CN110190830A - 一种双频带小型化数字移相器 - Google Patents
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Abstract
一种双频带小型化数字移相器，属于RFIC数字移相器领域。所述双频带小型化数字移相器，包括开关电路、一个耦合系数可变的电感结构和两个可变电容单元；通过对开关电路中第一开关管和第二开关管通断状态的切换，实现输入信号与输出信号的相移，通过对电感结构中第三开关管通断状态的切换，改变第一电感、第二电感和第三电感的耦合系数，实现双频带。本发明提供的一种双频带小型化数字移相器，采用耦合系数可变的电感结构，实现了双频带，且两个工作频段可相互交叉也可相互独立；同时减小了移相器插损，实施例中移相器相移精度小于±0.37°，插损小于3dB。
Description
技术领域
本发明涉及RFIC数字移相器领域，具体涉及一种双频带小型化数字移相器。
背景技术
近代卫星通信、航天技术和现代雷达技术的迅猛发展促使研究高性能的射频通信组件成为重中之重，而每部相控阵雷达需要上千个移相器，才能控制天线孔径面上各辐射单元的相位变化，进而实现波束主瓣有效抑制旁瓣、快速扫描、准确定位。故移相器是相控阵系统基本单元T/R组件中的关键模块。根据移相器的控制方式，可以分为模拟移相器和数字移相器。如果在一定范围内控制的相移量是连续变化的，称之为模拟移相器；如果控制的相移量是特定的离散值，称之为数字移相器。
模拟移相器最常用的是有源矢量合成法，差动输入信号通过正交信号发生器产生相位差为0°和90°的差动正交信号，再通过VGA对正交信号进行幅度调制，信号合成单元将幅度调制后的正交信号矢量相加输出，通过逻辑控制单元控制幅度调制比例，可实现0°～360°的调制范围。然而，理想的正交信号是不存在的，且要实现较大的相位变化，VGA的变化范围需要很大，这是很难实现的；同时，相移量和正交信号的幅度变化是非线性关系，使得控制电路更加复杂。
而数字移相器一般由开关电路和移相电路构成，可以灵活地实现计算机自动控制，性能对控制电压的噪声和温度变化不敏感，在较小的频率范围内具有较高的移相精度，已被广泛应用于相控阵、通信、电子战、WLAN系统和其他电子设备。目前电子设备系统中的重要目标是超宽带工作频率范围，因此，超带宽移相器的带宽的拓展具有重要的研究价值。
反射型移相器的相对带宽较宽，可以达到50％，但是反射型移相器包含一个3dB耦合器，尤其在工作频率较低时，占用大量芯片面积。高/低通滤波器型移相器由集总元件构成，带宽可以媲美反射型移相器，还能通过增加滤波器的阶数来拓宽带宽，但拓宽带宽的同时芯片面积增大。另外，在微波毫米波频段内，MOS管自身的寄生电容效应会明显增加，恶化MOS管的开关性能，影响移相器的插入损耗和带宽。低通滤波器/谐振电路型移相器中将MOS管开关电路作为移相电路的一部分嵌入移相器核心单元，解决了MOS管在射频电路中自身的寄生电容效应的影响，带宽可以媲美反射型移相器；且低通滤波器和谐振电路共用电感，缩小了芯片面积。但随着相移量的增大，移相器的相移精度变差，带宽变窄，芯片面积增大，不利于实现小型化。
随着通信技术的发展和需求不断提高，微波的使用越来越拥挤，为了有效地利用频谱资源、提高信号的传输速率、增强通信系统的可靠性，需要通信系统能够工作在双频段或者多频段。除了GPRS或WLAN等通信系统，在双频段相控阵应用中，例如汽车短程雷达，要求移相器有两个独立运行的工作频段。目前，一般采用加载线型移相器来实现双频段工作的效果，单频段加载线型移相器的原理是通过单刀双掷开关切换两个加载分支，从而改变移相电路的等效传输线相位达到移相目的，双频段加载线型移相器则通过切换两个频段对应的四个加载分支从而达到相移和双频段工作目的。但由于加载线型移相器含一条λ/4线，当移相器工作频段为低频段时，λ/4线很长，占用大量芯片面积。且单频段加载线型移相器的带宽较窄，小于30％，双频段加载线型移相器的开关元件数量多，恶化移相器插入损耗和带宽，使它的两个工作频段带宽更窄。
发明内容
针对上述背景技术提出的微波毫米波双频段应用的限制和超宽带应用与芯片小型化的矛盾，本发明的目的在于提供一种双频带小型化数字移相器，在不改变传统单频段低通滤波器/谐振电路型移相器芯片面积的情况下，实现了双频带数字移相器，且两个工作频段均为超宽带。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种双频带小型化数字移相器，包括开关电路、一个耦合系数可变的电感结构和两个可变电容单元；
其中，开关电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第七电阻R7、第八电阻R8；第一开关管Q1的漏极与第二开关管Q2的源极相连，栅极与第一电阻R1串联；第二开关管Q2的栅极与第二电阻R2串联，源极与第七电阻R7相连，第七电阻R7接地，漏极与第八电阻R8相连，第八电阻R8接地；第一电阻R1和第二电阻R2并联后外接第一开关管Q1的偏置电压控制端口Vbias1；
其中，耦合系数可变的电感结构包括第三开关管Q3、三个相互耦合的电感L1-L3、第三电阻R3、第六电阻R6；第一电感L1与第一开关管Q1的源极相连，第二电感L2与第一开关管Q1的漏极相连；第三开关管Q3的源极、第三开关管Q3的漏极和第三电感L3相连形成一个回路；第三开关管Q3的源极与第六电阻R6相连，第六电阻R6接地；第三开关管Q3的栅极与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端与第三开关管Q3的偏置电压控制端口Vbias3相连；第一电感L1连接输入端口Vin，第二电感L2连接输出端口Vout；
其中，两个可变电容单元包括第四开关管Q4、第五开关管Q5、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4；第一电容C1的下极板与第二电容C2的下极板相连，第二电容C2的上极板与第四开关管Q4的源极相连，第四开关管Q4的漏极与第一电容C1的上极板相连，第四开关管Q4的栅极与第四电阻R4串联，构成一个可变电容单元；第三电容C3的下极板与第四电容C4的下极板相连，第四电容C4的上极板与第五开关管Q5的源极相连，第五开关管Q5的漏极与第三电容C3的上极板相连，第五开关管Q5的栅极与第五电阻R5串联，构成另一个可变电容单元；第一电容C1与第一开关管Q1并联，第三电容C3与第四电容C4的下极板接地；第四电阻R4和第五电阻R5并联后外接第四开关管Q4和第五开关管Q5的偏置电压控制端口Vbias2。
进一步地，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5可以为MOSFET管、PIN管、pHEMT管或者BJT管等。
本发明提供的一种双频带小型化数字移相器，其工作原理为：
当第一开关管Q1、第二开关管Q2关断时，该移相器处于参考通路状态，参考通路状态的移相器等效为一个谐振电路；当第一开关管Q1、第二开关管Q2导通时，该移相器处于移相通路状态，移相通路状态的移相器等效为一个低通滤波电路。当控制端口Vbias1输入的偏置电压由关断电压变为导通电压时，第一开关管Q1、第二开关管Q2由关断切换为导通，移相器从参考通路状态切换为移相通路状态，谐振电路切换为低通滤波电路，进而使得输出信号与输入信号产生相移差ΔΦ。其中，谐振电路与低通滤波电路共用电感L1、L2，使相移差ΔΦ不受电感L1、L2的影响，但电感L1、L2影响移相器的频率特性，决定了移相器的工作频段。当第三开关管Q3由关断切换为导通时，L1与L2之间的耦合系数K改变，L1、L2的等效电感值L10、L20改变，使得移相器的频率特性改变，从而实现对移相器工作频段的切换，实现双频带功能。其中，移相器的两个工作频段可以相互独立没有交集，也可以有交叉，这取决于第三开关管Q3关断和导通时，L1、L2的等效电感值L10、L20的大小。
进一步地，所述双频带小型化数字移相器中，谐振电路与低通滤波电路的相移差ΔΦ主要取决于两个可变电容单元的等效容值C10、C20以及工作频率。当第三开关管Q3由关断切换为导通时，移相器的工作频段改变，要保证在两个工作频段上产生的相移差ΔΦ不变，则需要通过第四开关管Q4和第五开关管Q5的通断实现可变电容单元的等效容值C10、C20的变化，进而保证移相器在切换工作频段后的相移精度。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种双频带小型化数字移相器，采用耦合系数可变的电感结构，实现了双频带，且两个工作频段可相互交叉也可相互独立；同时减小了移相器插损，实施例中移相器插损小于3dB。两个可变电容单元使得切换频段后的相移量不变，保证了移相器在两个工作频段内的高相移精度，实施例中移相器相移精度小于±0.37°。
2、本发明提供的一种双频带小型化数字移相器中，耦合系数可变的电感结构通过芯片同一面积空间上的不同金属层实现，减小了芯片面积，实现了芯片小型化；实施例得到的移相器的版图为570um*740um，其中核心面积为180um*270um。
附图说明
图1为本发明提供的一种双频带小型化数字移相器的原理图；
图2为本发明提供的一种双频带小型化数字移相器中，两个可变电容单元的原理图；
图3为本发明提供的一种双频带小型化数字移相器中，耦合系数可变的电感结构的原理图；
图4为本发明提供的一种双频带小型化数字移相器的等效电路图；
图5为本发明提供的一种双频带小型化数字移相器处于移相通路状态的等效电路图；
图6为本发明提供的一种双频带小型化数字移相器处于参考态通路的等效电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的目的、方案和效果，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种双频带小型化数字移相器，如图1所示，包括开关电路、一个耦合系数可变的电感结构和两个可变电容单元。
如图2所示，为两个可变电容单元的结构图；采用开关管作为开关电路，导通时开关管等价于一个小电阻，关断时开关管等价于一个小电容。通过设置控制端口Vbias2输入的偏置电压，改变第四开关管Q4与第五开关管Q5的通断状态。当第四开关管Q4由关断切换为导通时，可变电容单元1的等效容值C10改变；当第五开关管Q5由关断切换为导通时，可变电容单元2的等效容值C20改变，从而实现电容可变的效果。
其中，所述两个可变电容单元中，采用选取不同尺寸的第四开关管Q4和第五开关管Q5，或者在第四开关管Q4和第五开关管Q5尺寸相同的情况下，对第二电容C2和第四电容C4的值进行调整，都可以实现两个可变电容单元等效容值C10、C20保持相同变化。
如图3所示，为耦合系数可变的电感结构示意图。通过设置控制端口Vbias3输入的偏置电压，改变第三开关管Q3的通断状态。当第三开关管Q3处于关断状态时，第三开关管Q3与第三电感L3构成的回路断开，第三电感L3不参与第一电感L1、第二电感L2之间的耦合；当第三开关管Q3处于导通状态时，第三开关管Q3与第三电感L3构成的回路导通，电感L1、L2、L3之间均相互有耦合。因此，当第三开关管由关断切换为导通时，改变了L1、L2、L3之间的耦合，从而实现耦合系数K可变，电感L1、L2的等效电感值L10、L20可变。
进一步地，耦合系数可变的电感结构中，三个相互耦合的电感L1、L2、L3通过芯片同一面积空间上的不同金属层实现，缩小了芯片面积，实现了小型化。同时，对比于传统开关管可变电感(开关管与电感的一部分并联，开关管导通时使被并联的电感短路，从而改变电感值，需要至少两个开关管，且输入信号经过两个开关管，增大了移相器的插损)，输入信号不直接经过第三开关管Q3，降低了移相器的插入损耗；只需要一个开关管Q3就能实现电感L1、L2的等效电感值L10、L20可变，减小了元件数量，进一步缩小了芯片面积。
进一步地，耦合系数可变的电感结构中，除了将电感L1、L2、L3通过芯片同一面积空间上的不同金属层实现耦合外，还可以采用相同金属层，通过改变电感L1、L2、L3的相对位置来实现耦合，以实现L1、L2等效电感值L10、L20保持相同变化。
进一步地，耦合系数可变的电感结构中，除了改变L3的电感值和线圈绕法之外，还可以改变L3与L1、L2的耦合度，来实现L1、L2等效电感值L10、L20保持相同变化。
本发明双频带小型化数字移相器中，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8接地，为开关管Q1-Q5提供直流通路，防止电压悬空导致开关管Q1-Q5无法正常工作；电阻R6-R8阻值很大，防止射频输入信号泄漏，可以等效为断路。将图1中的可变电容单元1用可变等效电容C10替换，可变电容单元2用可变等效电容C20替换，耦合系数可变的电感结构用可变等效电感L10、L20替换，得到本发明双频带小型化数字移相器的等效电路图如图4所示。由图4可知，两个工作频段下的电路结构与低通滤波器/谐振电路型移相器电路结构一致，能够实现超宽带效果。因此，当第三开关管Q3关断时，移相器工作在第一个频段，相对带宽与传统低通滤波器/谐振电路型移相器一致；当第三开关管Q3导通时，移相器工作在第二个频段，第二个工作频段的相对带宽不变。最终，本发明的双频带小型化数字移相器总的相对带宽为传统低通滤波器/谐振电路型移相器的两倍。
图4所示的移相器等效电路图，当第一开关管Q1、第二开关管Q2关断时，该移相器处于参考通路状态，此时移相器的等效电路图如图5所示，参考通路状态的移相器等效为一个谐振电路。当第一开关管Q1、第二开关管Q2导通时，该移相器处于移相通路状态，此时移相器的等效电路图如图6所示，移相通路状态的移相器等效为一个低通滤波电路。当控制端口Vbias1输入的偏置电压由关断电压变为导通电压时，第一开关管Q1、第二开关管Q2由关断切换为导通，移相器从参考通路状态切换为移相通路状态，谐振电路切换为低通滤波电路，进而使得输出信号相对输入信号产生相移差ΔΦ。
根据图5和图6可知，移相器的谐振电路与低通滤波电路共用等效电感L10、L20，使相移差ΔΦ不受等效电感L10、L20的影响，但可变等效电感L10、L20影响移相器的频率特性，决定了移相器的工作频段。本发明采用耦合系数可变的电感结构实现可变等效电感L10、L20：当第三开关管Q3由关断切换为导通时，耦合系数K改变，L1、L2的等效电感值L10、L20改变，使得移相器的频率特性改变，从而实现对移相器工作频段的切换，实现双频带功能。其中，移相器的两个工作频段可以相互独立没有交集，也可以有交叉，这取决于第三开关管Q3关断和导通时，L1、L2的等效电感值L10、L20的大小。而谐振电路与低通滤波电路的相移差ΔΦ主要取决于两个可变电容单元的等效容值C10、C20以及工作频率。当第三开关管Q3由关断切换为导通时，移相器的工作频段改变，要保证在两个工作频段上产生的相移差ΔΦ不变，则需要通过第四开关管Q4和第五开关管Q5的通断实现可变电容单元的等效容值C10、C20的变化，进而保证移相器在切换工作频段后的相移精度。
下面以耦合系数可变的电感结构为例推导本发明双频带小型化数字移相器的原理：
如图4所示，当开关管Q1、Q2均处于导通状态时，开关管Q1、Q2分别等效于一个小电阻Ron1和Ron2，Ron1和Ron2的值很小，则开关管Q1、Q2等效于短路，此时移相器处于移相通路状态，其等效电路图如图5所示，为一个低通滤波电路。为了分析低通滤波电路的网络特性，只需求出其等效传输线的参量。
因为移相器为二端口网络，分析时运用矩阵运算，选用ABCD参量进行分析。假设各集总元件的归一化电抗值为Xn，归一化电纳值Bn，对于图5，得到移相器在低通滤波电路状态下的传输矩阵[A]为：
式中，且L＝L10＝L20，其中Z0和Y0为传输线的特征阻抗和特征导纳。
根据散射矩阵与归一化传输矩阵[A]之间的关系，S21参数表示成关系式：因此低通滤波电路状态下的传输系数S21满足：
则插损幅值|S21|为：
此时，S21的幅角就是低通滤波电路网络传输相移Φ1：
当电路在低通滤波状态下为匹配(输入端阻抗匹配)时，|S11|＝0且网络无耗，由关系式可以求出：
得到归一化电抗值为Xn与归一化电纳值Bn之间的关系式：
此时低通滤波器网络的相角Φ1满足：
由此可以确定电路中归一化电抗Xn与归一化电纳值Bn的值：
Bn＝sin(Φ1)
当开关管Q1、Q2均处于关断状态时，开关管Q1、Q2分别等效为一个截止电容Ccutoff1和Ccutoff2，而Ccutoff1和Ccutoff2的值比较小，开关管Q1、Q2等效于断路，此时移相器处于参考通路状态，其等效电路图如图6所示，为一个LC串联谐振电路。外接负载电阻时，负载电阻用R表示，可以等效为LCR串联谐振电路，此时电路阻抗Z为：
其中电感与低通网络的串联电感共用，L＝L10＝L20，所以当时，|Z|＝R，此时电路为纯电阻电路，电压与电流的相位相同，电路发生谐振。谐振频率ω0为：
RLC串联电路在谐振时的感抗和容抗在量值上相等，其值称为谐振电路的特性阻抗，用Z0表示，即：
此LCR串联谐振电路的转移电压比H为：
其振幅|H|为
相角Φ2为：
注意到，当ω＝ω0时，电路发生谐振，|H|＝1达到最大值，电路无损耗，同时Φ2＝0，输出信号与输入信号的相位相同，故将移相器工作的中心频率f0设置为谐振频率。
当开关管Q1、Q2由导通切换为关断时，移相器从移相通路状态切换为参考通路状态，输入信号由低通滤波电路切换为谐振电路，输出信号与输入信号产生的相移差ΔΦ为：
特别地，在移相器工作的中心频率f0下，相移ΔΦ0为：
故中心频率下的归一化电抗值Xn0和归一化电纳值Bn0也可以用相移ΔΦ0来表示：
所以低通网络的串联电感L和并联电容C20为：
根据L，可以求出谐振网络的串联电容C10为
移相器的谐振电路与低通滤波电路共用等效电感L10、L20，使相移差ΔΦ不受等效电感L10、L20的影响，但可变等效电感L10、L20影响移相器的频率特性，决定了移相器的工作频段。本发明采用耦合系数可变的电感结构实现可变等效电感L10、L20：当第三开关管Q3由关断切换为导通时，耦合系数K改变，L1、L2的等效电感值L10、L20改变，使得移相器的频率特性改变，从而实现对移相器工作频段的切换，实现双频带功能。
其中，移相器的两个工作频段可以相互独立没有交集，也可以有交叉，这取决于第三开关管Q3关断和导通时，L1、L2的等效电感值L10、L20的大小。根据以上公式，给定两个工作频段的中心频率和移相器的相移量ΔΦ，即可求出等效电感值L10、L20，等效电容值C10、C20。
本实例移相器两个工作频段的中心频率设置为8.5GHz和15.5GHz，相移量ΔΦ为22.5°，最终形成了6～11GHz和11～20GHz的双频带小型化数字移相器，整体的相对带宽达到116.8％，相移误差小于±0.37°，输入输出回波损耗均低于-15dB。该移相器最终版图为570um*740um，其中核心面积为180um*270um＝0.0486um2。
本实施例的双频带小型化移相器的相移量ΔΦ取为22.5°，但相移量ΔΦ也可以取45°、90°等其他值，只要根据上述公式确定对应的电感电容值即可。
本实施例的双频带小型化移相器的工作频段可以是相互独立的工作频段，也可以有交叉作为一个单频段超宽带移相器，只要设计时选取合适的中心频率，根据上述公式确定对应的电感电容值即可。
本实施例的开关管全部采用MOS管实现，但也可以换成PIN管或者BJT管，还可以使用其他形式的开关电路，只要能产生开关的切换作用即可。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种双频带小型化数字移相器，其特征在于，包括开关电路、耦合系数可变的电感结构和两个可变电容单元；
所述开关电路包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)；第一开关管(Q1)的漏极与第二开关管(Q2)的源极相连，栅极与第一电阻(R1)串联；第二开关管(Q2)的栅极与第二电阻(R2)串联，源极与第七电阻(R7)相连，第七电阻(R7)接地，漏极与第八电阻(R8)相连，第八电阻(R8)接地；
所述耦合系数可变的电感结构包括第三开关管(Q3)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第三电阻(R3)、第六电阻(R6)；第一电感(L1)与第一开关管(Q1)的源极相连，第二电感(L2)与第一开关管(Q1)的漏极相连；第三开关管(Q3)的源极、第三开关管(Q3)的漏极和第三电感(L3)相连形成一个回路；第三开关管(Q3)的源极与第六电阻(R6)相连，第六电阻(R6)接地；第三开关管(Q3)的栅极与第三电阻(R3)的一端相连，第三电阻(R3)的另一端与第三开关管(Q3)的偏置电压控制端口相连；
所述两个可变电容单元包括第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和第四电容(C4)；第一电容(C1)的下极板与第二电容(C2)的下极板相连，第二电容(C2)的上极板与第四开关管(Q4)的源极相连，第四开关管(Q4)的漏极与第一电容(C1)的上极板相连，第四开关管(Q4)的栅极与第四电阻(R4)串联；第三电容(C3)的下极板与第四电容(C4)的下极板相连，第四电容(C4)的上极板与第五开关管(Q5)的源极相连，第五开关管(Q5)的漏极与第三电容(C3)的上极板相连，第五开关管(Q5)的栅极与第五电阻(R5)串联；第一电容(C1)与第一开关管(Q1)并联，第三电容(C3)与第四电容(C4)的下极板接地。
2.根据权利要求1所述的双频带小型化数字移相器，其特征在于，通过对第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)通断状态的切换，实现输出信号相对输入信号的相移；通过对第三开关管(Q3)通断状态的切换，改变第一电感(L1)、第二电感(L2)和第三电感(L3)的耦合系数，实现双频带。
3.根据权利要求1所述的双频带小型化数字移相器，其特征在于，所述第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)和第五开关管(Q5)为MOSFET管、PIN管、pHEMT管或者BJT管。
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