CN110209625B - 一种基于低频参考信号的片上同步自修复系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于低频参考信号的片上同步自修复系统，该系统采用双输入型PLL星状耦合结构或双输入型PLL蝶形耦合结构，通过发射出去的参考信号和接收到的参考信号同步使整个回路的延时是参考信号的整数倍，以此保证各IC芯片的本振信号同步，并应用基于可调左手材料的传输线作为延迟线连接双输入型PLL，实现低损耗，同时减小了延迟线的物理距离。该系统具有面积小、损耗低，自适应强，在各种环境下严格同步的优点。

Description

一种基于低频参考信号的片上同步自修复系统
技术领域
本发明涉及雷达相控阵领域，具体涉及相控阵列中阵元瓦片上数字收发芯片间本振信号相位的同步自修复系统。
背景技术
在大型阵列中，如何同步各个阵元是相控阵的关键技术。阵列使用要求严格同步，对于模拟阵各阵元之间相位差固定，对于数字阵各阵元之间相位相同；大型数字相控阵通常由多个阵元瓦片构成，各阵元瓦片包含几个到几十个数字收发芯片。系统中有两类同步要求：阵元瓦片内同步和阵元瓦片间同步。环境的变化会导致安装时的同步失效，阵元瓦片内多个IC芯片的LO信号之间存在相位偏移，这种静态偏移对于相控阵来说是不希望出现的，需要最小化实现阵元瓦片内的同步。
另外，同步系统需要将时延补到整数倍周期，由于低频信号的波长太长(如10MHz的参考信号在空气中的波长为30米)，而阵元瓦片的尺寸通常远小于1米，采用低频同步系统需要产生长达30米的等效延迟线，这是不可以接受的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于可调左手材料传输线的双输入型PLL耦合的片上同步自修复系统，该系统基于低频参考信号，整个同步系统连接成星状或蝶形结构，IC芯片通过锁相环将发射出去的参考信号和接收到的参考信号同步，假设各阵元瓦片可以得到一个相位相同的参考信号，在此基础上保证瓦片内各射频收发芯片的本振信号同步。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种基于低频参考信号的片上同步自修复系统，其特征在于，所述的系统采用双输入型PLL星状耦合结构或双输入型PLL蝶形耦合结构，且PLL之间单线耦合，双输入型PLL星状耦合结构通过链式闭合连接n个双输入型PLL，互传四分之一的本振信号进行互锁实现片上本振信号同步；双输入型PLL蝶形耦合结构通过集总连接m个双输入型PLL，通过给定的参考信号使得片内各IC芯片上的本振信号同步；其中，n≥3，m≥3，所述的双输入型PLL间的互连采用基于左手材料的传输线。
进一步地，所述的双输入型PLL星状耦合结构，其特征在于，其双输入型PLL模块在IC芯片内，各个IC芯片依次通过一个公共IO端口互连，通过DLL模块补偿传输线产生的互连相移，其结构为：
双输入型PLL1的一公共IO端与双输入型PLL2的一公共IO端相连，双输入型PLL2的另一公共IO端与双输入型PLL3的一公共IO端相连，双输入型PLL3的另一公共IO端与双输入型PLL4的一公共IO端相连，以此类推，双输入型PLLn-1的一公共IO端与双输入型PLLn的一公共IO端相连，双输入型PLLn的另一公共IO端与双输入型PLL1的另一公共IO端相连，形成一个闭合环路。
进一步地，所述的双输入型PLL蝶形耦合结构，其特征在于，其LO以及PLL模块在IC芯片内，但其DLL模块处于IC芯片外，全部连接在一起，集总传输给定的参考信号，每个IC芯片与集总DLL模块通过一个公共IO端口相连，其结构为：
双输入型PLL1、PLL2直到PLLm的m个DLL彼此相连，经过DLL模块补偿传输相移，集总传输给定的参考信号，并通过公共IO端口分别与PLL1、PLL2直到PLLm相连，使片上各个IC芯片的LO信号同步。
进一步地，所述的双输入型PLL星状耦合结构和蝶形耦合结构中用到的双输入型PLL，其包括LC VCO振荡器、注入锁定二分频器、四分频器、单线连接块一、单线连接块二；鉴相器PD1、PD2；驱动器GM1、GM2、GM3、GM4、GM5、GM6、GM7、GM8；缓冲器BUF1、BUF2、BUF3、BUF4、BUF5、BUF6和低通滤波器LPF1、LPF2、LPF3，其中鉴相器PD1包括混频器Mixer1和Mixer2，鉴相器PD2包括混频器Mixer3和Mixer4，
双输入型PLL的连接如下：PLL一端连接的传输线与单线连接块一的一输入端相连；单线连接块一的输出端与缓冲器BUF3的输入端、缓冲器BUF4的输入端相连；单线连接块一的另一输入端与缓冲器BUF1的输出端相连；缓冲器BUF3的输出端与混频器Mixer1的一输入端相连；缓冲器BUF4的输出端与混频器Mixer2的一输入端相连；混频器Mixer1的输出端与驱动器GM1、GM7的输入端相连；混频器Mixer2的输出端与驱动器GM2、GM8的输入端相连；驱动器GM7、GM8的输出端均与单线连接块一的控制端和低通滤波器LPF3的输入端相连；混频器Mixer1的另一输入端、Mixer2的另一输入端与四分频器的输出端、缓冲器BUF1的输入端、缓冲器BUF2的输入端以及混频器Mixer3的一输入端、Mixer4的一输入端相连；四分频器的输入端与注入锁定二分频器的输出端相连；注入锁定二分频器的输入端与LC VCO振荡器的输出端相连；LC VCO振荡器的输入端与驱动器GM1、GM2、GM3、GM4的输出端以及低通滤波器LPF1的输入端相连；混频器Mixer3的另一输入端与缓冲器BUF5的输出端相连；混频器Mixer4的另一输入端与缓冲器BUF6的输出端相连；混频器Mixer3的输出端与驱动器GM3、GM5的输入端相连；混频器Mixer4的输出端与驱动器GM4、GM6的输入端相连；缓冲器BUF5、BUF6的输入端均与单线连接块二的输出端相连；驱动器GM5、GM6的输出端均与低通滤波器LPF2的输入端、单线连接块二的控制端相连；单线连接块二的一输入端与缓冲器BUF2的输出端相连；单线连接块二的另一输入端与PLL另一端的传输线相连。
进一步地，所述的双输入型PLL间的互连采用基于左手材料的集总单元梯形网络的传输线，其特征在于，该集总单元梯形网络通过级联与无穷小电路模型相同的LC单元，在无损情况下其传输系数如下式所示
Figure BDA0002024577030000031
其中，C为传输线单位长度的电容值，L为传输线单位长度的电感值，ω为传输线的信号角速度。
本发明的有益效果：
本发明的片上同步自修复系统，能够在任意环境的影响下，实现阵元瓦片内的各个射频收发芯片严格同步，并且该系统面积小、损耗低、自适应强。
本发明采用基于可调左手材料的传输线作为延迟线，由于左手传输线可以产生超前的相位，在单音传输中能够补偿正的时延。并且在低频采用电容电感集总单元梯形网络，只需要较短的传输线就可以完成同步补偿，损耗低并且物理距离短。
附图说明
图1是基于低频参考信号的阵元瓦片内的片上同步自修复系统结构示意图，图1a为双输入型PLL星状耦合结构，图1b为双输入型PLL蝶形耦合结构；
图2是双输入型PLL结构示意图；
图3是基于左手材料的人造传输线的等效电路示意图；
图4是左手传输线相位的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于低频参考信号的片上同步自修复系统，所述的系统采用双输入型PLL星状耦合结构或双输入型PLL蝶形耦合结构，且PLL之间单线耦合，双输入型PLL星状耦合结构通过链式闭合连接n个双输入PLL，互传四分之一的本振信号进行互锁实现片内本振信号同步；双输入型PLL蝶形耦合结构通过集总连接m个各双输入型PLL，通过给定的参考信号使得片内各IC芯片上的本振信号同步；其中，n≥3，m≥3，所述的PLL间的互连采用基于左手材料的传输线。
本实施例中双输入型PLL星状耦合结构或双输入型PLL蝶形耦合结构中双输入型PLL均为4个，如图1所示，图1中(a)为双输入型PLL星状耦合结构，由双输入型PLL1、PLL2、PLL3、PLL4组成，双输入型PLL都在各自的IC芯片内，双输入型PLL1的A端与双输入型PLL2的B端相连，双输入型PLL2的A端与双输入型PLL3的B端相连，双输入型PLL3的A端与双输入型PLL4的B端相连，双输入型PLL4的A端与双输入型PLL1的B端相连，形成一个闭合环路，PLL间相连的线可以实现双向传输。各芯片互传四分之一的本振信号进行互锁，通过锁相环将本振信号和参考信号同步来保证片上各IC芯片相位同步。
图1中(b)为双输入型PLL蝶形耦合结构，由双输入型PLL1、PLL2、PLL3、PLL4组成，其中PLL和LO模块都在各自的IC芯片内，DLL模块都在IC芯片外，双输入型PLL1与双输入型PLL2、双输入型PLL3、双输入型PLL4的DLL模块连接在一起，给定一个参考信号，通过DLL与对应的PLL模块相连，传输线可以实现双向传输。
图2所示为耦合结构中用到的双输入型PLL结构示意图。双输入型PLL由LC VCO振荡器；注入锁定二分频器Injection-Locked 2-Divider；四分频器Div4；单线连接块Single-wire coupling block1、Single-wire coupling block2；鉴相器PD1、PD2；驱动器GM1、GM2、GM3、GM4、GM5、GM6、GM7、GM8；缓冲器BUF1、BUF2、BUF3、BUF4、BUF5、BUF6和低通滤波器LPF1、LPF2、LPF3组成。其中鉴相器PD1由混频器Mixer1和Mixer2组成，鉴相器PD2由混频器Mixer3和Mixer4组成。
双输入型PLL的连接方式如图2所示：A端的传输线与单线连接块single-wirecoupling block1的a端相连；单线连接块single-wire coupling block1的c端与缓冲器BUF3的a端、缓冲器BUF4的a端相连；单线连接块single-wire coupling block1的b端与缓冲器BUF1的a端相连；单线连接块single-wire coupling block1的d端与驱动器GM7的b端、驱动器GM8的b端、低通滤波器LPF3的a端相连；缓冲器BUF3的b端与混频器Mixer1的a端相连；缓冲器BUF4的b端与混频器Mixer2的a端相连；混频器Mixer1的c端与驱动器GM1的a端、驱动器GM7的a端相连；混频器Mixer2的c端与驱动器GM2的a端、驱动器GM8的a端相连；混频器Mixer1的b端、混频器Mixer2的b端与四分频器Div4的a端、缓冲器BUF1的b端、缓冲器BUF2的b端以及混频器Mixer3的b端、混频器Mixer4的b端相连；四分频器Div4的b端与注入锁定二分频器Injection-Locked 2-Divider的a端相连；注入锁定二分频器Injection-Locked2-Divider的b端与LC VCO振荡器的a端相连；LC VCO振荡器的b端与驱动器GM1的b端、驱动器GM2的b端、驱动器GM3的b端、驱动器GM4的b端以及低通滤波器LPF1的a端相连；混频器Mixer3的c端与驱动器GM3的a端、驱动器GM5的a端相连；混频器Mixer4的c端与驱动器GM4的a端、驱动器GM6的a端相连；混频器Mixer3的a端与缓冲器BUF5的b端相连；混频器Mixer4的a端与缓冲器BUF6的b端相连；缓冲器BUF5的a端、缓冲器BUF6的a端与单线连接块single-wire coupling block2的c端相连；单线连接块single-wire coupling block2的b端与缓冲器BUF2的a端相连；单线连接块single-wire coupling block2的a端与B端的传输线相连；单线连接块single-wire coupling block2的d端与驱动器GM5的b端、驱动器GM6的b端以及低通滤波器LPF2的a端相连。
如上所述的双输入型PLL，其工作原理为：LO链由LC-VCO组成，可驱动低功率频率可调的注入锁定二分频器，然后通过四分频器Div4产生信号并驱动鉴相器PD1、PD2以及匹配到50Ω的输出缓冲器BUF1、BUF2。通过双输入型PLL中的输出缓冲器实现双向耦合，同时区分每个公共IO端口处的VCO信号和参考信号。并通过在PLLK中的输出驱动器(BUF1K或BUF2K)与相邻的PLL中的鉴相器(PD2K-1或PD1K+1)输入端之间引入大于2π的可调相移来调节互连相移以实现鉴相器输入间的低静态相位偏移。通过输出缓冲器BUF1和BUF2从CML分频器中选择任意一个正交相位来实现约90度相移的粗调，并通过DLL模块控制IO耦合模块中的可变电容，实现可变相移来补偿PLL间连接的传输线上产生的相移，实现细调，以确保鉴相器PD1、PD2输入信号间的正交相位差。
图3所示为用于PLL间连接的基于可调左手材料的传输线的等效电路示意图，双输入型PLL间的互连采用基于左手材料的集总单元梯形网络的传输线，该梯形网络通过级联如图3所示的LC单元，其单位长度导抗值非常小，在无损情况下其传输系数如下式所示
Figure BDA0002024577030000051
其中，C为传输线单位长度的电容值，L为传输线单位长度的电感值，ω为传输线的信号角速度。
图4所示为左手材料传输线的仿真结果示意图。由于左手传输线可以产生超前的相位，在单音传输中能够补偿正的时延。在低频采用电容电感集总单元梯形网络，只需要较短的传输线就可以完成同步补偿，使得传输线损耗低并且物理距离短，然后通过延迟锁相环保证参考信号在各个射频收发芯片相位相同从而自动修复环境变化引起的不同步现象。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于低频参考信号的片上同步自修复系统，其特征在于，所述的系统采用双输入型PLL星状耦合结构或双输入型PLL蝶形耦合结构，且PLL之间单线耦合，双输入型PLL星状耦合结构通过链式闭合连接n个双输入型PLL，互传四分之一的本振信号进行互锁实现片上本振信号同步；双输入型PLL蝶形耦合结构通过集总连接m个双输入型PLL，通过给定的参考信号使得片内各IC芯片上的本振信号同步；其中，n≥3，m≥3，所述的双输入型PLL间的互连采用基于左手材料的传输线。
2.根据权利要求1所述的基于低频参考信号的片上同步自修复系统，其特征在于，所述的双输入型PLL星状耦合结构，其双输入型PLL模块在IC芯片内，各个IC芯片依次通过一个公共IO端口互连，通过DLL模块补偿传输线产生的互连相移，所述的双输入型PLL星状耦合结构为：
双输入型PLL1的一公共IO端与双输入型PLL2的一公共IO端相连，双输入型PLL2的另一公共IO端与双输入型PLL3的一公共IO端相连，双输入型PLL3的另一公共IO端与双输入型PLL4的一公共IO端相连，以此类推，双输入型PLLn-1的一公共IO端与双输入型PLLn的一公共IO端相连，双输入型PLLn的另一公共IO端与双输入型PLL1的另一公共IO端相连，形成一个闭合环路。
3.根据权利要求1所述的基于低频参考信号的片上同步自修复系统，其特征在于，所述的双输入型PLL蝶形耦合结构，其LO以及PLL模块在IC芯片内，但其DLL模块处于IC芯片外，全部连接在一起，集总传输给定的参考信号，每个IC芯片与集总DLL模块通过一个公共IO端口相连，所述的双输入型PLL蝶形耦合结构为：
双输入型PLL1、PLL2直到PLLm的m个DLL彼此相连，经过DLL模块补偿传输相移，集总传输给定的参考信号，并通过公共IO端口分别与PLL1、PLL2直到PLLm相连，使片上各个IC芯片的LO信号同步。
4.根据权利要求2或3所述的基于低频参考信号的片上同步自修复系统，其特征在于，所述的双输入型PLL包括LC VCO振荡器、注入锁定二分频器、四分频器、单线连接块一、单线连接块二；鉴相器PD1、PD2；驱动器GM1、GM2、GM3、GM4、GM5、GM6、GM7、GM8；缓冲器BUF1、BUF2、BUF3、BUF4、BUF5、BUF6和低通滤波器LPF1、LPF2、LPF3，其中鉴相器PD1包括混频器Mixer1和Mixer2，鉴相器PD2包括混频器Mixer3和Mixer4；
双输入型PLL的连接如下：PLL一端连接的传输线与单线连接块一的一输入端相连；单线连接块一的输出端与缓冲器BUF3的输入端、缓冲器BUF4的输入端相连；单线连接块一的另一输入端与缓冲器BUF1的输出端相连；缓冲器BUF3的输出端与混频器Mixer1的一输入端相连；缓冲器BUF4的输出端与混频器Mixer2的一输入端相连；混频器Mixer1的输出端与驱动器GM1、GM7的输入端相连；混频器Mixer2的输出端与驱动器GM2、GM8的输入端相连；驱动器GM7、GM8的输出端均与单线连接块一的控制端和低通滤波器LPF3的输入端相连；混频器Mixer1的另一输入端、Mixer2的另一输入端与四分频器的输出端、缓冲器BUF1的输入端、缓冲器BUF2的输入端以及混频器Mixer3的一输入端、Mixer4的一输入端相连；四分频器的输入端与注入锁定二分频器的输出端相连；注入锁定二分频器的输入端与LC VCO振荡器的输出端相连；LC VCO振荡器的输入端与驱动器GM1、GM2、GM3、GM4的输出端以及低通滤波器LPF1的输入端相连；混频器Mixer3的另一输入端与缓冲器BUF5的输出端相连；混频器Mixer4的另一输入端与缓冲器BUF6的输出端相连；混频器Mixer3的输出端与驱动器GM3、GM5的输入端相连；混频器Mixer4的输出端与驱动器GM4、GM6的输入端相连；缓冲器BUF5、BUF6的输入端均与单线连接块二的输出端相连；驱动器GM5、GM6的输出端均与低通滤波器LPF2的输入端、单线连接块二的控制端相连；单线连接块二的一输入端与缓冲器BUF2的输出端相连；单线连接块二的另一输入端与PLL另一端的传输线相连。
5.根据权利要求2或3所述的基于低频参考信号的片上同步自修复系统，其特征在于，所述的双输入型PLL间的互连采用基于左手材料的集总单元梯形网络的传输线，该网络通过级联与无穷小电路模型相同的LC单元，在无损情况下其传输系数如下式所示
Figure 20352DEST_PATH_IMAGE002
其中， C为传输线单位长度的电容值，L为传输线单位长度的电感值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为传输线的信号角速度。
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