制，以简化电路的复杂度。

6.根据权利要求1所述的5G相控阵移相器，其特征在于，所述第二晶体管为电流镜，其宽长比与第一晶体管宽长比成比例，第二晶体管宽长比与第一晶体管的宽长比之间的比值决定了次级线圈交流电流的大小，进而决定了主级线圈电感的调节范围。

7.根据权利要求1、2、3、4、5、6之一所述的5G相控阵移相器能够镜像复制拓展实现为差分结构移相器。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6之一所述的单端构架的5G相控阵移相器与权利要求7所述的差分架构移相器能够进行级联构成多级移相器。