CN111130488B - 一种超宽带移相电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带移相电路。该电路包括第一～第二开关管、第一～第四电容、第一～第二电感和磁耦合互感，其中磁耦合互感包括第一、第二螺旋电感；所述第一螺旋电感、第二螺旋电感的首端分别连接电路的输入端、输出端，第一、第二螺旋电感的首端之间顺次串联第一电感、第一开关管、第三电容、第二电感；所述第四电容串联在电路的输入、输出端口之间；第一、第二螺旋电感的末端相连；所述第一电容与第二开关管串联之后与第二电容并联；第一、第二电容的公共端接地，第二开关管与第二电容的公共端接入第一、第二螺旋电感的末端。本发明具有超宽带、电路拓扑结构简单的优点，并且工艺难度要求低、损耗小、移相精度高、控制方式简单、集成度高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子与固体电子学的射频微波集成电路技术，特别是一种超宽带移相电路。
背景技术
移相器是现代天线相控阵及微波通讯系统的中的关键元件，用于控制微波信号的相位变化，从而控制天线的波束扫描，实现对目标的搜索及跟踪。移相器的体积大小、移相精度、成本、工作温度、批量生产能力都直接关系到整个相控阵雷达的性能，其带宽代表了收发系统的总体带宽瓶颈。
目前单片集成移相器电路主要有传输线型、反射型。传输线型移相器通常工作带宽较窄，为了拓展带宽，一般采用多级串联的方式，这样会增大电路的面积，增加电路的损耗，而且带宽难以达到9个倍频程。反射型移相器可以拓展带宽，但受限于四分之一波长线，电路面积也比较大，不利于芯片小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带、电路拓扑结构简单、工艺难度要求低、损耗小、移相精度高、控制方式简单、集成度高的超宽带移相电路。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种超宽带移相电路，包括第一开关管AFs、第二开关管AFp、第一电容Cp1、第二电容Cp2、第三电容Cs1、第四电容Cs2、第一电感Ls1、第二电感Ls2和磁耦合互感，其中磁耦合互感包括第一螺旋电感和第二螺旋电感；
所述第一螺旋电感的首端连接电路的输入端，第二螺旋电感的首端连接电路的输出端，第一螺旋电感的首端、第二螺旋电感的首端之间顺次串联第一电感Ls1、第一开关管AFs、第三电容Cs1、第二电感Ls2；所述第四电容Cs2串联在电路的输入端口和输出端口之间；第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端相连；
所述第一电容Cp1与第二开关管AFp串联之后与第二电容Cp2并联；第一电容Cp1与第二电容Cp2的公共端接地，第二开关管AFp与第二电容Cp2的公共端接入第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端。
进一步地，所述第一螺旋电感的首端连接第一电感Ls1的一端，第一电感Ls1的另一端连接第一开关管AFs的源极或漏极，第一开关管AFs的漏极或源极连接第二电感Ls2的一端，第二电感Ls2的另一端连接第二螺旋电感首端。
进一步地，所述第一电容Cp1的一端连接第二开关管AFp的源极或漏极，第二开关管AFp的漏极或源极连接第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端。
进一步地，所述第一螺旋电感和第二螺旋电感相互缠绕，形成负的互感值以拓展带宽。
进一步地，通过控制第一开关管AFs和第二开关管AFp的导通和截止状态，形成电平可控的可变电容，以实现移相功能。
进一步地，所述第一电容Cp1和第二电容Cp2为可变电容，通过改变第一电容Cp1和第二电容Cp2的大小，实现低频处不同的相移量和匹配。
进一步地，所述第三电容Cs1为可变电容，所述第一电感Ls1和第二电感Ls2为固定电感，三者串联在电路的输入端口和输出端口之间，用于实现高频处不同的相移量和匹配。
进一步地，所述第四电容Cs2为固定电容，通过增大第四电容Cs2的调节范围，调节电路高频处的相移量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用磁耦合全通网络结构，通过调整相互缠绕的电感间的耦合系数、电感值及串联和并联的电容值来改变相移量与带宽，并利用开关的导通和截止表征移相电路的基态和移相态，可以在超过10个倍频程的频带范围实现高精度移相，实现超宽带移相，移相精度高；(2)电路拓扑结构简单，对工艺难度要求较低；(3)电性能指标高且损耗小，控制方式简单，使用方便，集成度高，方便大批量生产。
附图说明
图1是本发明一种超宽带移相电路的结构示意图。
图2是本发明实施例中超宽带移相电路的硬件结构图。
图3是本发明实施例中工作于2～20GHz移相电路的5.625度移相曲线图。
图4是本发明实施例中工作于2～20GHz移相电路的11.25度移相曲线图。
图5是本发明实施例中工作于2～20GHz移相电路的22.5度移相曲线图。
图6是本发明实施例中工作于2～20GHz移相电路的5.625度移相量对应的S参数曲线图。
图7是本发明实施例中工作于2～20GHz移相电路的11.25度移相量对应的S参数曲线图。
图8是本发明实施例中工作于2～20GHz移相电路的22.5度移相量对应的S参数曲线图。
具体实施方式
本发明超宽带移相电路，包括两个开关管、三个可变电容、一个固定电容、两个固定电感和磁耦合互感，其中磁耦合互感包括第一螺旋电感和第二螺旋电感。该移相电路采用磁耦合全通网络结构，实现信号在宽频带范围内的相移，通过调整螺旋电感间的耦合系数、电感量及电容值改变相移量与带宽，利用开关管的两种状态表征移相电路的基态和移相态，具体如下：
一种超宽带移相电路，包括第一开关管AFs、第二开关管AFp、第一电容Cp1、第二电容Cp2、第三电容Cs1、第四电容Cs2、第一电感Ls1、第二电感Ls2和磁耦合互感，其中磁耦合互感包括第一螺旋电感和第二螺旋电感；
所述第一螺旋电感的首端连接电路的输入端，第二螺旋电感的首端连接电路的输出端，第一螺旋电感的首端、第二螺旋电感的首端之间顺次串联第一电感Ls1、第一开关管AFs、第三电容Cs1、第二电感Ls2；所述第四电容Cs2串联在电路的输入端口和输出端口之间；第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端相连；
所述第一电容Cp1与第二开关管AFp串联之后与第二电容Cp2并联；第一电容Cp1与第二电容Cp2的公共端接地，第二开关管AFp与第二电容Cp2的公共端接入第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端。
进一步地，所述第一螺旋电感的首端连接第一电感Ls1的一端，第一电感Ls1的另一端连接第一开关管AFs的源极或漏极，第一开关管AFs的漏极或源极连接第二电感Ls2的一端，第二电感Ls2的另一端连接第二螺旋电感首端。
进一步地，所述第一电容Cp1的一端连接第二开关管AFp的源极或漏极，第二开关管AFp的漏极或源极连接第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端。
进一步地，所述第一螺旋电感和第二螺旋电感相互缠绕，形成负的互感值以拓展带宽。
进一步地，通过控制第一开关管AFs和第二开关管AFp的导通和截止状态，形成电平可控的可变电容，以实现移相功能。
进一步地，所述第一电容Cp1和第二电容Cp2为可变电容，通过改变第一电容Cp1和第二电容Cp2的大小，实现低频处不同的相移量和匹配。
进一步地，所述第三电容Cs1为可变电容，所述第一电感Ls1和第二电感Ls2为固定电感，三者串联在电路的输入端口和输出端口之间，用于实现高频处不同的相移量和匹配。
进一步地，所述第四电容Cs2为固定电容，通过增大第四电容Cs2的调节范围，调节电路高频处的相移量。
本发明具有超宽带、电路拓扑结构简单、工艺难度要求低、损耗小、移相精度高、控制方式简单、集成度高的优点。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种工作于2～20GHz移相电路，其电路原理图如图1所示，移相电路版硬件如图2所示，版图由GaAs PHEMT晶体管、微带线、电容、地孔组成。射频信号由输入端口1进入，相互耦合的螺旋电感2和两个开关电容器3、4共同构成移相网络，由加电控制端口5控制两个晶体管的工作状态以选择信号传输路径，产生对应的基态和移相态，从而达到移相的目的。本实施例中的5.625°、11.25°以及22.5°移相器均采用这种结构设计。
结合图1，本实施例超宽带移相电路，包括第一开关管AFs、第二开关管AFp、第一电容Cp1、第二电容Cp2、第三电容Cs1、第四电容Cs2、第一电感Ls1、第二电感Ls2和磁耦合互感，其中磁耦合互感包括第一螺旋电感和第二螺旋电感；
所述第一螺旋电感和第二螺旋电感相互缠绕，第一螺旋电感的首端连接电路的输入端和第一电感Ls1的一端，第一电感Ls1的另一端连接第一开关管AFs的源极或漏极，第一开关管AFs的另一极连接第二电感Ls2的一端，第二电感Ls2的另一端连接第二螺旋电感首端和电路的输出端；第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端相连；
所述第一电容Cp1的一端连接第二开关管AFp的源极或漏极，第二电容Cp2并联在第一电容Cp1和第二开关管AFp的两端，其中连接第一电容Cp1的一端接地，连接第二开关管AFp的一端连接第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端。
所述第一螺旋电感和第二螺旋电感相互缠绕，以减小电路面积，并形成负的互感值以拓展带宽。所述第一开关管AFs和第三电容Cs1串联，所述第二开关管AFp和第一电容Cp1串联，通过控制第一开关管AFs和第二开关管AFp的导通和截止状态，形成电平可控的可变电容，以实现移相功能。
所述磁耦合互感的末端通过串联第一电容Cp1和第二电容Cp2到地，第一电容Cp1和第二电容Cp2为可变电容，通过改变第一电容Cp1和第二电容Cp2的大小，可以实现低频处不同的相移量和匹配。所述第三电容Cs1为可变电容，所述第一电感Ls1和第二电感Ls2为固定电感，串联在电路的输入端口和输出端口之间，用于实现高频处不同的相移量和匹配。所述第四电容Cs2为固定电容，串联在电路的输入端口和输出端口之间，通过增大第四电容Cs2的可调节范围，从而调节电路高频处的相移量。
图3～图8为本发明2～20GHz移相电路的实测曲线，图3为5.625度相移曲线，图4为11.25度相移曲线，图5为22.5度相移曲线，图6～图8分别为三种移相量对应的S参数曲线。从图中可以看出，在2～20GHz频带内，该款结构相移器的移相精度非常高，平坦度好，三种移相量的移相误差均小于0.3°，且损耗低，在频带内基本小于2dB，同时芯片尺寸小，结构简单，方便控制。
Claims (6)
1.一种超宽带移相电路，其特征在于，包括第一开关管AFs、第二开关管AFp、第一电容Cp1、第二电容Cp2、第三电容Cs1、第四电容Cs2、第一电感Ls1、第二电感Ls2和磁耦合互感，其中磁耦合互感包括第一螺旋电感和第二螺旋电感；
所述第一螺旋电感的首端连接电路的输入端，第二螺旋电感的首端连接电路的输出端，第一螺旋电感的首端、第二螺旋电感的首端之间顺次串联第一电感Ls1、第一开关管AFs、第三电容Cs1、第二电感Ls2；所述第四电容Cs2串联在电路的输入端口和输出端口之间；第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端相连；
所述第一电容Cp1与第二开关管AFp串联之后与第二电容Cp2并联；第一电容Cp1与第二电容Cp2的公共端接地，第二开关管AFp与第二电容Cp2的公共端接入第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端；
所述第一螺旋电感的首端连接第一电感Ls1的一端，第一电感Ls1的另一端连接第一开关管AFs的源极或漏极，第一开关管AFs的漏极或源极连接第二电感Ls2的一端，第二电感Ls2的另一端连接第二螺旋电感首端；
所述第一电容Cp1的一端连接第二开关管AFp的源极或漏极，第二开关管AFp的漏极或源极连接第一螺旋电感和第二螺旋电感的末端。
2.根据权利要求1所述的超宽带移相电路，其特征在于，所述第一螺旋电感和第二螺旋电感相互缠绕，形成负的互感值以拓展带宽。
3.根据权利要求2所述的超宽带移相电路，其特征在于，通过控制第一开关管AFs和第二开关管AFp的导通和截止状态，形成电平可控的可变电容，以实现移相功能。
4.根据权利要求2所述的超宽带移相电路，其特征在于，所述第一电容Cp1和第二电容Cp2为可变电容，通过改变第一电容Cp1和第二电容Cp2的大小，实现低频处不同的相移量和匹配。
5.根据权利要求2所述的超宽带移相电路，其特征在于，所述第三电容Cs1为可变电容，所述第一电感Ls1和第二电感Ls2为固定电感，三者串联在电路的输入端口和输出端口之间，用于实现高频处不同的相移量和匹配。
6.根据权利要求2所述的超宽带移相电路，其特征在于，所述第四电容Cs2为固定电容，通过增大第四电容Cs2的调节范围，调节电路高频处的相移量。
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