CN110620559A - 射频信号幅相控制模块及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射频信号幅相控制模块及方法，包括：数字移相器：通过加载在所述数字移相器上的相位控制时序控制射频信号的相移量；射频开关：与所述数字移相器连接，通过加载在所述射频开关上的幅度控制时序控制所述视频信号的通过比例，从而调整射频信号的幅度。本发明具有结构及控制简单等优势，能利用低比特数字移相器和射频开关实现对射频信号幅度及相位的联合高精度控制，尤其适用于大规模有源相控阵天线系统中。

Description

射频信号幅相控制模块及方法

技术领域

本发明涉及微波工程技术领域，具体地，涉及一种射频信号幅相控制模块及方法。

背景技术

在相控阵天线系统中，射频信号的幅度和相位控制通常是由移相器和衰减器(或可变增益放大器)分别完成的。例如专利文献CN107728701A公开了一种Ka波段和差幅度控制组件，包括微波器件、视频传输器件和射频传输器件；所述微波器件包括：放大器，用于将微弱的微波信号进行放大；功分器，用于将微波信号进行等功率分配；衰减器，用于对微波信号的进行幅度调节；移相器，用于对微波信号进行相位调节；隔离器，用于防止微波信号的反向传输；所述视频传输器件用于向所述微波器件接入视频信号；所述射频传输器件用于向所述微波器件接入微波信号，所述射频传输器件还用于输出处理后的微波信号。

为提高天线产生的波束指向精度，通常采用6比特及以上的数字移相器和数字移相器来实现高精度的幅相控制。但是，高比特数(例如8比特以上)的数字移相器及数字衰减器成本较高，在集成电路工艺上也难以实现。同时，在高频段(例如X波段以上)，高比特位的数字移相器及数字衰减器的插入损耗较大，降低了相控阵天线系统的效率。另外，对于大型相控阵天线，由于采用6比特移相器加6特别数字衰减器的控制器件，其控制线较多。虽然可采用串并转换模块降低控制线的数量，但其实现起来仍相当复杂。

综上，现有的射频信号的幅度及相位控制方法存在损耗大、工艺复杂、成本高等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种射频信号幅相控制模块及方法。

根据本发明提供的一种射频信号幅相控制模块，包括：

数字移相器：通过加载在所述数字移相器上的相位控制时序控制射频信号的相移量；

射频开关：与所述数字移相器连接，通过加载在所述射频开关上的幅度控制时序控制所述视频信号的通过比例，从而调整射频信号的幅度。

优选地，所述相位控制时序、所述幅度控制时序同时分别对所述数字移相器、所述射频开关进行周期性调制。

优选地，所述相位控制时序周期性地控制所述数字移相器的相移量递增或递减。

优选地，不同射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序相同；

第i个和第j个射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序存在固定的时延差t_ij，通过控制时延差t_ij来控制第i个和第j个射频信号幅相控制模块产生的相移差。

优选地，所述数字移相器每次的相移量为(2^M-1)π/2^M，M为所述数字移相器的比特数，每个相位状态的持续时间为T_p/2^M，T_p为一个调制周期。

优选地，所述数字移相器包括开关模块，利用所述开关模块替换所述射频开关。

根据本发明提供的一种射频信号幅相控制方法，利用上述的射频信号幅相控制模块对射频信号进行幅相控制。

优选地，所述相位控制时序、所述幅度控制时序同时分别对所述数字移相器、所述射频开关进行周期性调制。

优选地，所述相位控制时序周期性地控制所述数字移相器的相移量递增或递减。

优选地，不同射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序相同；

第i个和第j个射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序存在固定的时延差t_ij，通过控制时延差t_ij来控制第i个和第j个射频信号幅相控制模块产生的相移差。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明具有结构及控制简单等优势，能利用低比特数字移相器和射频开关实现对射频信号幅度及相位的联合高精度控制，尤其适用于大规模有源相控阵天线系统中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为幅度为1，相移为0下的幅相控制模块及相位调制时序示意图；

图3为仅相移状态下的幅相控制模块的相位调制时序示意图；

图4为幅度相位联合控制下的幅相控制模块的相位及射频开关调制时序示意图；

图5为1比特移相器调制下参考状态输出信号仿真频谱；

图6为2比特移相器调制下参考状态输出信号仿真频谱；

图7为3比特移相器调制下参考状态输出信号仿真频谱；

图8为4比特移相器调制下参考状态输出信号仿真频谱；

图9为参考状态与仅相移状态下，幅相控制模块在一个调制周期内的输出时域信号；

图10为参考状态与仅相移状态下，幅相控制模块的输出信号的仿真频谱；

图11为参考状态与幅相联合控制状态下，幅相控制模块在一个调制周期内的输出时域信号；

图12为参考状态与幅相联合控制状态下，幅相控制模块的输出信号的仿真频谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的一种射频信号幅相控制模块，包括：

数字移相器1：通过加载在所述数字移相器上的相位控制时序控制射频信号的相移量；

射频开关2：与所述数字移相器连接，通过加载在所述射频开关上的幅度控制时序控制所述视频信号的通过比例，从而调整射频信号的幅度。

相位控制时序、幅度控制时序同时分别对数字移相器、射频开关进行周期性调制。相位控制时序周期性地控制数字移相器的相移量递增或递减。不同射频信号幅相控制模块的相位控制时序相同；第i个和第j个射频信号幅相控制模块的相位控制时序存在固定的时延差t_ij，通过控制时延差t_ij来控制第i个和第j个射频信号幅相控制模块产生的相移差。数字移相器每次的相移量为(2^M-1)π/2^M，M为数字移相器的比特数，每个相位状态的持续时间为T_p/2^M，T_p为一个调制周期。

首先给出幅度为1，相移为0的状态。参考附图2，图中给出了3比特数字移相器与射频开关结合产生幅度为1，相移量为0的示意图。在该状态下，射频开关处于全导通状态，3比特数字移相器则处于周期调制状态。在一个调制周期T_p内，数字移相器的相位状态控制字(D₃D₂D₁)的数值分别为“0-1-2-3-4-5-6-7”，其相应的产生的相移量分别为“0-π/8-π/4-3π/8-π/2-5π/8-3π/4-7π/8”，并且每个相位状态控制字的持续时间为T_p/8。推广更一般的情况，对于M比特数字移相器与射频开关结合产生幅度为1，相移量为0的状态，则射频开关仍处于全导通状态，对M比特数字移相器进行周期性相位调制。在一个调制周期T_p内，数字移相器的相位状态控制字(D_M…D₂D₁)的数值分别为“0-1-2-…-(2^M-1)”，其相应产生的相移量分别为“0-π/2^M-…-(2^M-1)π/2^M”，并且每个相位状态控制字持续的时间为T_p/2^M。采用这种相位调制后，载频为F_c的输入信号的主要能量会被搬移到F_c+1/T_p处。幅相控制模块是通过控制加载在数字移相器和射频开关上的数字信号来间接控制载频为F_c+1/T_p的输出信号的幅度和相位。

需指出的是，在一个调制周期T_p内，相位控制字依次增加的调制方法(即相位控制字从0依次增加到2^M-1)，称为正序相位调制。如果相位控制字依次减少(即相位控制字从2^M-1依次减少到0)，同样能实现上述目的，并称为逆序相位调制。在逆序相位调制下，输入载频为F_c，幅相控制模块的输出信号的主要能量将集中于F_c-1/T_p处。这时，幅相控制模块通过控制加载在数字移相器和射频开关上的调制时序来间接控制载频为F_c-1/T_p的输出信号的幅度和相位。

进一步的，以上述的幅度为1，相移为0的状态作为参考状态，在第n个幅相控制模块上产生相位延迟的方法如附图3所示。仍以3比特数字移相器加射频开关组成的幅相控制模块为例，但本方法可推广至移相器为任意比特的状态。与参考状态相比，第n个幅相控制模块上的射频开关仍处于全导通状态，并且仍然在其3比特数字相移器上加载周期为T_p相位调制，控制字分别为“0-1-2-3-4-5-6-7”。其区别在于控制时序相对于参考状态存在一个时延量t_n,并满足以下关系式：

这样，通过控制加载在数字移相器单元上的调制时序的时延量，可以间接产生相对于参考状态的相位延迟

更进一步的，相对于参考状态，在第n个幅相控制模块上产生幅度为u_n,相位延迟为的方法如下。参考附图4，同样以3比特数字移相器加射频开关的幅相控制模块描述其原理，但其方法可简单推广至任意比特移相器。产生相位延迟的方法与前述的类似。相对于参考状态，其加载在数字移相器的数字时序存在一个时延量为控制幅相控制模块产生的幅度值，需利用射频开关对经过数字移相器调制后的射频信号进行周期性截断。例如若需使得幅相控制模块输出信号的幅度为u(u<1)，则在一个相位调制周期T_p内，以数字移相器所处的各种相位状态的时间中点为中心，射频开关打开的时间长度为uT_p/8。例如3比特数字移相器所处的相位状态为0，π/8,π/4,3π/8,π/2,5π/8,3π/4,7π/8，其各相位状态的中心时刻为T_p/16,3T_p/16,5T_p/16,7T_p/16,9T_p/16,11T_p/16,13T_p/16,15T_p/16。对于每一个相位状态的中心时刻，射频开关在其时间点左右打开，并且左右打开的时间是对称的。在第二个相位状态中(相移为π/8)，以时间轴上3T_p/16为中心，射频开关打开的时间为u_nT_p/8，其他时间视频开关则处于关闭状态。在射频开关的调制下，输出信号的幅度为u_n。

对于逆序相位调制，仍可通过上述的方法产生幅度u_n以及相移量此时，数字移相器产生的相移值是依次减小的。

对于具有开关功能的数字移相器，则可省略射频开关，仅利用数字移相器，配合开关功能即可实现射频信号的幅相控制。

实施例一：不同比特数移相器周期调制下参考状态输出信号频谱。

请同时参阅图5至图8。本实施例提供了在参考状态下，利用不同比特数的移相器对射频信号进行周期性相位调制后，输出信号的频谱。仿真中设置输入信号频率为2GHz的单频信号，调制周期为50ns，采样频率为20GHz，共采集10个调制周期的信号进行频谱分析。

图5为1比特移相器调制后的信号的频谱。从图中可以看出，经过周期性相位调制后，载频为2GHz的单频信号的能量被分配到各次谐波分量上，其中±1次谐波分量具有相对较大的能量；

图6至图8分别给出了2、3和4比特移相器调制后的信号的频谱。从图中可以看出，随着移相器比特数的增加，输出信号的能量越来越集中到+1次谐波分量上，并且谐波分量之间的频谱间隔会增大，这意味着该模块能够传输更大带宽的信号。

实施例二：利用幅相控制模块控制相位。

请同时参阅图9至图10。本实施例提供了在利用幅相控制模块控制相位的方法。其目标相对于参考状态产生36°的滞后相位。仿真过程中，选取两个幅相控制模块A和B，这时射频开关处于全导通状态。。设置输入信号的频率为2GHz，调制周期为50ns。对于幅相控制模块A，使其工作于参考状态，在一个调制周期内，设置3比特数字移相器的状态从0到7π/8依次增加，并且每个相位状态持续的时间均为6.25ns；对于幅相控制模块B，其工作于仅相移状态，其加载在3比特数字移相器上的调制时序比模块A上的移相器的调制时序延迟了5ns。图9中给出了一个调制周期内两个模块输出信号的时域波形，图10中给出了两个模块输出信号的频谱。从图10中可以看出，经过周期性相位调制后，其主要能量集中在+1次谐波分量上(2.02GHz)。通过分析FFT变换后的相位谱，可知模块A的输出信号在2.02GHz处的相位为59.06°，模块B输出的信号在2.02GHz处的相位为22.99°。模块B的相位相对于模块A滞后约36.07°

实施例三：利用幅相控制模块同时控制幅度和相位。

请同时参阅图11至图12。本实施例提供了在利用幅相控制模块对幅度和相位进行联合控制的方法。仍选择幅相控制模块A和B，其中模块A工作与参考状态，设计目标是使得模块B输出信号具有72°的相位滞后，并且输出信号的幅度为模块A输出信号幅度的0.4倍。设置输入信号的频率为2GHz，调制周期为50ns。对于模块A，其工作于参考状态，射频开关处于全导通状态，并且在一个调制周期内，模块A上的3比特移相器的相位从0增加到7π/8，间隔为π/8，且每个相位状态持续的时间相等。对于模块B，其工作于幅相联合调控状态。首先，加载在模块B上的移相控制时序与模块A上的相同，但其相对延迟了10ns。其次，模块B上的射频开关也处于周期调制状态。对于模块B上的任一相移状态设其持续时间的中点为τ_m，则在[τ_m-0.35T_p/16,τ_m+0.35T_p/16]的时间段内，射频开关处于打开状态；在其他的时间段内，射频开关则处于关闭状态。图11中给出了一个调制周期内模块A和模块B输出信号的时域波形，图12中给出了两个模块输出信号的频谱。从图11中可以看出，射频开关对输出的射频信号进行了周期性的截断。从图12中可以看出，经过调制后，模块A和模块B的主要能量都集中于2.02GHz处，并且模块B在2.02GHz处的幅度比模块A小7.76dB。若模块A输出信号的幅度为1，则可计算出模块B输出信号(在2.02GHz处)的幅度为0.41。通过FFT后的数据分析两个模块输出信号在2.02GHz处的相位可知，模块A的输出信号相位为58.66°，模块B的输出信号的相位为-13.07°，两者之间的相移量为71.73，接近设计目标。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种射频信号幅相控制模块，其特征在于，包括：

数字移相器：通过加载在所述数字移相器上的相位控制时序控制射频信号的相移量；

射频开关：与所述数字移相器连接，通过加载在所述射频开关上的幅度控制时序控制所述视频信号的通过比例，从而调整射频信号的幅度。

2.根据权利要求1所述的射频信号幅相控制模块，其特征在于，所述相位控制时序、所述幅度控制时序同时分别对所述数字移相器、所述射频开关进行周期性调制。

3.根据权利要求1所述的射频信号幅相控制模块，其特征在于，所述相位控制时序周期性地控制所述数字移相器的相移量递增或递减。

4.根据权利要求1所述的射频信号幅相控制模块，其特征在于，不同射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序相同；

第i个和第j个射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序存在固定的时延差t_ij，通过控制时延差t_ij来控制第i个和第j个射频信号幅相控制模块产生的相移差。

5.根据权利要求1所述的射频信号幅相控制模块，其特征在于，所述数字移相器每次的相移量为(2^M-1)π/2^M，M为所述数字移相器的比特数，每个相位状态的持续时间为T_p/2^M，T_p为一个调制周期。

6.根据权利要求1所述的射频信号幅相控制模块，其特征在于，所述数字移相器包括开关模块，利用所述开关模块替换所述射频开关。

7.一种射频信号幅相控制方法，其特征在于，利用权利要求1所述的射频信号幅相控制模块对射频信号进行幅相控制。

8.根据权利要求7所述的射频信号幅相控制方法，其特征在于，所述相位控制时序、所述幅度控制时序同时分别对所述数字移相器、所述射频开关进行周期性调制。

9.根据权利要求7所述的射频信号幅相控制方法，其特征在于，所述相位控制时序周期性地控制所述数字移相器的相移量递增或递减。

10.根据权利要求7所述的射频信号幅相控制方法，其特征在于，不同射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序相同；

第i个和第j个射频信号幅相控制模块的所述相位控制时序存在固定的时延差t_ij，通过控制时延差t_ij来控制第i个和第j个射频信号幅相控制模块产生的相移差。