CN113114146B - 宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器 - Google Patents

宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，包括：第一级反馈式可变增益单元、第二级反馈式可变增益单元以及第一级开关衰减模块、第二级开关衰减模块；所述第一级开关衰减模块输入端连接在所述第一级反馈式可变增益单元的输出端，所述第二级开关衰减模块的输入端连接在所述的第二级反馈式可变增益单元的输出端。本发明的VGA可以根据系统的增益和附加相移要求合理分配放大器的增益以及开关衰减器的衰减量和衰减位数，因此可以适用于多种系统应用中。本发明的该VGA可以根据系统对噪声、线性度以及输入输出反射系数的要求调整衰减器的位置，按需权衡VGA整体的性能指标。

Description

宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器
技术领域
本发明涉及可变增益放大器技术领域，特别是涉及一种可用于相控阵通信系统的的宽动态调节范围、低附加相移可变增益放大器。
背景技术
无线通信设备对传输速率的要求日益提高，无线通信出现了频率资源匮乏、“交通拥挤”等问题。采用毫米波频段实现超高速率点对点通信是一个绝佳的解决方案，5G毫米波通信系统的研究也引发了广泛的关注。
5G毫米波通信系统中，高集成度的相控阵因其具有高方向性、电子波束控制、抗干扰能力强以及高信噪比等优势，已成为热点研究领域。相控阵通过波束扫描来模拟定向天线，确定辐射方向。如图1所示，通过控制每一路信号的幅值和相位，便可将多路信号合成为一路形成主瓣，提高主瓣的信号强度，同时减小旁瓣的信号幅值。如此便可以提高辐射方向性，减少发射机发射功率的浪费，同时还提高了系统的抗干扰能力。
作为相控阵的一个不可或缺的单元，VGA的动态调节范围、附加相移等性能对相控阵整体的扫描精度、方向控制等性能有着不容忽视的影响。相控阵的各个阵元需要通过VGA来控制信号幅值，增大主瓣信号幅值，因此需要VGA具有足够的动态调节范围来满足信号幅值控制的需求。
除此之外，在这个增益调节的过程中理想情况下应保证VGA引入的相移是个常量，否则反而会增大旁瓣的信号幅值，降低相控阵扫描精度。增益调节过程中VGA的相位变化范围即VGA的附加相移，因此在设计过程中应通过一定措施尽量较小附加相移，保证VGA的附加相移足够小。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种宽动态调节范围、低附加相移可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA，以下称为VGA)，具体的是由开关衰减器与VGA组合实现的一种宽动态调节范围、低附加相移的新型VGA。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，包括：
第一级反馈式可变增益单元、第二级反馈式可变增益单元以及第一级开关衰减模块、第二级开关衰减模块；所述第一级开关衰减模块输入端连接在所述第一级反馈式可变增益单元的输出端，所述第二级开关衰减模块的输入端连接在所述的第二级反馈式可变增益单元的输出端，在3～11GHz频带内实现-20～12dB的增益控制范围以及不同增益状态下的附加相移小于±5°。
优选的，所述第一级开关衰减模块的衰减量是所述第二级开关衰减模块的衰减量的50％。
优选的，所述第一级开关衰减模块的衰减量为8dB,所述第二级开关衰减模块的衰减量为16dB，通过两级开关衰减模块向下拓展24dB的增益调节范围；所述第一级反馈式可变增益单元及第二级反馈式可变增益单元共同覆盖8dB增益调节范围。
优选的，构成所述第一级开关衰减模块与所述第二级开关衰减模块的开关衰减器，包括四个MOS管M1～M4和三个电阻RT1～RT3，其中，MOS管M3的漏极和MOS管M4的源极相连并与MOS管M2的栅极相接，MOS管M3的源极接Vcc,MOS管M4的漏极与电阻RT3的一端相接后接地，MOS管M3和MOS管M4的栅极相接后接MOS管M1的栅极并共同接控制信号Vc，MOS管M2的漏极接电阻RT3的另一端，MOS管M2的源极接在串联的电阻RT1电阻RT2之间，电阻RT1的另一端接MOS管M1的漏极后接输入IN，电阻RT2的另一端接MOS管M1的源极后接输出OUT；
其中，MOS管M3和MOS管M4组成一个反相器，参与开关衰减器状态控制；MOS管M1和MOS管M2作为两个开关管，与电阻RT1～RT3共同组成开关衰减器的核心电路；
当控制信号Vc为1.2V时，MOS管M1导通，MOS管M2关断，开关衰减器处于直通状态，开关管的插损即开关衰减器引入的插损；
当Vc为0V时，MOS管M1关断，MOS管M2导通，开关衰减器处于衰减状态，电阻RT1～RT3组成的T型电阻网络对流过该电阻网络的信号产生固定衰减量；
通过调整MOS管M1和M2的尺寸和电阻RT1～RT3的电阻值使得两个开关衰减器直通状态的插损和衰减状态的衰减量分别相差8dB和16dB。
优选的，构成所述第一级反馈式可变增益单元、第二级反馈式可变增益单元的可变增益放大器设置有反馈通路，基极电阻Rb；
反馈通路由电容Cf，电阻Rf和电感Lf依次串联组成，电容Cf在反馈通路中起隔直作用，以防输入端和输出端的直流状态相互影响；
电阻Rf用于使反馈通路在低频处产生较强的负反馈，拉低低频增益；当频率升高时，电感Lf使得反馈逐渐减弱，提高高频增益，从而获得更宽的带宽；
基极电阻Rb的一端与电容Cf的另一端连接后与一个三极管的基极连接并作为可变增益放大器的信号输入端，另一端与基极偏置电压Vb1连接，用于给可变增益放大器提供合适偏置状态，通过控制Vb1即可实现增益控制；
所述三极管的集电极作为可变增益放大器的输出端与电感Lf另一端相接后与直流反馈电感Dcfeed的一端相接、其发射极接地；两个可变增益放大器的直流反馈电感Dcfeed的另一端相接后接Vdd。
优选的，所述第一级反馈式可变增益单元的输入端设置有第一T型匹配网络，所述第二级反馈式可变增益单元的输出端设置有第二T型匹配网络。
优选的，所述第一T型匹配网络包括电感LT1，电感LT2以及电容CT1，电感LT1，电感LT2串联，电容CT1的一端接在电感LT1与电感LT2之间、另一端接地，电感LT1另一端作为第一T型匹配网络的输入端而接输入电容Cin的输出端，所述输入电容Cin的输入端接输入信号，所述电感LT2作为第一T型匹配网络的输出端。
优选的，所述第二T型匹配网络包括电感LT3，电感LT4以及电容CT2，电感LT3，电感LT4串联，电容CT2的一端接在电感LT3与电感LT4之间、另一端接地，电感LT3另一端作为第二T型匹配网络的输入端，电感LT4另一端作为第二T型匹配网络的输出端。
优选的，所述第一级开关衰减模块的输入端接隔直电容C1的一端，所述隔直电容C1的另一端接所述第一级反馈式可变增益单元的输出端；所述第一级开关衰减模块的输出端接隔直电容C2的一端，所述的隔直电容C2的另一端与所述第二级反馈式可变增益单元的输入端相接；
所述第二级开关衰减模块的输入端接隔直电容C3的一端，所述隔直电容C3的另一端与第二T型匹配网络的输出端相接，所述第二级开关衰减模块的输出端接输出电容Cout的一端，所述输出电容Cout的另一端输出信号。
优选的，所述隔直电容C1的另一端通过一个用以减小偏置变化带来的相位变化的级间串联电感L1与所述第一级反馈式可变增益单元的输出端连接。
本发明的VGA可以根据系统的增益和附加相移要求合理分配放大器的增益以及开关衰减器的衰减量和衰减位数，因此可以适用于多种系统应用中。
本发明的该VGA可以根据系统对噪声、线性度以及输入输出反射系数的要求调整衰减器的位置，按需权衡VGA整体的性能指标。
本发明的该VGA拓扑结构简单，可以通过简单的放大器以及衰减器结构实现低附加相移，不需要过多的附加电路做相位补偿。
附图说明
图1是相控阵相位扫描工作原理示意图。
图2是本发明实施例提供的VGA原理结构图。
图3是本发明实施例提供的开关衰减器原理图。
图4是发明实施例提供的VGA增益动态调节范围仿真结果。
图5)是发明实施例提供的VGA附加相移仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的宽动态调节范围、低附加相移VGA可以通过以下步骤实现：
第一步：根据通信系统中的VGA增益及带宽需求，结合噪声和线性度要求，确定VGA电路结构；经过仿真软件仿真验证及调试，给出元件参数以及增益动态调节范围等VGA指标，确定不同增益范围对应的附加相移。
第二步：根据系统分配的增益动态调节范围、线性度要求和第一步得到的VGA性能指标分配放大器增益调节范围以及开关衰减器衰减量、衰减位数；选择合适的结构实现开关衰减器。
第三步：综合考虑衰减器对VGA的噪声、线性度以及输入输出匹配的影响综合考虑与系统应用对应的最合适的级联顺序，将VGA和开关衰减器级联，实现一个低附加相移的VGA。
本发明的实施例中，开关衰减器具有直通和衰减两种工作状态，可由一个控制信号控制两种状态之间的切换；直通状态不衰减，仅引入开关的插损；衰减状态产生固定的衰减量，减小电路的整体增益。
本发明的实施例，在3～11GHz频带内实现-20～12dB的增益控制范围以及不同增益状态下的附加相移小于±5°。如图2所示，该VGA的整体拓扑是两个反馈式可变增益单元和两个开关衰减器级联结构。其中两个反馈式可变增益单元共同覆盖了8dB的增益调节范围，两个开关衰减器拓展了24dB的增益调节范围，共同实现32dB的增益调节范围。具体设计步骤如下：
第一步：根据3～11GHz的带宽要求选择反馈式结构实现图2中的两个反馈式可变增益单元。
在该可变增益单元中，反馈通路由电阻Rf电容Cf和电感Lf组成，其中电容Cf在反馈通路中起隔直作用，以防输入端和输出端的直流状态相互影响，因此在交流小信号模型中可以忽略Cf。
由于Rf的存在，反馈通路在低频处产生较强的负反馈，拉低低频增益；当频率升高时，电感Lf的存在使得反馈逐渐减弱，提高高频增益，从而获得更宽的带宽。
其中，Rb和Vbi(i＝1,2)分别是基极电阻和两个可变增益单元的基极偏置电压，用于给可变增益单元提供合适的偏置状态，通过控制Vbi(i＝1,2)即可实现增益控制。
另外，为了优化输入输出反射系数，分别在第一级可变增益单元的输入端和第二级可变增益单元的输出端放置了T型匹配网络，T型匹配网络与输入/输出电容共同构成了四阶低通滤波器，再分别与输入/输出电容Cin和Cout共同产生带通响应，在VGA的输入端和输出端实现了良好的宽带匹配。
通过loadpull、S参数仿真以及大信号仿真确定管子尺寸以及电路元件参数后，分别记录8～12dB、4～12dB、-4～12dB以及-20～12dB的最大附加相移。
第二步：根据第一步记录的最大附加相移以及附加相移要求分别给放大器和开关衰减器分配增益动态调节范围。
其中放大器分配4～12dB的增益调节范围，通过两级开关衰减器向下拓展24dB的增益调节范围；两个开关衰减器衰减量分别为8dB和16dB，通过如图3所示的开关衰减器结构实现。
开关衰减器包含了四个MOS管和三个电阻，其中M3和M4组成一个反相器，参与开关衰减器的状态控制。M1和M2作为两个开关管，与电阻RT1～RT3共同组成开关衰减器的核心电路。
当控制信号Vc为1.2V时，M1导通，M2关断，开关衰减器处于直通状态，开关管的插损即开关衰减器引入的插损；当Vc为0V时，M1关断，M2导通，开关衰减器处于衰减状态，RT1～RT3组成的T型电阻网络对流过该电阻网络的信号产生固定衰减量。
通过调整M1和M2的尺寸和RT1～RT3的电阻值使得两个开关衰减器直通状态的插损和衰减状态的衰减量分别相差8dB和16dB即可实现开关衰减器的功能。
第三步：综合考虑衰减器对噪声系数以及线性度的要求选择开关衰减器的位置。若衰减器放置在两级放大器的输入端，由于开关衰减器在不衰减状态也会引入插损，开关衰减器将会对VGA噪声系数造成很大影响；而如果将两位衰减器放置于输出端，将会优化VGA输出匹配，但衰减器的插损会导致VGA在最高增益下的OP1dB(1dB压缩点输出功率，以下简称OP1dB)无法满足系统需求。
最终如图3所示，将两个开关衰减器分别放置于第一级和第二级可变增益单元的输出端；第一级输出端的开关衰减器对VGA最高增益状态下的噪声系数和OP1dB几乎没有影响，输出端衰减器对输出反射系数有所优化。
图3中，C1～C3均为隔直电容，防止衰减器对可变增益单元的直流工作点产生影响；L1是级间串联电感，可以减小偏置变化带来的相位变化，进一步优化附加相移。
如图4-图5所示是VGA的动态调节范围及附加相移的仿真结果，增益变化范围是-20～12dB，不同增益下附加相移小于±5°。
本发明的宽动态调节范围、低附加相移VGA，利用VGA和开关衰减器组合结构在保证整个电路具备足够大的增益控制范围的同时减小VGA的偏置变化范围，减小不同增益下的附加相移。
本发明在满足噪声以及线性度要求的VGA结构基础上，通过附加开关衰减器，实现了拓宽增益动态调节范围以及减小附加相移的目的；可用于相控阵通信系统中，具有较好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，包括：
第一级反馈式可变增益单元、第二级反馈式可变增益单元以及第一级开关衰减模块、第二级开关衰减模块；第一级反馈式可变增益单元、第一级开关衰减模块、第二级反馈式可变增益单元、第二级开关衰减模块依次串联实现级联，所述第一级开关衰减模块输入端连接在所述第一级反馈式可变增益单元的输出端，所述第一级开关衰减模块输出端接第二级反馈式可变增益单元的输入端，所述第二级开关衰减模块的输入端连接在所述的第二级反馈式可变增益单元的输出端，共同实现了在3～11GHz频带内实现-20～12dB的增益控制范围以及不同增益状态下的附加相移小于±5°；
构成所述第一级开关衰减模块与所述第二级开关衰减模块的开关衰减器包括四个MOS管M1～M4和三个电阻RT1～RT3，其中，MOS管M3的漏极和MOS管M4的源极相连并与MOS管M2的栅极相接，MOS管M3的源极接Vcc,MOS管M4的漏极与电阻RT3的一端相接后接地，MOS管M3和MOS管M4的栅极相接后接MOS管M1的栅极并共同接控制信号Vc，MOS管M2的漏极接电阻RT3的另一端，MOS管M2的源极接在串联的电阻RT1电阻RT2之间，电阻RT1的另一端接MOS管M1的漏极后接输入IN，电阻RT2的另一端接MOS管M1的源极后接输出OUT；
其中，MOS管M3和MOS管M4组成一个反相器，参与开关衰减器状态控制；MOS管M1和MOS管M2作为两个开关管，与电阻RT1～RT3共同组成开关衰减器的核心电路；
当控制信号Vc为1.2V时，MOS管M1导通，MOS管M2关断，开关衰减器处于直通状态，开关管的插损即开关衰减器引入的插损；
当Vc为0V时，MOS管M1关断，MOS管M2导通，开关衰减器处于衰减状态，电阻RT1～RT3组成的T型电阻网络对流过该电阻网络的信号产生固定衰减量；
通过调整MOS管M1和M2的尺寸和电阻RT1～RT3的电阻值使得两个开关衰减器直通状态的插损和衰减状态的衰减量分别相差8dB和16dB。
2.根据权利要求1所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述第一级开关衰减模块的衰减量是所述第二级开关衰减模块的衰减量的50％。
3.根据权利要求1所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述第一级开关衰减模块的衰减量为8dB,所述第二级开关衰减模块的衰减量为16dB，通过两级开关衰减模块向下拓展24dB的增益调节范围；所述第一级反馈式可变增益单元及第二级反馈式可变增益单元共同覆盖8dB增益调节范围。
4.根据权利要求1所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，构成所述第一级反馈式可变增益单元、第二级反馈式可变增益单元的可变增益放大器设置有反馈通路，基极电阻Rb；
反馈通路由电容Cf，电阻Rf和电感Lf依次串联组成，电容Cf在反馈通路中起隔直作用，以防输入端和输出端的直流状态相互影响；
电阻Rf用于使反馈通路在低频处产生较强的负反馈，拉低低频增益；当频率升高时，电感Lf使得反馈逐渐减弱，提高高频增益，从而获得更宽的带宽；
基极电阻Rb的一端与电容Cf的另一端连接后与一个三极管的基极连接并作为可变增益放大器的信号输入端，另一端与基极偏置电压Vb1连接，用于给可变增益放大器提供合适偏置状态，通过控制Vb1即可实现增益控制；
所述三极管的集电极作为可变增益放大器的输出端与电感Lf另一端相接后与直流反馈电感Dcfeed的一端相接、其发射极接地；两个可变增益放大器的直流反馈电感Dcfeed的另一端相接后接Vdd。
5.根据权利要求1所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述第一级反馈式可变增益单元的输入端设置有第一T型匹配网络，所述第二级反馈式可变增益单元的输出端设置有第二T型匹配网络。
6.根据权利要求5所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述第一T型匹配网络包括电感LT1，电感LT2以及电容CT1，电感LT1，电感LT2串联，电容CT1的一端接在电感LT1与电感LT2之间、另一端接地，电感LT1另一端作为第一T型匹配网络的输入端而接输入电容Cin的输出端，所述输入电容Cin的输入端接输入信号，所述电感LT2作为第一T型匹配网络的输出端。
7.根据权利要求5所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述第二T型匹配网络包括电感LT3，电感LT4以及电容CT2，电感LT3，电感LT4串联，电容CT2的一端接在电感LT3与电感LT4之间、另一端接地，电感LT3另一端作为第二T型匹配网络的输入端，电感LT4另一端作为第二T型匹配网络的输出端。
8.根据权利要求5所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述第一级开关衰减模块的输入端接隔直电容C1的一端，所述隔直电容C1的另一端接所述第一级反馈式可变增益单元的输出端；所述第一级开关衰减模块的输出端接隔直电容C2的一端，所述的隔直电容C2的另一端与所述第二级反馈式可变增益单元的输入端相接；
所述第二级开关衰减模块的输入端接隔直电容C3的一端，所述隔直电容C3的另一端与第二T型匹配网络的输出端相接，所述第二级开关衰减模块的输出端接输出电容Cout的一端，所述输出电容Cout的另一端输出信号。
9.根据权利要求8所述宽动态调节范围低附加相移可变增益放大器，其特征在于，所述隔直电容C1的另一端通过一个用以减小偏置变化带来的相位变化的级间串联电感L1与所述第一级反馈式可变增益单元的输出端连接。
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