CN110687960B - 一种可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络 - Google Patents

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Abstract

一种可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络，包括有2N－1个结构相同的可编程的幅相可调功率分配单元，每个可编程的幅相可调功率分配单元均有一个输入端两个输出端，以及用于分别调节两个输出端的幅度和相位的两个可调电阻，其特征在于，第一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端连接外部射频信号输入IN，每个可编程的幅相可调功率分配单元的两个输出端都分别连接一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端，形成N级级联的具有2N个相同输出的可调功率分配网络，每个可编程的幅相可调功率分配单元中的一个可调电阻的调节端通过第一可编程控制输入端口IN1连接外部。本发明能够实现高幅值、相位一致性的功率分配网络，且满足低成本的条件。

Description

一种可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络
技术领域
本发明涉及一种可编程功率分配电路。特别是涉及一种可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络。
背景技术
毫米波通信系统中需要大规模功率分配网络来实现阵元之间的协同工作，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)天线阵列技术也需要大规模功率分配网络支持。
功率分配电路的幅值和相位一致性是其关键指标，当多路输出信号的幅值和相位不一致时，两路输出的信号将无法保持同步，严重影响系统工作状态，因此保持功率分配网络高度的幅相一致性是亟须克服的难题。以威尔金森功率分配器为代表的传统功率分配结构依赖于版图对称性和工艺稳定性，如果出现失配将难以继续使用，研究可编程校准的功率分配网络可以缓解这一难题，在最大程度上保证功率分配网络的正常工作。
此外，功率分配网络存在一定的损耗，在无源实现方案中，这种损耗逐级叠加，随着阵列规模的扩大，功率分配网络产生的损耗开始难以接受，需要进行额外的补偿电路，这又消耗了大量的能量，增加了系统成本，同时无源方案带来的巨大芯片面积成本也开始成为主要制约因素。因此采用低损耗且低功耗的有源紧凑型方案可以在一定程度上缓解这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过编程校准的方式来实现高幅值、相位一致性的可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络。
本发明所采用的技术方案是：一种可编程的幅相可调功率分配单元，包括有结构相同的第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管和第三NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管和第三NMOS晶体管的源极分别通过一个源级电阻接地，漏极分别通过一个漏级电阻连接外部电源，其中，所述第一NMOS晶体管的漏极连接第二NMOS晶体管的栅极，所述第一NMOS晶体管的源极连接第三NMOS晶体管的栅极，所述第二NMOS晶体管的源极构成可编程的幅相可调功率分配单元的第一输出端OUT1，所述第三NMOS晶体管的漏极构成可编程的幅相可调功率分配单元的第二输出端OUT2，所述第二NMOS晶体管的漏极还通过第一可调电阻接地，所述第三NMOS晶体管的源极还通过第二可调电阻接地，通过调节第一可调电阻和第二可调电阻的阻值，达到调节第一输出端OUT1和第二输出端OUT2的幅度和相位。
所述源级电阻和漏级电阻阻值相同。
一种由可编程的幅相可调功率分配单元构成的可调功率分配网络，包括有2N－1个结构相同的可编程的幅相可调功率分配单元，每个可编程的幅相可调功率分配单元均有一个输入端两个输出端，以及用于分别调节两个输出端的幅度和相位的两个可调电阻，其特征在于，第一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端连接外部射频信号输入IN，每个可编程的幅相可调功率分配单元的两个输出端都分别连接一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端，形成N级级联的具有2N个相同输出OUT的可调功率分配网络，每个可编程的幅相可调功率分配单元中的一个可调电阻的调节端通过第一可编程控制输入端口IN1连接外部控制单元，另一个可调电阻的调节端通过第二可编程控制输入端口IN2连接外部控制单元。
所述的外部控制单元通过调节每个可编程的幅相可调功率分配单元中的两个可调电阻的阻值，来达到调节可调功率分配网络的输出。
本发明的一种可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络，能够实现高幅值、相位一致性的功率分配网络，且满足低成本的条件。本发明结构简单、面积小、损耗低的特点，可高效实现大规模扩展应用。本发明具有如下有益效果：
(1)所引入的可编程幅度、相位调节机制可实现精准的功率分配网络幅度、相位校准，由于最少仅需两位即可实现控制，所以本发明在大规模功率分配网络中也可得到应用，同时产品加工后可随时校准，提高良品率，增强实用性。
(2)采用有源结构来实现功率分配，减小了由于功率平分造成的每级3dB固有损耗，甚至会带来一定的增益。
(3)以有源结构为主体的功率分配结构，大大缓解了大面积无源器件所带来的芯片面积问题，降低了成本。
(4)本发明的功率分配单元电路易于多级级联，可以通过简单的耦合方式实现单元电路的多级连接，从而实现大规模的功率分配网络。
附图说明
图1是本发明可编程的幅相可调功率分配单元的电路构成示意图；
图2是本发明可调功率分配网络的电路构成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的可编程的幅相可调功率分配单元及可调功率分配网络做出详细说明。
如图1所示，本发明的可编程的幅相可调功率分配单元，包括有结构相同的第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2和第三NMOS晶体管M3，所述第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2和第三NMOS晶体管M3的源极分别通过一个源级电阻RL1接地，漏极分别通过一个漏级电阻RL2连接外部电源，所述源级电阻RL1和漏级电阻RL2阻值相同。其中，所述第一NMOS晶体管M1的漏极连接第二NMOS晶体管M2的栅极，所述第一NMOS晶体管M1的源极连接第三NMOS晶体管M3的栅极，所述第二NMOS晶体管M2的源极构成可编程的幅相可调功率分配单元的第一输出端OUT1，所述第三NMOS晶体管M3的漏极构成可编程的幅相可调功率分配单元的第二输出端OUT2，所述第二NMOS晶体管M2的漏极还通过第一可调电阻R1接地，所述第三NMOS晶体管M3的源极还通过第二可调电阻R2接地，通过调节第一可调电阻R1和第二可调电阻R2的阻值，达到调节第一输出端OUT1和第二输出端OUT2的幅度和相位。
对本发明的可编程的幅相可调功率分配单元增益进行分析(不含可编程控制部分)，得到两路输出增益分别为：、
Figure BDA0002213801570000031
Figure BDA0002213801570000032
其中，Av1、Av2为第1、2路输出电压增益，Vout1、Vout2为第1、2路输出电压，Vin为总输入信号电压，Vin′和Vin″分别为第一晶体管M1的漏极输出电压和源极输出电压，I2和I3分别为第二晶体管M2的漏极电流和第三晶体管M3的漏极电流，RD和RS分别为每个晶体管的漏极电阻和源极电阻，V1、V2为第一、第二晶体管的栅源电压差，gm为晶体管的跨导，RL为输出端负载电阻。
当每个晶体管的漏极和源极电阻等值时，可得：
Figure BDA0002213801570000033
其中，R为每个晶体管的漏极和源极等值电阻。
由于可编程的幅相可调功率分配单元电路的平衡对称结构，使得电路的两路输出等幅同相。
此外，为保证两路工作状态的一致性，在每个可编程的幅相可调功率分配单元电路中增加两个用于校准的可调电阻，分别对两路输出进行可编程控制，该可调电阻可补偿由于各种原因所造成的输出失配情况，通过模拟连续控制实现精准的幅度、相位校准。
在可编程的幅相可调功率分配单元基础上，将可编程的幅相可调功率分配单元继续级联，可实现大规模的多路输出。在条件允许的情况下，可以对大规模功率分配网络中的每一个可调器件进行可编程控制，在控制位受限的情况下，仅使用两位控制也可实现好的效果，在此情况下，一位控制所有单元电路中第二晶体管的可调电阻，另一位控制所有单元电路中第三晶体管的可调电阻。
如图2所示，本发明的由可编程的幅相可调功率分配单元构成的可调功率分配网络，包括有2N－1个结构相同的可编程的幅相可调功率分配单元，每个可编程的幅相可调功率分配单元均有一个输入端两个输出端，以及用于分别调节两个输出端的幅度和相位的两个可调电阻，第一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端连接外部射频信号输入IN，每个可编程的幅相可调功率分配单元的两个输出端都分别连接一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端，形成N级级联的具有2N个相同输出OUT的可调功率分配网络，每个可编程的幅相可调功率分配单元中的一个可调电阻R1的调节端通过第一可编程控制输入端口IN1连接外部控制单元，另一个可调电阻R2的调节端通过第二可编程控制输入端口IN2连接外部控制单元。
所述的外部控制单元通过调节每个可编程的幅相可调功率分配单元中的两个可调电阻的阻值，来达到调节可调功率分配网络的输出。第一可编程控制输入端口IN1、第二可编程控制输入端口IN2为电路中所有可调器件提供控制信号，该控制信号为模拟信号，该模拟信号可由外部编程产生，在此两路信号的控制下，由可编程的幅相可调功率分配单元构成的可调功率分配网络中可调电阻的值可被改变，进而使得各路输出的幅度、相位发生变化。各路输出端口输出的信号理论上等幅同相，但由于工艺偏差等情况的存在，各路输出端口的幅值和相位并不完全一致，因此可由第一可编程控制输入端口IN1、第二可编程控制输入端口IN2进行调节。

Claims (4)

1.一种可编程的幅相可调功率分配单元，包括有结构相同的第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)和第三NMOS晶体管(M3)，其特征在于，所述第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)和第三NMOS晶体管(M3)的源极分别通过一个源级电阻(RL1)接地，漏极分别通过一个漏级电阻(RL2)连接外部电源，其中，所述第一NMOS晶体管(M1)的漏极连接第二NMOS晶体管(M2)的栅极，所述第一NMOS晶体管(M1)的源极连接第三NMOS晶体管(M3)的栅极，所述第一NMOS晶体管(M1)的栅极作为可编程的幅相可调功率分配单元的信号输入端，所述第二NMOS晶体管(M2)的源极构成可编程的幅相可调功率分配单元的第一输出端OUT1，所述第三NMOS晶体管(M3)的漏极构成可编程的幅相可调功率分配单元的第二输出端OUT2，所述第二NMOS晶体管(M2)的漏极还通过第一可调电阻(R1)接地，所述第三NMOS晶体管(M3)的源极还通过第二可调电阻(R2)接地，通过调节第一可调电阻(R1)和第二可调电阻(R2)的阻值，达到调节第一输出端OUT1和第二输出端OUT2的幅度和相位；所述可编程的幅相可调功率分配单元的第一输出端OUT1、第二输出端OUT2的输出电压增益Av1和Av2如下式：
Figure FDA0002538990760000011
其中，R为每个晶体管的漏极和源极的等值电阻，gm为晶体管的跨导。
2.根据权利要求1所述的可编程的幅相可调功率分配单元，其特征在于，所述源级电阻(RL1)和漏级电阻(RL2)阻值相同。
3.一种由权利要求1所述的可编程的幅相可调功率分配单元构成的可调功率分配网络，包括有2N－1个结构相同的可编程的幅相可调功率分配单元，每个可编程的幅相可调功率分配单元均有一个输入端两个输出端，以及用于分别调节两个输出端的幅度和相位的两个可调电阻，其特征在于，第一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端连接外部射频信号输入IN，每个可编程的幅相可调功率分配单元的两个输出端都分别连接一个可编程的幅相可调功率分配单元的输入端，形成N级级联的具有2N个相同输出OUT的可调功率分配网络，每个可编程的幅相可调功率分配单元中的一个可调电阻(R1)的调节端通过第一可编程控制输入端口IN1连接外部控制单元，另一个可调电阻(R2)的调节端通过第二可编程控制输入端口IN2连接外部控制单元。
4.根据权利要求3所述的可编程的幅相可调功率分配单元构成的可调功率分配网络，其特征在于，所述的外部控制单元通过调节每个可编程的幅相可调功率分配单元中的两个可调电阻的阻值，来达到调节可调功率分配网络的输出。
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