CN112202418A - 一种增益平坦化的数字无源移相器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增益平坦化的数字无源移相器，包括主移相器、缓冲器、增益平坦度调节放大器和数字控制电路，差分射频信号进入主移相器移相，然后经过缓冲器，再通过增益平坦度调节放大器调节增益平坦度并输出；数字控制信号同时输送给主移相器和数字控制电路，输送至主移相器的控制信号产生所需的相移，输送至数字控制电路的控制信号通过数字控制电路转换为控制增益平坦度调节放大器的增益平坦度控制信号。本申请通过增加数字控制电路、缓冲器和增益平坦度调节放大器，使整体电路在所有相移状态下的增益曲线保持平坦并趋于一致；主移相器的控制信号同时用于控制数字控制电路，因此该设计并不会额外增加控制接口，具有较高的集成度。

Description

一种增益平坦化的数字无源移相器

技术领域

本发明涉及射频微波集成电路设计领域，尤其涉及一种增益平坦化的数字无源移相器。

背景技术

移相器作为相控阵系统中的关键组成部分，对相控阵系统的性能起着决定性影响。由于一个相控阵系统在收发链路中均装备有大量移相器，因此低成本、低功耗、小体积、轻重量的移相器至关重要。传统的移相器多采用化合物工艺，其电子迁移率和无源器件的Q值较高，具有较低的插损，但成本较高。采用硅工艺则能够极大地降低成本，并且数字和模拟电路能够集成在同一个晶粒上，从而增加相控阵系统的集成度和可靠性。按照控制方式，移相器可分为模拟移相器和数字移相器。前者能提供连续变化的相移，且插损较低；后者能提供一组离散的相移，不易受控制电压上的噪声以及环境温度的影响，使用更为广泛。按照器件类型，移相器可分为有源移相器和无源移相器。前者具有较小面积；后者具有较低功耗、较大的动态范围和较高的线性度。

数字无源移相器一般采用开关网络级联而成，每一级都通过开关来切换高/带通支路或低通支路，两支路的相位差即该级的相移，通过控制各级的切换状态得到总相移。对于不同支路，其增益(对频率的)曲线不同：高通支路具有高通特性的增益曲线，即低频增益低、高频增益高；低通支路相反；带通支路具有带通特性的增益曲线，其在带内较为平坦。整体的增益曲线是各级增益曲线的叠加。因此该结构的缺点是在不同的切换状态下，增益曲线不能保持平坦和一致，导致移相器的工作带宽较窄，影响整个相控阵系统性能。

发明内容

为解决现有的技术问题，本发明提供了一种不增加系统插入损耗、不影响输入阻抗、不额外增加控制接口的具有平坦增益的数字无源移相器。

本发明具体内容如下：一种增益平坦化的数字无源移相器，包括主移相器、缓冲器、增益平坦度调节放大器和数字控制电路，差分射频信号进入主移相器移相，然后经过缓冲器，再通过增益平坦度调节放大器调节增益平坦度并输出；数字控制信号同时输送给主移相器和数字控制电路，输送至主移相器的控制信号产生所需的相移，输送至数字控制电路的控制信号通过数字控制电路转换为控制增益平坦度调节放大器的增益平坦度控制信号。

进一步的，所述主移相器包括两个半边电路，每个半边电路包括M级移相单元，各单元的移相值分别为180°，90°，……(180/2^M-1)°。

进一步的，每级移相单元包括高通/带通支路或者高通/低通支路，移相单元通过开关来选择支路，通过切换各级移相单元的状态实现从0°到360°步进为(180/2^M-1)°的相移。

进一步的，所述开关包括串联MOS管结构，每级移相单元分别对应一个控制位，当控制位为高电平时，对应的该级移相单元的高通支路或者带通支路选通，当控制位为低电平时，对应该级移相单元的低通支路选通。

进一步的，所述缓冲器包括MOS管M9～M12，电阻R1、R2和电容C1、C2；MOS管M9、M10的源极连接到MOS管M11、M12的漏极和电容C1，C2的正端，MOS管M9、M10的漏极接电源，MOS管M11、M12的源极接地、栅极接偏置电源V_bias；电阻R1，R2的正端接MOS管M9、M10的栅极，负端接电源；信号从M9、M10的栅极进入，从M9、M10的源极流出并经过电容C1、C2输出给后级电路。

进一步的，所述增益平坦度调节放大器包括反馈形式的共源放大器结构，通过负载端并联的开关电容调节高频增益，通过输入端串联的开关电容调节低频增益。

进一步的，增益平坦度调节放大器包括增益平坦度控制开关和增益平坦度调节电容，增益平坦度控制开关控制增益平坦度调节电容的旁路与选通。

进一步的，所述数字控制电路的输入信号为主移相器的控制信号，输出信号为增益平坦度调节放大器的开关控制信号，开关控制信号分别控制负载端并联的开关电容和输入端串联的开关电容。

本申请的增益平坦化的数字无源移相器，通过增加数字控制电路、缓冲器和增益平坦度调节放大器，使整体电路在所有相移状态下的增益曲线保持平坦并趋于一致；主移相器的控制信号同时用于控制数字控制电路，因此该设计并不会额外增加控制接口，具有较高的集成度；缓冲器使移相器不易受后级电路的影响，并使整体电路的输入阻抗保持不变；增益平坦度调节放大器不仅用于调节增益平坦度，也能弥补主移相器和缓冲器的插损，因此不会增加整体电路的插损。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本发明的增益平坦化的数字无源移相器的结构示意图；

图2为本发明中的主移相器原理图；

图3为本发明中的缓冲器原理图；

图4为本发明中的增益平坦度调节放大器原理图；

图5为本发明中的数字控制电路原理图；

图6为本发明整体电路和主移相器的增益对比仿真图；

图7为本发明整体电路和主移相器的相对增益均方根对比仿真图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开了一种增益平坦化的数字无源移相器，包括主移相器、缓冲器、增益平坦度调节放大器和数字控制电路。差分射频信号从主移相器进入，经过缓冲器和增益平坦度调节放大器达到输出，六位数字控制信号同时输送给主移相器和数字控制电路，前者用于产生所需的相移，后者通过数字控制电路产生一组控制信号并输送给增益平坦度调节放大器，控制其调节状态，其中：

主移相器，用于实现移相；由M级移相单元级联而成，每一级采用高/低通或带/低通结构；

缓冲器，用于隔离主移相器和增益平坦度调节放大器，给主移相器提供一个稳定负载；采用源极跟随器结构；

增益平坦度调节放大器，用于调节整体电路的增益平坦度，同时弥补主移相器和缓冲器的插损；该放大器通过在输入端串联开关电容以及在负载上并联开关电容来调节增益平坦度；

数字控制电路，用于控制增益平坦度调节放大器，使整体电路的增益曲线平坦化并趋于一致；数字控制电路由逻辑门电路组成。

本实施例优选的，如图2所示，主移相器采用全差分结构，包括两个相同的半边电路，射频信号Rf_in从两个半边电路经过后转换为输出信号RF_out。半边电路的结构如下：

包括级联的M级移相单元，各移相单元的移相值分别为180°，90°……(180/2^M-1)°，M取值一般为4～6。移相单元包括高/低通结构和带/低通结构，每个移相单元之间均通过开关控制。

本实施例中M取值为6，半边电路共有6级移相单元，按照信号的流动方向各移相单元的移相值分别为90°、45°、11.25°、5.625°、22.5°和180°。其中，90°和180°移相单元采用高/低通结构，其余单元采用带/低通结构。高通结构包括位于输入端和输出端之间的两个串联的电容以及设置在两电容之间接地的电感，低通结构包括位于输入端和输出端之间的电感以及设置在电感两端的接地的电容，带通结构包括位于输入端和输出端之间串联的电容和电感。每个移相单元对应一个控制位，共有V_b180、V_b90、V_b45、V_b22、V_bl1和V_b5六个控制位，分别与移相值为180°、90°、45°、22.5°、11.25°和5.625°的移相单元对应。

主移相器的开关包括两路，两路分别包括串-并联结构的MOS管，串联管用于控制支路通断，并联管用于提高反向隔离度。以45°移相单元两端的开关为例，其结构如下：

开关包括两路(上路和下路)，分别连接带通结构和低通结构。开关包括MOS管M1～M8，其中M1～M4为串联管，用于控制支路的通断，M5～M8为并联管，用于提高反向隔离度。MOS管M1～M8的栅极和衬底均各接一个大电阻，用于减小插损、提高线性度。上路中MOS管M1和M2，下路中MOS管M7和M8的栅极控制位为V_b45，上路中MOS管M5和M6，下路中MOS管M7和M8控制位为

当控制位V_b45为高电平时，M1、M2、M7和M8导通，M3、M4、M5和M6关断，该单元的上支路即带通支路选通、下支路即低通支路断开；当控制位为低电平时，M1、M2、M7和M8关断，M3、M4、M5和M6导通，该单元的上支路选通、下支路断开。

数字无源移相器结构功耗低、线性度高，且对控制电压上的噪声和环境温度不敏感；全差分结构能够抑制共模干扰并极大地减小地线对移相器性能的影响；主移相器采用全差分结构，半边电路由六级移相单元组成；每级移相单元均采用高/低通或带/低通结构，通过MOS开关切换状态；MOS开关采用串-并联结构，并联的管子用于提高反向隔离度；MOS开关中每个MOS管的栅极和衬底各接了一个大电阻，用于减小插损、提高线性度。

如图3所示，本实施例的缓冲器采用全差分的源极跟随器结构，包括MOS管M9～M12，电阻R1、R2和电容C1、C2。源极跟随管M9、M10的源极连接到电流源管M11、M12的漏极和输出隔直电容C1，C2的正端，M9、M10的漏极接电源，M11、M12的源极接地、栅极接偏置电源V_bias；偏置电阻R1，R2的正端接M9、M10的栅极，负端接电源；信号从M9、M10的栅极进入，从M9、M10的源极流出并经过隔直电容C1、C2输出给后级电路。

缓冲器缓冲器采用全差分源极跟随器结构，具有较高的隔离度，能够减小后级电路对主移相器的影响，为主移相器提供一个稳定负载，同时具有较强的带负载能力。

如图4所示，本实施例的增益平坦度调节放大器，采用反馈形式的共源放大器结构。图中M18～M23为增益平坦度控制开关，由V_ctr10、V_ctrl1和V_ctrl2控制通断，电容C5～C10为增益平坦度调节电容；M13和M14为共源放大管，提供跨导；M15和M16为Cascode管，用于提高增益、带宽和反向隔离度；M17为尾电流管，为放大器提供恒定电流，使其性能不易受工艺角、温度和电源电压的影响；R_F1和R_F2为反馈电阻；C3、C4、C_F1和C_F2为隔直电容，L1和L2为负载电感；

射频输入正极连到电容C7的正端和M20的源极，电容C7的负端与M20的漏极、M19的源极和C6的正端相连，C6的负端与M19的漏极和C3的正端相连，M19的栅极接V_ctrl1，M20的栅极接V_ctrl2。射频输入负极连到电容C10的正端和M23的源极，电容C10的负端与M23的漏极、M22的源极和C9的正端相连，C9的负端与M22的漏极和C4的正端相连，M22的栅极接V_ctrl1，M23的栅极接V_ctrl2。C3的负端与C_F1的正端和M13的栅极相连，C_F1的负端与R_F1的正端相连，RF1的负端与M15的漏极、C5的正端和L1的正端相连，M15的源极与M13的漏极相连。C4的负端与C_F2的正端和M14的栅极相连，C_F2的负端与R_F2的正端相连，RF2的负端与M16漏极、C8的正端和L2的正端相连，M16的源极与M14的漏极相连。M13和M14的源极共同连接到M17的漏极，M17的源极接地，M17的栅极接偏置电压V_bias1。M15和M16的栅极接电压V_bias2。L1和L2的负端接电源；C5的负端与M18的漏极相连，M18的源极接地，M18的栅极接控制电压V_ctrl0；C8的负端与M21的漏极相连，M21的源极接地，M21的栅极接控制电压V_ctrl0。

C5～C10分别由M18～M23控制，控制方式如下：当V_ctrl0为高电平，M18和M21导通，C5和C8接入电路，与负载电感谐振，此时放大器的高频增益较低；当V_ctrl0为低电平，则M18和M21关断，此时放大器的高频增益较高。当V_ctrl1为高电平，M19和M22导通，C6和C9被短路，此时电路的低频增益较高；当V_ctrl1为低电平，M19和M22关断，C6和C9接入电路，此时电路的低频增益较低。V_ctrl2对电路的控制与V_ctrl1类似，不再赘述。通过以上三个控制位来控制放大器的高低频增益，即控制其增益平坦度。

增益平坦度调节放大器采用带尾电流源的电阻反馈共源放大器结构。负载端并联的开关电容用于调节高频增益，输入端串联的开关电容用于调节低频增益；反馈结构使其具有较好的稳定性；尾电流管使放大器不易受工艺角、温度和电源电压的影响；Cascode管用于提高放大器的带宽、反相隔离度以及增益。

如图5所示，数字控制电路用于控制增益平坦度调节放大器，其输入为M(M＝6)为数字信号，该信号同时用于控制主移相器的相移；数字控制电路的输出为N(N＝3)位数字信号，用于控制增益平坦度调节放大器。

本实施例的数字控制电路中产生控制信号V_ctrl0、V_ctrl1、V_ctrl2的原理分别如图所示。控制位V_b22、V_b45、V_b180经过与门的输出以及控制位V_b45、

V_b180经过与门的输出，再通过与门输出得到控制信号V_ctrl0。控制位V_b22、V_b45、

经过与门的输出以及

再经过与门得到V_ctrl1。

V_b45与V_b90经过与门的输出、V_b5与V_b22与V_b45经过与门的输出、V_bl1与V_b22与V_b45经过与门的输出，四者再通过与门输出得到控制信号V_ctrl2。

数字控制电路，实现输入6位数字信号、输出3位数字信号，输出信号用于控制增益平坦度调节放大器。输入信号为主移相器的控制信号，从而决定了主移相器的增益(随频率的)曲线；输出的3位控制信号决定了增益平坦度调节放大器的增益曲线，该数字电路的作用是使得在所有移相状态下，放大器的增益曲线都能与主移相器的增益曲线互相补偿，使整体电路的增益曲线保持平坦并趋于一致。

本实施例中，主移相器的移相状态由六个控制位来控制，一共有2⁶＝64个状态，对应64条增益曲线，曲线之间存在差异，例如在某一频率下最大差值可能达到4～5dB，对于每一条增益曲线，增益平坦度调节放大器都有一条对应的增益曲线与之互相补偿，使整体电路的增益曲线保持相对平坦，同时保证整体电路的64条增益曲线之间的差异较小，曲线间的差异可用相对增益均方根来衡量，该值越小说明曲线之间的离散度越低，即曲线的一致性越好。通过以上说明可知：增益平坦度调节放大器应该有64个状态来与主移相器的64个状态一一对应，但实际上主移相器的64条曲线并不是任意两条之间差异都很大，即主移相器的多条曲线对应平坦度调节放大器的一条曲线，因此放大器的控制位不需要六位那么多，本实施例的放大器采用了三位进行控制。通过仿真和计算，可以得到最佳情况下(即整体电路增益曲线最平坦且曲线离散度最低)控制主移相器的六位控制位与控制放大器的三位控制位之间的真值表，根据真值表进行数字控制电路的设计。

最后对主移相器和整体电路分别进行仿真，增益曲线的仿真对比图如附图6所示，从图中可以看出整体电路的增益得到提升，且增益曲线的离散度变小，在低频更明显。相对增益的均方根值仿真对比图如附图7所示，该值反应了增益曲线的离散度，可以看出整体电路增益曲线的离散度基本在整个频带都小于主移相器，在低频下该值几乎减小一半，体现出本申请的优势。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：包括主移相器、缓冲器、增益平坦度调节放大器和数字控制电路，差分射频信号进入主移相器移相，然后经过缓冲器，再通过增益平坦度调节放大器调节增益平坦度并输出；数字控制信号同时输送给主移相器和数字控制电路，输送至主移相器的控制信号产生所需的相移，输送至数字控制电路的控制信号通过数字控制电路转换为控制增益平坦度调节放大器的增益平坦度控制信号。

2.根据权利要求1所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：所述主移相器包括两个半边电路，每个半边电路包括M级移相单元，各单元的移相值分别为180°，90°，……(180/2^M-1)°。

3.根据权利要求2所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：每级移相单元包括高通/带通支路或者高通/低通支路，移相单元通过开关来选择支路，通过切换各级移相单元的状态实现从0°到360°步进为(180/2^M-1)°的相移。

4.根据权利要求3所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：所述开关包括串联MOS管结构，每级移相单元分别对应一个控制位，当控制位为高电平时，对应的该级移相单元的高通支路或者带通支路选通，当控制位为低电平时，对应该级移相单元的低通支路选通。

5.根据权利要求1所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：所述缓冲器包括MOS管M9～M12，电阻R1、R2和电容C1、C2；MOS管M9、M10的源极连接到MOS管M11、M12的漏极和电容C1，C2的正端，MOS管M9、M10的漏极接电源，MOS管M11、M12的源极接地、栅极接偏置电源V_bias；电阻R1，R2的正端接MOS管M9、M10的栅极，负端接电源；信号从M9、M10的栅极进入，从M9、M10的源极流出并经过电容C1、C2输出给后级电路。

6.根据权利要求1所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：所述增益平坦度调节放大器包括反馈形式的共源放大器结构，通过负载端并联的开关电容调节高频增益，通过输入端串联的开关电容调节低频增益。

7.根据权利要求6所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：增益平坦度调节放大器包括增益平坦度控制开关和增益平坦度调节电容，增益平坦度控制开关控制增益平坦度调节电容的旁路与选通。

8.根据权利要求6所述的增益平坦化的数字无源移相器，其特征在于：所述数字控制电路的输入信号为主移相器的控制信号，输出信号为增益平坦度调节放大器的开关控制信号，开关控制信号分别控制负载端并联的开关电容和输入端串联的开关电容。

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