CN112653423A

CN112653423A - 一种新型低相移数控衰减器

Info

Publication number: CN112653423A
Application number: CN202011487567.8A
Authority: CN
Inventors: 康凯; 冷斌; 吴韵秋; 赵晨曦; 刘辉华; 余益明
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112653423B

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及相控阵系统中的衰减器，具体提供一种新型低相移数控衰减器，用以解决现有衰减器存在的附加相移大的问题。本发明采用两级衰减单元的设计，即由小衰减单元1和大衰减单元2组成；对于小衰减单元，采用尾接式电容(C1、C2)的方法进行相位优化；对于大衰减单元，使用相位调整电容(C3、C4)以及相位平移补偿单元组成的相位补偿结构使其能够显著减小衰减态与参考态的相位误差；通过所述两种相位优化手段的结合，使得本发明低相移数控衰减器能够有效提高衰减器相移平坦度、并减小衰减器的附加相移，同时能够显著优化衰减器的相位误差，拓展带宽。

Description

一种新型低相移数控衰减器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及相控阵系统中的衰减器，具体提供一种新型低相移数控衰减器。

背景技术

随着无线技术的高速发展和应用场景的多样化，加上集成电路产业工艺的巨大提升，收发模块的小型集成化已成为趋势，对高性能收发芯片的研究与开发已成为学术界与工业界的热点。为实现快速的波束成形和波束扫描，相控阵系统被广泛地运用于雷达和通信系统中的接收端和发射端。作为一种信号增益控制电路，衰减器被广泛应用于相控阵系统中，相控阵系统中的衰减器一般需要满足以下基本要求：第一、需要较高的衰减精度和较大的衰减动态范围，第二、需要稳定的相位变化以实现目标的准确追踪，第三、需要较低的损耗以减小信号通道增益的压力，第四、需要物理尺寸紧凑以满足庞大数量T/R组件的应用。

目前，传统的开关内嵌式衰减器被广泛应用于相控阵中，其电路原理图如图1所示，其基本技术原理为：通过控制信号Q来控制开关管M1～M6，M1、M4导通，M2、M3、M5、M6关闭时衰减器处于参考态，衰减器具有最小损耗；M1、M4关闭，M2、M3、M5、M6导通时，衰减器处于衰减态，衰减器的衰减量由两种状态的插入损耗差决定。这种结构具有较小的面积和大的衰减范围，但是其附加相移相对较大。为了解决该问题，一种相位补偿结构的衰减器被研究者提出，其电路原理图如图2所示，其在传统开关内嵌式衰减器结构基础上，讲电容C1～C4尾接于衰减通路上，用以调节衰减态的相位，可以使附加相移在窄带内大大减小。

然而，上述两种衰减器结构依然存在附加相移大的问题，1)由于衰减器内部的开关管的寄生电容，衰减器在不同的工作状态之间切换的时候，传输相位也会随着幅度的改变而产生变化；2)对于尾接式电容的相位补偿结构来说，无法优化大衰减量的衰减单元所带来的更大的相位误差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有衰减器存在的附加相移大的问题，提供一种新型低相移数控衰减器；本发明采用两种不同的相位优化方法共同组成了一种新型结构的数控衰减器，能够有效提高衰减器相移平坦度并减小衰减器的附加相移。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型低相移数控衰减器，由小衰减单元1和大衰减单元2组成；其特征在于，

所述小衰减单元1包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、尾接式电容C1及尾接式电容C2；其中，电阻R1与NMOS管M1并联成为信号通路，NMOS管M1的栅极连接控制信号Q；NMOS管M2的漏极通过电阻R2接向NMO S管M1的源极，NMOS管M3的漏极通过电阻R3接向NMOS管M1的漏极，NMOS管M2、M3的源极分别通过尾接式电容C1、C2接地，NMOS管M2、M3的栅极均连接控制信号

NMOS管M1、M2、M3的衬底均接地；

所述大衰减单元2由开关内嵌式Π型衰减器和相位平移补偿单元组成，其中，

所述开关内嵌式Π型衰减器包括：NMOS管M4、NMOS管M5、NMOS管M6、电阻R4、电阻R5、电阻R6、并接式电容C3及并接式电容C4；电阻R4与NMOS管M4并联成为信号通路，NMOS管M4的栅极连接控制信号Q；NMOS管M5的漏极通过电阻R5接向N MOS管M4的源极，NMOS管M6的漏极通过电阻R6接向NMOS管M4的漏极，NMOS管M5、M6的源极均接地，NMOS管M5、M6的栅极均连接控制信号

NMOS管M4、M5、M6的衬底均接地；所述并接式电容C3并接于电阻R5两端，所述电容C4并接于电阻R6两端；

所述相位平移补偿单元包括：NMOS管M7、NMOS管M8及连接电容C6；NMOS管M7、M8的源极均接地，NMOS管M7的栅极连接控制信号Q，NMOS管M8的栅极连接控制信号

NMOS管M7的漏极连向信号通路，NMOS管M8的漏极通过连接电容C6连向信号通路，NMOS管M7、M8的衬底均接地。

进一步的，所述小衰减单元1与大衰减单元2之间的匹配电路采用电感L1，电感L1串接于信号通路上；所述大衰减单元中，开关内嵌式Π型衰减器和相位平移补偿单元之间的匹配电路由电感L2、电容C5组成，电感L2串接于信号通路上，电容C5一端接于电感L2与相位平移补偿单元之间、另一端接地。

进一步的，所述低相移数控衰减器中，NMOS管M1～NMOS管M8均采用交流浮栅浮体技术，即栅极通过电阻接控制电压、衬底通过电阻接地。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种新型低相移数控衰减器，采用两级衰减单元的设计，即由小衰减单元1和大衰减单元2组成；对于小衰减单元，采用尾接式电容(C1、C2)的方法进行相位优化；对于大衰减单元，使用相位调整电容(C3、C4)以及相位平移补偿单元组成的相位补偿结构使其能够显著减小衰减态与参考态的相位误差；通过所述两种相位优化手段的结合，使得本发明低相移数控衰减器能够有效提高衰减器相移平坦度、并减小衰减器的附加相移，同时能够显著优化衰减器的相位误差，拓展带宽。

附图说明

图1为传统开关内嵌式衰减器的电路原理图。

图2为现有尾接式电容相位补偿结构衰减器的电路原理图。

图3为本发明提供低相移数控衰减器的电路原理图。

图4为传统开关内嵌式衰减器的相位差随频率的变化曲线。

图5为本发明实施例中扫描C3和C4不同电容值时第二开关内嵌式Π型衰减器的相位图。

图6为本发明实施例中并接式电容C3与C4容值优化后第二开关内嵌式Π型衰减器相位差随频率的变化曲线。

图7为本发明实施例中所述相位平移补偿单元的移相幅度曲线。

图8为本发明实施例中低相移数控衰减器与传统开关内嵌式的相位差仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种低相移数控衰减器，衰减器的衰减单元由两类构成，小衰减单元由开关内嵌式Π型衰减器以及尾接式电容组成，尾接式电容的相位补偿功能可以基本消除小衰减单元的相位误差，大衰减单元由开关内嵌式Π型衰减器以及相位调整结构和相位平移补偿单元组成，保证在大衰减量时相位误差基本消除。

所述低相移数控衰减器的电路结构如图3所示，主要由小衰减单元1和大衰减单元2两部分组成，其中，所述小衰减单元由第一开关内嵌式Π型衰减器构成，所述大衰减单元2由第二开关内嵌式Π型衰减器3与相位平移补偿单元4构成；另外，小衰减单元1与大衰减单元2之间匹配电路由电感L1构成，大衰减单元2中第二开关内嵌式Π型衰减器3与相位平移补偿单元4之间匹配电路由电感L2、电容C5组成。

下面结合工作原理对本实施例中低相移数控衰减器的电路结构进一步说明：

(1)小衰减单元

所述第一开关内嵌式Π型衰减器包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、尾接式电容C1及尾接式电容C2；其中，电阻R1与NMOS管M1并联成为信号通路，NMOS管M1的源极、漏极接在信号通路上，NMOS管M1的栅极通过电阻r1连向控制信号Q，NMOS管M1的衬底通过电阻r2接地；NMOS管M2的漏极通过电阻R2接向NMOS管M1的源极，NMOS管M3的漏极通过电阻R3接向NMOS管M1的漏极，NMOS管M2、M3的源极分别通过尾接式电容C1、C2接地，NMOS管M2、M3的栅极分别通过电阻r3、r6连向控制信号

NMOS管M2、M3的衬底分别通过电阻r4、r5接地。

上述结构中，通过合理设计C1、C2的值，能够减小衰减器的相位误差，而电阻R2、R3、R1的取值与NMOS管M3、M2的尺寸大小决定着衰减单元的衰减量大小。

(2)大衰减单元

所述第二开关内嵌式Π型衰减器3包括：NMOS管M4、NMOS管M5、NMOS管M6、电阻R4、电阻R5、电阻R6、并接式电容C3及并接式电容C4；其中，电阻R4与NMOS管M4并联成为信号通路，NMOS管M4的源极、漏极接在信号通路上，NMOS管M4的栅极通过电阻r7连向控制信号Q，NMOS管M4的衬底通过电阻r8接地；NMOS管M5的漏极通过电阻R5接向NMOS管M4的源极，NMOS管M6的漏极通过电阻R6接向NMOS管M4的漏极，NMOS管M5、M6的源极均接地，NMOS管M5、M6的栅极分别通过电阻r9、r12连向控制信号

NMOS管M5、M6的衬底分别通过电阻r10、r11接地；所述并接式电容C3并接于电阻R5两端，所述电容C4并接于电阻R6两端。

如图4所示，在传统的开关内嵌式衰减器结构中，相位差随着频率的变化非常大，为了改善衰减器相位差的平坦度，本发明中引入了并接式C3、C4，如图5所示为扫描C3和C4不同电容值时衰减器两种状态的相位图，斜直线代表参考态相位，点段曲线代表衰减态相位，可以看到并联电容对衰减态相位影响明显，通过选取合适的电容值可以在一定频带内使衰减态相位和参考态相位曲线的斜率相等，也就是说一定频带内的相位差基本不变；如图6所示为本实施例中优化后第二开关内嵌式Π型衰减器相位差，对比图4可以看出频带内的相位差平坦度从1.5°优化至0.3°。

所述相位平移补偿单元4包括：NMOS管M7、NMOS管M8及连接电容C6；其中，N MOS管M7、NMOS管M8的源极分别接地，NMOS管M7、NMOS管M8的衬底分别通过电阻r14、r16连向地，NMOS管M7的栅极通过电阻r13连向控制信号Q，NMOS管M8的栅极通过电阻r14连向控制信号

NMOS管M7的漏极直接连向信号通路，NMOS管M8的漏极通过连接电容C6连向信号通路；当控制信号Q接低电平、

接高电平时，此时衰减器处于衰减态，而相位平移补偿单元4的NMOS管M8导通，配合电容C6形成并联支路上的高通网络，实现相位平移补偿功能，如图7所示为移相幅度曲线。

综上所述，本发明采用两种不同优化相位的方法设计了一种新型低相移数控衰减器，对于小衰减单元采用尾接式电容的方法进行优化相位，而大衰减单元使用相位调整电容以及相位平移补偿单元组成的相位补偿结构显著减小衰减态与参考态的相位误差，如图8所示为本发明与传统开关内嵌式的相位差仿真对比图，可明显看出本发明中低相移数控衰减器在带宽内相位误差基本在0°左右，相位误差显著优化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种新型低相移数控衰减器，由小衰减单元1和大衰减单元2组成；其特征在于，

所述小衰减单元1包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、尾接式电容C1及尾接式电容C2；其中，电阻R1与NMOS管M1并联成为信号通路，NMOS管M1的栅极连接控制信号Q；NMOS管M2的漏极通过电阻R2接向NMOS管M1的源极，NMOS管M3的漏极通过电阻R3接向NMOS管M1的漏极，NMOS管M2、M3的源极分别通过尾接式电容C1、C2接地，NMOS管M2、M3的栅极均连接控制信号

NMOS管M1、M2、M3的衬底均接地；

所述开关内嵌式Π型衰减器包括：NMOS管M4、NMOS管M5、NMOS管M6、电阻R4、电阻R5、电阻R6、并接式电容C3及并接式电容C4；电阻R4与NMOS管M4并联成为信号通路，NMOS管M4的栅极连接控制信号Q；NMOS管M5的漏极通过电阻R5接向NMOS管M4的源极，NMOS管M6的漏极通过电阻R6接向NMOS管M4的漏极，NMOS管M5、M6的源极均接地，NMOS管M5、M6的栅极均连接控制信号

2.按权利要求1所述低相移数控衰减器，其特征在于，所述小衰减单元1与大衰减单元2之间的匹配电路采用电感L1，电感L1串接于信号通路上；所述大衰减单元中，开关内嵌式Π型衰减器和相位平移补偿单元之间的匹配电路由电感L2、电容C5组成，电感L2串接于信号通路上，电容C5一端接于电感L2与相位平移补偿单元之间、另一端接地。

3.按权利要求1所述低相移数控衰减器，其特征在于，所述低相移数控衰减器中，NMOS管M1～NMOS管M8均采用交流浮栅浮体技术。