CN112104338B - 射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,前级电路输出的单端信号通过单端转差分无源巴伦转化为差分信号,经过RC正交网络的二阶多相滤波器产生四路I/Q正交信号,经对应的吉尔伯特单元对产生的四路I/Q正交信号提供增益并实现正交信号的矢量合成;合成后的信号经过有源巴伦转化为单端信号并通过相位精调VGA放大输出;采用七位数字控制码的高两位通过象限选择开关选择矢量合成象限,中间四位通过数控电流阵控制两个吉尔伯特单元电流大小实现矢量合成,最低位控制VGA中的开关电容来实现相位精调。本发明电路简单,功耗低,面积小,能够满足相控阵系统波束扫描要求。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域,具体涉及一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,应用于高精度有源移相器电路设计。
背景技术
移相器是相控阵系统中最重要的模块之一,在射频/毫米波领域应用广泛。通过移相器来控制波束成形,可以使相控阵阵列方向图的零点指向具有很强的抗干扰性,从而保证接收的有用信号不受干扰。移相器的移相误差过大会导致相控阵系统无法实现较为精确的波束指向角度,降低了信噪比,增大了系统对混频器以及后级处理模块动态范围的要求。此外较大的移相精度会导致波束变宽,为了达到既定功率大小,在同等传输距离下,宽波束较窄波束传输需要成倍的T/R单元或更大的功率放大器来进行补偿,增大了系统设计的复杂度。
目前已有部分高精度有源移相器的设计和研究工作。高精度移相器架构可分为两种,一种是两级可调可变增益放大器(Variable-Gain Amplifier,VGA)加单级移相的架构,另一种为二次移相架构。现有一种两级可调VGA架构,如图1所示。为了实现2.7°的移相精度,VGA需要提供18dB的可调范围,单级VGA无法满足要求,因此需要两级级联VGA,且IQ两路采用同样结构,导致占用更大面积。现有另一种二次移相架构,如图2所示。该设计采用两级矢量合成架构,需要采用6个VGA单元,前四个VGA单元用于移相相位的粗调,后两个VGA单元用于移相相位的精调。相位的合成采用控制I/Q路尾电流的大小进行,为了实现较高精度的移相,该设计需要采用更高分辨率的电流阵,由于阱临近效应(well proximity effect,WPE)及氧化层扩散长度效应(length of oxide diffusion,LOD)的影响很难满足高精度电流比例的要求,因此该设计会造成较大的RMS相位误差。
无源移相器由于其精度低,体积大等缺点面临着技术瓶颈,而传统的有源移相器在高精度移相的同时无法满足较为均匀的移相步进,会影响相控阵系统性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,将覆盖射频/毫米波频段,可提供360°范围内7-bit精度控制,移相精度达到2.8°,相比于其他高精度有源移相器架构,电路更简单,功耗更低,面积更小,满足相控阵系统波束扫描要求,可应用于卫星通讯,雷达,汽车驾驶辅助系统以及第五代移动通信技术5G。
本发明采用以下技术方案:
一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,包括输入无源巴伦,前级电路输出的单端信号通过输入无源巴伦的单端转差分巴伦转化为差分信号,经过RC正交网络的二阶多相滤波器产生四路I/Q正交信号,经对应的吉尔伯特单元对产生的四路I/Q正交信号提供增益并实现正交信号的矢量合成;合成后的信号经过有源巴伦转化为单端信号并通过相位精调VGA放大输出;采用七位数字控制码的高两位通过象限选择开关选择矢量合成象限,中间四位通过数控电流阵控制两个吉尔伯特单元电流大小,末位控制相位精调VGA中的开关电容。
具体的,相位精调VGA采用共源共栅极,栅极接有一位的开关电容阵,通过开关的切换完成相位细调。
进一步的,有源巴伦输出的单端信号作为移相精调VGA的输入信号;输入端分两路,一路经共栅级的偏置电阻Rb2接Vb2,另一路接M1管的栅极,M1管的源级接地,漏极接M2管的源级,M2管的漏极分两路,一路经AC耦合电容C3连接输出端,另一路经电感L1接VDD,M2管栅极分三路,一路经共源级的偏置电阻Rb1接VDD,第二路经电容C2接M3管的源级,第三路经电容C1后分两路,一路经电阻R1接地,另一路与M3管的漏极连接,M3管的栅极接控制位。
更进一步的,当控制位信号为低电平0时,M3管处于关断状态,电容C1作用于M2管的栅极,输出相位为现态相位。
更进一步的,当控制位信号为高电平1时,M3管导通,电容C1及电容C2共同作用于M2管的栅极,输出信号相位为次态相位,次态相位和现态相位差为2.8°。
具体的,7位高精度宽带有源移相器能够完成360°范围内步进2.8°的扫描精度。
本发明的另一个技术方案是,根据所述的射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器在卫星通讯、雷达、汽车驾驶辅助系统及第五代移动通信技术中的应用。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,本架构所采用的二次移相架构中的第二级为非矢量合成架构,不同于传统二次矢量合成架构。和传统高精度有源移相器架构中采用的两个VGA移相单元相比,减少了一个VGA单元,降低了电路功耗。
进一步的,相位精调VGA中的尾电阻R1抑制了现态-次态相位差在工作频段内的变化,拓展了工作带宽。
进一步的,相位精调VGA仅使用一位数控开关就能够提升1-bit相位精度,简化了数控单元设计,减小了芯片面积。
综上所述,本发明电路简单,功耗低,面积小,能够满足相控阵系统波束扫描要求。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为现有高精度移相器架构1;
图2为现有高精度移相器架构2;
图3为带有相位精调单元的19-24GHz高精度有源移相器系统架构图;
图4为移相精调VGA结构图;
图5为工作频段内有无R1现次态相位差图;
图6为单象限内相位响应图。
具体实施方式
请参阅图3,本发明提供了一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,包括输入无源巴伦、RC正交网络、吉尔伯特单元、有源巴伦、相位精调VGA、象限选择开关、数控电流阵、开关电容阵和七位数字控制码。
来自前级电路输出的单端信号通过输入无源巴伦的单端转差分巴伦转化为差分信号,经过RC正交网络的二阶多相滤波器产生四路I/Q正交信号,经吉尔伯特单元对产生的正交信号提供增益并实现正交信号的矢量合成,完成对信号的粗调;合成后的信号经过有源巴伦转化为单端信号并通过相位精调VGA放大输出;七位数字控制码中的高两位通过象限选择开关选择矢量合成象限,中间四位通过数控电流阵控制两个吉尔伯特单元电流大小,最低位用来控制相位精调VGA中的开关电容,相位精调VGA采用共源共栅极,栅极连接1比特位控制的开关电容阵,通过开关的切换完成相位的细调功能。
本发明高精度相位产生方式区别于传统的高精度有源移相器,具体为:
通过电流控制I/Q路增益来对移相相位进行粗调,避免了用电流阵列实现高精度控制的技术方案,简化了电流阵列电路的设计复杂度。
对I/Q两路电流比例的精度要求不高,比如传统高精度移相器要实现2.8°的移相,需要I/Q两路电流比例超过20:1,而本架构第一级只需要5.6°的移相,I/Q两路电流比例需要10:1,对基准电流进行复制的倍数减半,大大降低了WPE及LOD效应对流阵列电路所复制电流的精确度的影响。
经过吉尔伯特单元粗调后的信号精度已达到5.6°,为了进一步提高移相精度,粗调后的信号先经过有源巴伦转为单端信号,再经过VGA单元进行移相,和传统高精度移相器架构中采用的两个VGA移相单元相比,减少了一个VGA单元。一方面降低了电路功耗,另一方面采用数控开关电容在VGA级进行二次移相,使得移相器精度达到2.8°。
请参阅图4,为移相精调VGA结构,有源巴伦输出的单端信号作为移相精调VGA的输入信号;Rb1和Rb2分别为共源级和共栅级的偏置电阻,电感L1用于提升电路带宽,C3为AC耦合电容;电容C1提升了放大器的增益,电容C2的导通情况由开关管M3控制,电阻R1抑制工作频段内输出相位在M3管导通/关断时的相位斜率变化;具体连接为:移相精调VGA的输入端分两路,一路经共栅级的偏置电阻Rb2接Vb2,另一路接M1管的栅极,M1管的源级接地,漏极接M2管的源级,M2管的漏极分两路,一路经AC耦合电容C3连接输出端,另一路经电感L1接VDD,M2管栅极分三路,一路经共源级的偏置电阻Rb1接VDD,第二路经电容C2接M3管的源级,第三路经电容C1后分两路,一路经电阻R1接地,另一路与M3管的漏极连接,M3管的栅极接控制位。
当控制位信号为低电平0时,M3管处于关断状态,只有电容C1作用于M2管的栅极,此时的输出相位为现态相位。
当控制位信号变为高电平1时,M3管导通,电容C1及电容C2共同作用于M2管的栅极,此时的输出信号相位为次态相位,次态相位和现态相位差为2.8°,以实现7-bit移相精度要求。电阻R1抑制了现态-次态相位差在工作频段内的变化。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图5,为工作频段内有无电阻R1的现态-次态相位差的对比,可以看到,未加入电阻R1时,相位差为2.8°,但移相误差可达1.1°,而电路加入电阻R1可以将相位差控制在2.8±0.3°以内,大大降低了工作频段内相位RMS误差。
相位精调VGA结构结合前级的六位移相器,使得本架构能够完成360°范围步进约为2.8°的扫描精度。
移相器是相控阵系统中最重要的模块之一,通过移相器来控制波束成形,可以让阵列方向图的零点指向有很强的干扰信号方向,从而保证接受的有用信号不受干扰。对于较大相位误差的移相器,无法实现较为精确的波束指向角度,降低了信噪比,增大了系统对混频器和它后面模块动态范围的要求。本发明将应用于毫米波频段相控阵系统,以此来达到波束指向角的精准控制。本发明技术同样用于解决太赫兹波束赋形/波束对准技术中的超高精度移相器,实现太赫兹波束赋形过程中的快速和高精度波束对准。
请参阅图6,为工作频段内单象限内相位响应图,可以看到,各个移相状态全频段无交叠且分布均匀,经计算全频段相位RMS误差低于0.9°,本发明电路简单,功耗低,面积小。
综上所述,本发明一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,同现有技术相比,本发明在功耗电路复杂度以及相位RMS误差上都有明显优势,能够较好的满足卫星通讯,雷达,汽车驾驶辅助系统以及第五代移动通信技术等应用需求。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,其特征在于,包括输入无源巴伦,前级电路输出的单端信号通过输入无源巴伦的单端转差分巴伦转化为差分信号,经过RC正交网络的二阶多相滤波器产生四路I/Q正交信号,经对应的吉尔伯特单元对产生的四路I/Q正交信号提供增益并实现正交信号的矢量合成;合成后的信号经过有源巴伦转化为单端信号并通过相位精调VGA放大输出;采用七位数字控制码的高两位通过象限选择开关选择矢量合成象限,中间四位通过数控电流阵控制两个吉尔伯特单元电流大小,末位控制相位精调VGA中的开关电容;
相位精调VGA采用共源共栅极,栅极接有一位的开关电容阵,通过开关的切换完成相位细调;有源巴伦输出的单端信号作为移相精调VGA的输入信号;输入端分两路,一路经共栅级的偏置电阻Rb2接Vb2,另一路接M1管的栅极,M1管的源级接地,漏极接M2管的源级,M2管的漏极分两路,一路经AC耦合电容C3连接输出端,另一路经电感L1接VDD,M2管栅极分三路,一路经共源级的偏置电阻Rb1接VDD,第二路经电容C2接M3管的源级,第三路经电容C1后分两路,一路经电阻R1接地,另一路与M3管的漏极连接,M3管的栅极接控制位。
2.根据权利要求1所述的射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,其特征在于,当控制位信号为低电平0时,M3管处于关断状态,电容C1作用于M2管的栅极,输出相位为现态相位。
3.根据权利要求1所述的射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,其特征在于,当控制位信号为高电平1时,M3管导通,电容C1及电容C2共同作用于M2管的栅极,输出信号相位为次态相位,次态相位和现态相位差为2.8°。
4.根据权利要求1所述的射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器,其特征在于,7位高精度宽带有源移相器能够完成360°范围内步进2.8°的扫描精度。
5.根据权利要求1所述的射频/毫米波频段用7位高精度宽带有源移相器在卫星通讯、雷达、汽车驾驶辅助系统及第五代移动通信技术中的应用。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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