CN111404511B - 超宽带高精度差分衰减器 - Google Patents

超宽带高精度差分衰减器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带高精度差分衰减器，包括依次连接的第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元，所述的各差分衰减单元均由上下两个单端半电路以中心轴H对称构成。通过上述结构，本发明可以提升衰减器的高频工作能力、调幅精度、匹配性能以及双向工作的一致性，还可以提升衰减器的线性度，增强衰减器应用于高功率场景的能力，并且抑制共模干扰信号的影响，增强可靠性。

Description

超宽带高精度差分衰减器
技术领域
本发明涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种超宽带高精度差分衰减器。
背景技术
近年来，新一代通信技术取得了快速发展，基于sub-6GHz频段的通信已经不能满足日益增长的带宽需求，因而基于6GHz以上的高频通信，如毫米波5G通信、宽带卫星通信等成为备受关注的发展方向。尽管高频通信可以提供大的带宽，但其存在的高损耗、低覆盖率的问题仍待解决。相控阵技术可以有效地弥补高频通信的高损耗、提升高频通信的覆盖能力，因而被广泛地使用于高频通信系统。通过多天线阵列和波束赋形技术，相控阵系统可以实现更高的输出功率以克服传播损耗；同时，可以根据用户的实时需求，调整波束的指向，提供灵活的信号覆盖。
相控阵系统的每个阵元需要一个幅度控制模块，一方面用来补偿各通道间的幅度偏差，另一方面用于波束赋形，以降低合成波束的旁瓣。典型的幅度控制模块有可变增益放大器和衰减器，其中可变增益放大器能够在调幅的同时提供一定的增益，但需消耗直流功率；相比之下，衰减器无直流功耗，是实现低功耗调幅的优选方案。
开关型衰减器主要由晶体管开关和电阻构成，具有尺寸小、控制简单的优点。通过级联多级衰减单元，开关型衰减器可以实现较大范围的幅度调节。然而，开关型衰减器的性能受限于工艺中晶体管的性能。在低频时，由于晶体管寄生参数的影响并不显著，衰减器通常能实现较好的性能。但到了高频(例如，毫米波频段)，晶体管的寄生参数将恶化衰减器的性能，因而限制了其在高频的应用。同时，随着衰减单元的衰减值增大，晶体管的寄生参数产生的影响将变大，因此在高频段实现大范围的衰减成为一个设计挑战。此外，现有的设计中常采用单端结构的衰减器，尽管其线性度好于有源的可变增益放大器，但在高功率的应用场景下，其线性度依然需要进一步的提升；并且，在各模块均为差分结构的电路系统中，单端结构的衰减器将不适合被级联到链路中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带高精度差分衰减器，能够提升衰减器的线性度，增强了衰减器应用于高功率场景的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了衰减器的可靠性，整体提升衰减器在高频的工作能力，提升衰减器的匹配性能、调幅精度以及双向工作的一致性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超宽带高精度差分衰减器，包括依次连接的第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元，所述的各差分衰减单元均由上下两个单端半电路以中心轴H对称构成。
进一步的是，所述差分0.5dB衰减单元和差分1dB衰减单元采用差分简化式T型结构，差分2dB衰减单元和差分4dB衰减单元采用差分电容补偿式T型结构，第一差分8dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元采用差分电容补偿式Π型结构。
进一步的是，所述第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元包括上侧衰减单元(100、200、300、400、500、600、700)和下侧衰减单元(110、210、310、410、510、610、710)。
进一步的是，第一差分8dB衰减单元(100、110)、第二差分8dB衰减单元(400、410)和第三差分8dB衰减单元(700、710)的器件尺寸相同，所述第一差分8dB衰减单元(100、110)和第三差分8dB衰减单元(700、710)使用相同的控制信号。
进一步的是，所述差分简化式T型结构由两个相同的单端简化式T型结构构成，其单端半电路(200、600)由第一晶体管(201、601)和第一电阻(202、602)组成，其中：第一晶体管(201、601)的栅极接数字控制电压，漏极接第一电阻(202、602)的一端，源极与另一单端半电路(210、610)相接；第一电阻(202、602)的另一端连接于信号通路上。
进一步的是，所述差分电容补偿式T型结构由两个相同的单端电容补偿式T型结构构成，其单端半电路(300、500)由第二晶体管(301、501)、第二电阻(303、503)、第一电容(302、502)、第三电阻(304、504)、第四电阻(305、505)及第三晶体管(306、506)组成，其中：第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)并联，第二晶体管(301、501)的栅极接数字控制电压，漏极接第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)的一个公共端，源极与另一单端半电路(310、510)相接；第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)的另一个公共端分别接第三电阻(304、504)的一端和第四电阻(305、505)的一端，第三电阻(304、504)的另一端和第四电阻(305、505)的另一端分别连接于信号通路上；第三晶体管(306、506)的栅极接数字控制电压，漏极和源极分别连接于信号通路上。
进一步的是，差分电容补偿式Π型结构由两个相同的单端电容补偿式Π型结构构成，其单端半电路(100、400、700)由第四晶体管(101、401、701)、第五晶体管(102、402、702)、第五电阻(103、403、703)、第六电阻(104、404、704)、第二电容(105、405、705)、第三电容(106、406、706)、第七电阻(107、407、707)和第六晶体管(108、408、708)组成，其中：第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)并联，第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)并联；第四晶体管(101、401、701)的栅极接数字控制电压，漏极接第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的一个公共端，源极与另一单端半电路(110、410、710)相接；第五晶体管(102、402、702)的栅极接数字控制电压，漏极接第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的一个公共端，源极与另一单端半电路(110、410、710)相接；第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的另一个公共端、第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的另一个公共端分别连接于信号通路上，第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的另一个公共端、第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的另一个公共端之间还串接第七电阻(107、407、707)；第六晶体管(108、408、708)的栅极接数字控制电压，漏极和源极分别连接于信号通路上。
进一步的是，第一差分8dB衰减单元(100、110)、差分0.5dB衰减单元(200、210)、差分4dB衰减单元(300、310)、第二差分8dB衰减单元(400、410)、差分2dB衰减单元(500、510)、差分1dB衰减单元(600、610)和第三差分8dB衰减单元(700、710)中相邻两者之间插入第一至第十六电感(800、801、802、803、804、805、806、807、900、901、902、903、904、905、906、907)来进行阻抗匹配。
本发明的有益效果是：本发明的一种超宽带高精度差分衰减器，具有以下优点:
第一，本发明提出了一种差分衰减器结构，一方面，提升了衰减器的线性度，增强了衰减器应用于高功率场景的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了衰减器的可靠性；
第二，本发明通过联合控制两个8dB单元来实现16dB的衰减效果，避免了直接使用16dB的衰减单元，整体上提升了衰减器在高频的工作能力；
第三，基于简化式T型、电容补偿式T型、电容补偿式Π型衰减结构，本发明提供了一种适用于大调幅范围(例如，20dB以上)的衰减结构的选择和排列方法，可以提升衰减器的匹配性能、调幅精度以及双向工作的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的电路结构示意图；
图2是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的6比特幅度调节的结果；
图3是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的调幅均方根误差的结果；
图4是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的调幅附加相位的结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明的超宽带高精度差分衰减器涉及的应用领域包括：卫星通信、毫米波5G通信、相控阵系统等。
实施例1，请参阅图1至图4，本发明实施例包括：本发明提供了一种超宽带高精度差分衰减器结构，包括由单端8dB衰减单元100和110构成的第一差分8dB衰减单元，由单端0.5dB衰减单元200和210构成的差分0.5dB衰减单元，由单端4dB衰减单元300和310构成的差分4dB衰减单元，由单端8dB衰减单元400和410构成的第二差分8dB衰减单元，由单端2dB衰减单元500和510构成的差分2dB衰减单元，由单端1dB衰减单元500和510构成的差分1dB衰减单元以及由单端8dB衰减单元700和710构成的第三差分8dB衰减单元，共可覆盖31.5dB的调幅范围，调幅步进为0.5dB。其中，上侧衰减单元100、200、300、400、500、600、700与下侧衰减单元110、210、310、410、510、610、710相同且关于中心轴H对称。相比于现有的单端结构的衰减器，本发明提供的差分衰减器提升了线性度，抑制了共模干扰，增强了衰减器的可靠性。
基于简化式T型、电容补偿式T型、电容补偿式Π型衰减结构，本发明提供了一种适用于大调幅范围(以31.5dB为例)的衰减结构的选择和排列方法，如图1所示。具体而言：
0.5dB衰减单元200、210和1dB衰减单元600、610采用简化式T型结构。以衰减单元200为例，该结构由晶体管201和电阻202组成。其中晶体管201的栅极接数字控制电压，当控制电压为低电平时，晶体管201关断，信号直接输出而不被衰减，此时衰减单元工作在参考状态；当控制电压为高电平时，晶体管201导通，信号被晶体管201和电阻202组成的衰减网络衰减，此时衰减单元工作在衰减状态。通过切换数字控制电压，可以实现0.5dB的幅度切换。
2dB衰减单元500、510和4dB衰减单元300、310采用电容补偿式T型结构。以衰减单元300为例，该结构由晶体管301、306、电阻303、304、305以及电容302组成。其中晶体管301和306的栅极接数字控制电压，用于切换衰减状态。在参考状态下，晶体管301关断，晶体管306导通，信号从晶体管306通过而不被衰减；在衰减状态下，晶体管301导通，晶体管306关断，信号被电阻303、304和305构成的T型网络衰减。电容补偿由电容302实现，以提升衰减器的高频性能、降低调幅附加相位。
8dB衰减单元100、110、400、410、700、710采用电容补偿式Π型结构。以衰减单元100为例，该结构由晶体管101、102、108、电阻103、104、107以及电容105、106组成。其中晶体管101、102、108的栅极接数字控制电压，用于切换衰减状态。在参考状态下，晶体管101、102关断，晶体管108导通，信号从晶体管108通过而不被衰减；在衰减状态下，晶体管101、102导通，晶体管108关断，信号被电阻103、104和107构成的Π型网络衰减。电容补偿由电容105、106实现，以提升衰减器的高频性能、降低调幅附加相位。
由于晶体管寄生电容的影响，单个衰减单元实现的大范围衰减器(例如，16dB衰减器)的性能将变差，其最高工作频率将受限、调幅附加相位将变大。因此，本发明中通过联合控制8dB衰减单元100、110、700、710来实现16dB的衰减效果，避免了直接使用单个16dB衰减单元，可以提升衰减器的最高工作频率，降低衰减器的调幅附加相位。
各衰减单元的排列方式如图1所示。其中，联合控制的8dB衰减单元100、110以及8dB衰减单元700、710分别位于靠近输入端和输出端的位置，0.5dB衰减单元200、210，4dB衰减单元300、310，8dB衰减单元400、410，2dB衰减单元500、510以及1dB衰减单元600、610依次排列。此外，在输入端、输出端以及各衰减单元之间插入电感800～807和900～907用于与各衰减单元的容性阻抗谐振，以实现阻抗匹配。此排列方式优化了衰减器的阻抗匹配性能，从而提高了衰减器的调幅精度；同时也确保了衰减器双向工作的一致性。
图2是超宽带差分衰减器的6比特幅度调节的结果。在10–50GHz的频率范围内，衰减器均能够实现范围为31.5dB、步进为0.5dB的幅度调节，意味着本发明实现了超宽带的调幅性能。同时，该衰减器实现了低损耗，在10–50GHz，损耗由4.4dB增加到7.0dB。
图3是超宽带差分衰减器的调幅均方根误差的结果。在10–50GHz的频率范围内，该衰减器的RMS调幅误差均低于0.32dB，表明本发明实现了超宽带的高精度幅度调节。
图4是超宽带差分衰减器的调幅附加相位的结果。在10–50GHz的频率范围内，最大调幅附加相位约为18.6°。
本发明的一种超宽带高精度差分衰减器，具有以下优点:
第一，本发明提出了一种差分衰减器结构，一方面，提升了衰减器的线性度，增强了衰减器应用于高功率场景的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了衰减器的可靠性；
第二，本发明通过联合控制两个8dB单元来实现16dB的衰减效果，避免了直接使用16dB的衰减单元，整体上提升了衰减器在高频的工作能力；
第三，基于简化式T型、电容补偿式T型、电容补偿式Π型衰减结构，本发明提供了一种适用于大调幅范围(例如，20dB以上)的衰减结构的选择和排列方法，可以提升衰减器的匹配性能、调幅精度以及双向工作的一致性。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种超宽带高精度差分衰减器，其特征在于包括依次连接的第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元，所述的各差分衰减单元均由上下两个单端半电路以中心轴H对称构成；
所述第一差分8dB衰减单元(100、110)、第二差分8dB衰减单元(400、410)和第三差分8dB衰减单元(700、710)的器件尺寸相同；
所述第一差分8dB衰减单元(100、110)和第三差分8dB衰减单元(700、710)使用相同的控制信号。
2.根据权利要求1所述的超宽带高精度差分衰减器，其特征在于：所述差分0.5dB衰减单元和差分1dB衰减单元采用差分简化式T型结构，差分2dB衰减单元和差分4dB衰减单元采用差分电容补偿式T型结构，第一差分8dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元采用差分电容补偿式Π型结构。
3.根据权利要求1所述的超宽带高精度差分衰减器，其特征在于：所述第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元包括上侧衰减单元(100、200、300、400、500、600、700)和下侧衰减单元(110、210、310、410、510、610、710)。
4.根据权利要求2所述的超宽带高精度差分衰减器，其特征在于：所述差分简化式T型结构由两个相同的单端简化式T型结构构成，其单端半电路(200、600)由第一晶体管(201、601)和第一电阻(202、602)组成，其中：第一晶体管(201、601)的栅极接数字控制电压，漏极接第一电阻(202、602)的一端，源极与另一单端半电路(210、610)相接；第一电阻(202、602)的另一端连接于信号通路上。
5.根据权利要求2所述的超宽带高精度差分衰减器，其特征在于：所述差分电容补偿式T型结构由两个相同的单端电容补偿式T型结构构成，其单端半电路(300、500)由第二晶体管(301、501)、第二电阻(303、503)、第一电容(302、502)、第三电阻(304、504)、第四电阻(305、505)及第三晶体管(306、506)组成，其中：第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)并联，第二晶体管(301、501)的栅极接数字控制电压，漏极接第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)的一个公共端，源极与另一单端半电路(310、510)相接；第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)的另一个公共端分别接第三电阻(304、504)的一端和第四电阻(305、505)的一端，第三电阻(304、504)的另一端和第四电阻(305、505)的另一端分别连接于信号通路上；第三晶体管(306、506)的栅极接数字控制电压，漏极和源极分别连接于信号通路上。
6.根据权利要求2所述的超宽带高精度差分衰减器，其特征在于：差分电容补偿式Π型结构由两个相同的单端电容补偿式Π型结构构成，其单端半电路(100、400、700)由第四晶体管(101、401、701)、第五晶体管(102、402、702)、第五电阻(103、403、703)、第六电阻(104、404、704)、第二电容(105、405、705)、第三电容(106、406、706)、第七电阻(107、407、707)和第六晶体管(108、408、708)组成，其中：第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)并联，第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)并联；第四晶体管(101、401、701)的栅极接数字控制电压，漏极接第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的一个公共端，源极与另一单端半电路(110、410、710)相接；第五晶体管(102、402、702)的栅极接数字控制电压，漏极接第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的一个公共端，源极与另一单端半电路(110、410、710)相接；第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的另一个公共端、第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的另一个公共端分别连接于信号通路上，第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的另一个公共端、第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的另一个公共端之间还串接第七电阻(107、407、707)；第六晶体管(108、408、708)的栅极接数字控制电压，漏极和源极分别连接于信号通路上。
7.根据权利要求1所述的超宽带高精度差分衰减器，其特征在于：第一差分8dB衰减单元(100、110)、差分0.5dB衰减单元(200、210)、差分4dB衰减单元(300、310)、第二差分8dB衰减单元(400、410)、差分2dB衰减单元(500、510)、差分1dB衰减单元(600、610)和第三差分8dB衰减单元(700、710)中相邻两者之间插入第一至第十六电感(800、801、802、803、804、805、806、807、900、901、902、903、904、905、906、907)来进行阻抗匹配。
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