CN111146532A - 一种共用耦合器的多位移相单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共用耦合器的多位移相单元，涉及通信领域，具体涉及一种超宽带数字移相器。主要包括输入端口、耦合器、两组阻抗变换网络和输出端口。输入端口和耦合器的输入端口相连，耦合器的隔离端口和耦合输出端口分别与两组阻抗变换网络连接，耦合器的直通输出端口与输出端口连接。该移相器结构可以实现6‑18GHz的频率范围内，5.625°、11.25°、22.5°三个相位的移相需求。这种电路结构有效降低了移相器的设计成本，减小了芯片面积，在对应的工作频段范围内，插入损耗小于3dB，回波损耗大于11dB，相位误差小于±1.5°，整体表现出较好的移相性能。

Description

一种共用耦合器的多位移相单元

技术领域

该发明涉及通信领域，具体涉及一种超宽带数字移相器。

背景技术

随着计算机自动控制技术和电控移相器技术的发展，相控阵天线技术在雷达发展中得到了广泛的应用，通过采用电子电子控制扫描技术取代传统的机械扫描，保证了相控阵在可靠性、探测精度、速度等方面的优势。在有源相控阵雷达中，收发组件是其基础部分，而移相器是收发组件的核心。移相器主要用于控制波束扫描的精确度，其性能直接影响着收发组件的功能实现，进而影响信号的准确接收和发射，对于影响雷达系统整体的工作能力具有重要意义。

近年来，随着通信系统对宽带电路的需求逐渐增大，对控制电路的研究也愈加深入。移相器作为控制电路的主要器件，其性能特点直接影响着整个电路的性能，但移相器研制技术指标较多、面积较大、对性能要求较高，故一直是控制电路设计的难点。与此同时对于宽带甚至超宽带高性能移相器的研究具有重要意义及实际应用价值。

数字移相器的主要工作原理是通过控制不同电路通断实现不同相位的转换，反射型移相器具有易于控制，插入损耗小、适合大相移的特点，被广泛应用于数字移相器的设计中，但反射型移相器一般采用3dB耦合器如耦合器，若多相位结构同时使用耦合器，体积较大，不利于集成，相应的也增加了电路的成本；而传统的反射电路也很难满足针对超宽带移相电路的要求。因此研制一种高带宽且具有紧凑结构、较小面积的超宽带移相结构具有重要意义。

D.C.Boire等人采用Sabders公司0.5um MMIC工艺，通过半导体处理工艺在晶圆片上制作了一款移相器芯片，在直径为3英寸的晶圆片上制作。该芯片边缘尺寸为4.2毫米x3.8毫米。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足与缺陷，通过对现有技术的改进，提供一种兼顾电路面积和超宽带性能的数字移相单元，多级结构共用一个耦合器，在保证超宽带性能的同时，有效减小了电路的面积。

本发明技术方案为一种共用耦合器的多位移相单元，该移相单元包括：输入接口、输出接口、耦合器、第一电路网络、第二电路网络；第一、第二电路网络分别与耦合器相连，第一电路网络包括第一阻抗网络及第一反射终端控制网络，第二电路网络包括第二阻抗网络及第二反射终端控制网络；

所述耦合器主要包括四个接口：输入端口、直通输出端口、耦合输出端口、隔离端口，耦合器的输入端口连接输入接口，耦合器的隔离端口连接输出接口，直通输出端口连接第一电路网络的连接端口，耦合输出端口连接第二电路网络的连接端口；所述第一电路网络和第二电路网络结构完全相同，都包括：阻抗变换网络和反射终端控制网络；

所述阻抗变换网络包括：第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容并联，一端作为阻抗变换网络的连接端口另一端接地；

所述反射终端控制网络包括：第二电容、第三电容、第四电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一控制电源、第二控制电源、第三控制电源；其中第二电容、第三电容、第四电容的一端共接作为反射终端控制网络的连接端口，另一端分别对应与第三开关管、第二开关管、第一开关管的源极连接，第三开关管、第二开关管、第一开关管的漏极共接后接地；第三开关管、第二开关管、第一开关管的栅极分别与第二电阻、第三电阻、第四电阻的一端连接，第二电阻、第三电阻、第四电阻的另一端分别对应连接第三控制电源、第二控制电源、第一控制电源的正极，第三控制电源、第二控制电源、第一控制电源的负极共接后接地；

所述反射终端控制网络的连接端口与阻抗变换网络的连接端口共接后作为第一电路网络或第二电路网络的连接端口。

进一步的,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管都采用PHEMT开关管。

进一步的,所述的耦合器包括：厚度为100μm的GaAs基底、介电常数为6.9厚度为4.6μm的P掺杂衬底、厚度为1μm宽度为10.7μm的金属传输线、厚度为2μm的跳线，所述P掺杂衬底位于GaAs基底上，金属传输线位于GaAs基底和P掺杂衬底之间，跳线位于P掺杂衬底上表面；所述金属传输线包括依次按行排列间隙为7.1μm的：第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线，每一行设置一条传输线，跳线包括：第一跳线、第二跳线、第三跳线；所述第二传输线、第四传输线长度相同，第一传输线和第五传输线长度相同为第二传输线或第四传输线长度的一半，所述第一传输线位于第二跳线左侧，第五传输线位于第四传输线的右侧，第一传输线、第三传输线、第四传输线左端对齐，第二传输线、第三传输线、第五传输线右端对齐；所述第一传输线的左端与第三传输线的左端连接，第三传输线的右端与第五传输线的右端连接；所述第二传输线的左端与四传输线的左端通过金属通孔分别与第一跳线的两端连接；所述第一传输线的右端、第三传输线的中端、第五传输线的左端分别通过金属通孔分别与第二跳线上端、中端、下端连接；第二传输线的右端、第四传输线的右端通过金属通孔分别于第三跳线的两端连接，所述第一传输线的左端为耦合器的输入端口，第十传输线的左端为耦合器的隔离端口，第二传输线的右端为耦合器的耦合输出端口，第五传输线的右端为耦合器的直通输出端口。

本发明的有益效果是：

1、本发明耦合器有效拓宽电路带宽，通过调试优化各组成部分的元件值，能够实现较宽的工作带宽，插入损耗较低，在带宽上具有突出的优势。

2、采用共用耦合器结构，三个移相态共用一个耦合器，相较于传统分离式耦合器移相单元结构，该设计具有更小的面积；同时整个移相器的设计基本全部采用集总元件，相较于传统的微带结构，大大减小了电路的面积，整体结构经凑，面积较小，可以有效降低电路设计的成本，同时较小的电路面积在集成芯片的应用中具有较大的优势和应用空间，可以广泛应用于无线通信系统中。

本发明提供的一种共用耦合器的多位移相单元结构，其结构紧凑，面积较小，在较宽的频带范围内具有良好的驻波特性、稳定的相移波动以及较低的插入损耗，可以作为超宽带移相器设计的基本单元，广泛应用于超宽带相控阵雷达系统中。该移相器结构可以实现6-18GHz的频率范围内，5.625°、11.25°、22.5°三个相位的移相需求。

附图说明

图1为共用耦合器多位移相结构的原理图。

图2为共用耦合器的结构示意图。

图3为共用耦合器的左视图。

图4为共用耦合器的俯视图。

图5为5.625°、11.25°、22.5°三种移相结构不同工作状态下与参考态的相位差。

图6为共用耦合器多位移相结构不同工作状态下的回波损耗。

图7为共用耦合器多位移相结构不同工作状态下的插入损耗。

图4中：1.第一传输线、2.第二传输线、3.第三传输线、4.第四传输线、5.第五传输线，6.第一跳线、7.第二跳线、8.第三跳线。

具体实施方式

实施例1

如图1所示：一种共用耦合器的多位移相单元结构，主要包括耦合器、阻抗变换网络、反射终端控制控制网络。如图1所示，输入接口Term1和耦合器的输入端口①相连，耦合器的直通输出端口③和耦合输出端口④分别与阻抗变换网络连接，阻抗变换网络和反射终端控制网络并联接地，耦合器的隔离端口②与输出接口Term2连接。通过对控制端施加不同的电压，实现对应阻抗匹配网络的阻抗变化，从而实现5.625°、11.25°、22.5°三个相位的转换；所述阻抗变换网络包括：第一电阻R1和第一电容C1，第一电阻R1和第一电容C1并联，一端作为阻抗变换网络的连接端口另一端接地；

所述反射终端控制网络包括：第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一开关管FET1、第二开关管FET2、第三开关管FET3、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一控制电源DC1、第二控制电源DC2、第三控制电源DC3；其中第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4的一端共接作为反射终端控制网络的连接端口，另一端分别对应与第三开关管FET3、第二开关管FET2、第一开关管FET1的源极连接，第三开关管FET3、第二开关管FET2、第一开关管FET1的漏极共接后接地；第三开关管FET3、第二开关管FET2、第一开关管FET1的栅极分别与第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4的一端连接，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4的另一端分别对应连接第三控制电源DC3、第二控制电源DC2、第一控制电源DC1的正极，第三控制电源DC3、第二控制电源DC2、第一控制电源DC1的负极共接后接地；

所述反射终端控制网络的连接端口与阻抗变换网络的连接端口共接后作为第一电路网络或第二电路网络的连接端口。

所述的输入接口和输出接口均为50Ω连接口；本实施例中所述超宽带数字移相单元具有高对称性，其中C1＝C2＝55.1nF,C3＝C6＝128.2nF,C4＝C7＝193.4nF,C5＝C8＝86.5nF,R1＝R5＝1381Ω,R2＝R3＝R4＝R6＝R7＝R8＝2KΩ，开关管FET1、FET2、FET3分别与FET4、FET5、FET6的结构相同；所述的控制电源选择0V和-5V两种输出状态的电源；当DC1＝DC2＝DC3＝0V时，电路输出作为参考态；当DC1＝-5V,DC2＝DC3＝0V时，匹配网络阻抗发生变化，该状态下，实现5.625°相位差；当DC2＝-5V,DC1＝DC3＝0V时，匹配网络阻抗发生变化，该状态下，实现11.25°相位差；当DC3＝-5V,DC1＝DC2＝0V时，匹配网络阻抗发生变化，该状态下，实现22.5°相位差。

所述的耦合器的结构示意图如图2所示，主要有GaAs基底和用于电磁场耦合的金属传输线构成，其中GaAs衬底的厚度H为100μm，GaAs衬底的上层为介电常数为6.9的P掺杂介质层，主要的耦合金属线置于P掺杂介质层的下表面，其中用于耦合线跳线的金属耦合线置于P掺杂介质层的上表面。其中P掺杂介质层的h2的厚度为4.6μm。

所述的耦合器的左视图如图3所示，其中上表面和下表面的金属耦合线均置于P掺杂介质层中，上层耦合金属线的厚度h1为2μm，下层耦合金属线的厚度h3为1μm。

所述的耦合器的俯视图如图4所示，其中耦合器的长度L为1739μm.，对应金属耦合线的宽度W为10.7μm，对应金属耦合线之间的间隙S为7.1μm。

通过电磁仿真本实施例中所描述的共用耦合器的多位移相单元结构，在6～18GHz的工作频带内具有较好的性能特点，具体仿真结果如图5～7所示，如图5所示，三种移相状态下的相位移分别为5.624°±0.8°、11.25°±1°、22.5°±1.5°，在超宽带范围内具有较好的相位稳定性；如图6所示，在6～18GHz的频率范围内，参考态和三种移相态四种状态下的回波损耗均大于11dB,回波特性良好；如图7所示，在6～18GHz的频率范围内，参考态和三种移相态四种状态下的插入损耗均小于3dB，具有良好的插入损耗，有利于多级移相器的级联。

Claims (3)

1.一种共用耦合器的多位移相单元，该移相单元包括：输入接口、输出接口、耦合器、第一电路网络、第二电路网络；第一、第二电路网络分别与耦合器相连，第一电路网络包括第一阻抗网络及第一反射终端控制网络，第二电路网络包括第二阻抗网络及第二反射终端控制网络；

所述耦合器主要包括四个接口：输入端口、直通输出端口、耦合输出端口、隔离端口，耦合器的输入端口连接输入接口，耦合器的隔离端口连接输出接口，直通输出端口连接第一电路网络的连接端口，耦合输出端口连接第二电路网络的连接端口；所述第一电路网络和第二电路网络结构完全相同，都包括：阻抗变换网络和反射终端控制网络；

所述阻抗变换网络包括：第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容并联，一端作为阻抗变换网络的连接端口另一端接地；

所述反射终端控制网络包括：第二电容、第三电容、第四电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一控制电源、第二控制电源、第三控制电源；其中第二电容、第三电容、第四电容的一端共接作为反射终端控制网络的连接端口，另一端分别对应与第三开关管、第二开关管、第一开关管的源极连接，第三开关管、第二开关管、第一开关管的漏极共接后接地；第三开关管、第二开关管、第一开关管的栅极分别与第二电阻、第三电阻、第四电阻的一端连接，第二电阻、第三电阻、第四电阻的另一端分别对应连接第三控制电源、第二控制电源、第一控制电源的正极，第三控制电源、第二控制电源、第一控制电源的负极共接后接地；

所述反射终端控制网络的连接端口与阻抗变换网络的连接端口共接后作为第一电路网络或第二电路网络的连接端口。

2.如权利要求1所述的一种共用耦合器的多位移相单元，其特征在于所述的耦合器包括：厚度为100μm的GaAs基底、介电常数为6.9厚度为4.6μm的P掺杂衬底、厚度为1μm宽度为10.7μm的金属传输线、厚度为2μm的跳线，所述P掺杂衬底位于GaAs基底上，金属传输线位于GaAs基底和P掺杂衬底之间，跳线位于P掺杂衬底上表面；所述金属传输线包括依次按行排列间隙为7.1μm的：第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线，每一行设置一条传输线，跳线包括：第一跳线、第二跳线、第三跳线；所述第二传输线、第四传输线长度相同，第一传输线和第五传输线长度相同为第二传输线或第四传输线长度的一半，所述第一传输线位于第二跳线左侧，第五传输线位于第四传输线的右侧，第一传输线、第三传输线、第四传输线左端对齐，第二传输线、第三传输线、第五传输线右端对齐；所述第一传输线的左端与第三传输线的左端连接，第三传输线的右端与第五传输线的右端连接；所述第二传输线的左端与四传输线的左端通过金属通孔分别与第一跳线的两端连接；所述第一传输线的右端、第三传输线的中端、第五传输线的左端分别通过金属通孔分别与第二跳线上端、中端、下端连接；第二传输线的右端、第四传输线的右端通过金属通孔分别于第三跳线的两端连接，所述第一传输线的左端为耦合器的输入端口，第十传输线的左端为耦合器的隔离端口，第二传输线的右端为耦合器的耦合输出端口，第五传输线的右端为耦合器的直通输出端口。

3.如权利要求1所述的一种共用耦合器的多位移相单元，其特征在于所述第一开关管、第二开关管、第三开关管都采用PHEMT开关管。

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