CN113114151B - 一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统，射频衰减器包括：第一匹配网络（100）、第二相位补偿模块（200）、第三幅度衰减调制模块（300）、第四相位补偿模块（400）以及第五匹配网络（500）。其中，第二相位补偿模块（200）和第四相位补偿模块（400）可以对接收到的双端差分信号进行相位补偿，从而拓宽带宽。第三幅度衰减调制模块（300）用于依据接收到的第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对接收到的双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端差分信号传输至第四相位补偿模块（400）。衰减范围更大可以满足更多的衰减需求和对应精度的步进调节。

Description

一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统

技术领域

本申请涉及天线领域，具体而言，涉及一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统。

背景技术

随着5G通信技术迅速发展，信道容量和数据传输速率都在不断提高。由于6GHz以上的高频频段频谱资源丰富，所以绝大部分5G网络都选择部署在高频频段或毫米波频段。为弥补高频传播带来的损耗并实现灵活的信号覆盖，多天线阵列和波束赋形技术被广泛应用，并发展为5G的关键技术之一——大规模多入多出技术(Massive MIMO)。除了通信领域的应用外，相控阵技术同样大规模应用于雷达技术领域，相比于传统技术，其在波束赋形和波束扫描方面具有更高的精度和速度，并且波束扫描宽度更宽、波束指向更灵活，有效提高了雷达的探测、多目标跟踪、抗干扰能力以及可靠性。

毫米波相控阵系统中，对于相位和幅度的精准控制是核心目标。衰减器是相控阵调幅的关键模块之一。为了适应毫米波通信和面向高性能雷达应用，衰减器需要具有更高的步进精度，更小的相位偏移和更低的幅度误差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统，以至少部分改善上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种带宽可重构射频衰减器，所述射频衰减器包括：第一匹配网络100、第二相位补偿模块200、第三幅度衰减调制模块300、第四相位补偿模块400以及第五匹配网络500；

所述第一匹配网络100的输入端作为所述射频衰减器的输入端，所述第五匹配网络500的输出端作为所述射频衰减器的输出端，所述第一匹配网络100、所述第二相位补偿模块200、所述第三幅度衰减调制模块300、所述第四相位补偿模块400以及所述第五匹配网络500依次连接；

所述第一匹配网络100用于完成与外接电路阻抗之间的宽带阻抗匹配，并将接收到的单端信号转换为双端差分信号，并将所述双端差分信号传输给所述第二相位补偿模块200；

所述第二相位补偿模块200用于对接收到的双端差分信号进行相位补偿，并将相位补偿后的双端差分信号传输至所述第三幅度衰减调制模块300；

所述第三幅度衰减调制模块300用于依据接收到的第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对接收到的双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端差分信号传输至所述第四相位补偿模块400；

所述第四相位补偿模块400用于对接收到的双端差分信号进行相位补偿，并将相位补偿后的双端差分信号传输至所述第五匹配网络500；

所述第五匹配网络500用于完成所述第四相位补偿模块400等效输出阻抗到外接电路阻抗的宽带阻抗匹配，并将接收到的双端差分信号转换为单端信号，输出转换后的单端信号。

在一种可能的实现方式中，所述第三幅度衰减调制模块300包括至少两个无源晶体管阵列单元，所述无源晶体管阵列单元并联，所述无源晶体管阵列单元包括第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303、第四晶体管304、第一反相器305以及第二反相器306；

所述第一晶体管301的源极和所述第二晶体管302的源极连接于所述第二相位补偿模块200的输出信号正端，所述第三晶体管303的源极和所述第四晶体管304的源极连接于所述第二相位补偿模块200的输出信号负端；

所述第二晶体管302的栅极和所述第三晶体管303的栅极连接于所述第一反相器305的输出端，所述第一晶体管301的栅极和所述第四晶体管304的栅极连接于所述第二反相器306的输出端，所述第一反相器305和所述第二反相器306的控制逻辑信号彼此独立；

所述第一反相器305用于依据输入的控制逻辑信号切换所述第二晶体管302和所述第三晶体管303的导通状态，所述第二反相器306用于依据输入的控制逻辑信号切换所述第一晶体管301和所述第四晶体管304的导通状态；

所述第一晶体管301的漏极和所述第三晶体管303的漏极连接于所述第四相位补偿模块400的输入信号正端，所述第二晶体管302的漏极和所述第四晶体管304的漏极连接于所述第四相位补偿模块400的输入信号负端。

在一种可能的实现方式中，所述无源晶体管阵列单元的数量为6，每一个无源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸相同，不同的无源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸不相同。

在一种可能的实现方式中，所述第一晶体管301、所述第二晶体管302、所述第三晶体管303、所述第四晶体管304为N型晶体管或P型晶体管。

在一种可能的实现方式中，所述第二相位补偿模块200包括第一开关电容阵列201、第一变容管202以及第二变容管203，所述第一变容管202的漏极和所述第二变容管203的漏极均连接于相控控制电压信号，所述第一变容管202的栅极连接于所述第二相位补偿模块200的输出信号正端，所述第二变容管203的栅极连接于所述第二相位补偿模块200的输出信号负端；

所述第一开关电容阵列201的两个输出端分别连接于所述第二相位补偿模块200的输出信号正端和输出信号负端，所述第一开关电容阵列201的控制端用于接收第二调节指令。

在一种可能的实现方式中，所述第一开关电容阵列201包括至少两个第一开关电容单元，所述第一开关电容单元包括第一电容204、第二电容205、第一开关晶体管206、第一电阻207、第二电阻208以及第三反相器209；

所述第三反相器209的输入端作为所述第一开关电容阵列201的一个控制端，所述第三反相器209的输出端连接于所述第一开关晶体管206的栅极，所述第一电阻207的两端分别连接于所述第三反相器209的输入端和所述第一开关晶体管206的源极，所述第二电阻208的两端分别连接于所述第三反相器209的输入端和所述第一开关晶体管206的漏极，所述第一电容204的两端分别连接于所述第一开关晶体管206的源极和所述第二相位补偿模块200的输出信号正端，所述第二电容205的两端分别连接于所述第一开关晶体管206的源极和所述第二相位补偿模块200的输出信号负端；

所述第三反相器209用于在接收到目标控制信号的情况下，输出高电平，驱使所述第一开关晶体管206导通，从而改变所述第一开关电容单元内的电容值。

在一种可能的实现方式中，所述第一开关电容阵列201包括第一开关电容单元组、第二开关电容单元组以及第三开关电容单元组；

所述第一开关电容单元组包括一个第一开关电容单元，所述第二开关电容单元组包括两个第一开关电容单元，所述第三开关电容单元组包括四个第一开关电容单元；

所述第二开关电容单元组中的两个第一开关电容单元的所述第三反相器209的输入端连接于所述第一开关电容阵列201中的同一个控制端；

所述第三开关电容单元中的四个第一开关电容单元的所述第三反相器209的输入端连接于所述第一开关电容阵列201中的同一个控制端。

在一种可能的实现方式中，所述第一匹配网络100包括第三电容101、第一变压器102以及第四电容103；

所述第三电容101的两端分别连接于所述第一变压器102的初级线圈的两端，所述第四电容103的两端分别连接于所述第一变压器102的次级线圈的两端；

所述第一变压器102的初级线圈的一端作为所述射频衰减器的输入端，所述第一变压器102的初级线圈的另一端接地；

所述第一变压器102的次级线圈的一端作为所述第一匹配网络100的输出信号正端，所述第一变压器102的次级线圈的另一端作为所述第一匹配网络100的输出信号负端。

在一种可能的实现方式中，所述第五匹配网络500包括第五电容501、第二变压器502以及第六电容503；

所述第五电容501的两端分别连接于所述第二变压器502的处级线圈的两端，所述第六电容503的两端分别连接于所述第二变压器502的次级线圈的两端；

所述第二变压器502的次级线圈的一端作为所述射频衰减器的输出端，所述第二变压器502的次级线圈的另一端接地；

所述第二变压器502的初级线圈的一端作为所述第五匹配网络500的输出信号入端，所述第二变压器502的初级线圈的另一端作为所述第五匹配网络500的输入信号负端。

第二方面，本申请实施例提供一种相控阵系统，所述相控阵系统包括上述的带宽可重构射频衰减器。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统，射频衰减器包括：第一匹配网络100、第二相位补偿模块200、第三幅度衰减调制模块300、第四相位补偿模块400以及第五匹配网络500。其中，第二相位补偿模块200和第四相位补偿模块400可以对接收到的双端差分信号进行相位补偿，从而拓宽带宽。第三幅度衰减调制模块300用于依据接收到的第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对接收到的双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端差分信号传输至第四相位补偿模块400。衰减范围更大可以满足更多的衰减需求和对应精度的步进调节。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的射频衰减器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的射频衰减器的结构示意图之一；

图3本申请实施例提供的无源晶体管阵列单元的电路结构和寄生参数示意图；

图4为本申请实施例提供的衰减器幅度调制的仿真结果示意图；

图5为本申请实施例提供的衰减器幅度偏差的仿真结果示意图；

图6为本申请实施例提供的衰减器相位图的仿真结果示意图；

图7为本申请实施例提供的衰减器相位误差的仿真结果示意图；

图8为本申请实施例提供的衰减器的S参数仿真结果示意图。

图中：100-第一匹配网络；101-第三电容；102-第一变压器；103-第四电容；200-第二相位补偿模块；201-第一开关电容阵列；202-第一变容管；203-第二变容管；204-第一电容；205-第二电容；206-第一开关晶体管；207-第一电阻；208-第二电阻；209-第三反相器；300-第三幅度衰减调制模块；301-第一晶体管；302-第二晶体管；303-第三晶体管；304-第四晶体管；305-第一反相器；306-第二反相器；400-第四相位补偿模块；401-第二开关电容阵列；402-第三变容管；403-第四变容管；404-第七电容；405-第八电容；406-第二开关晶体管；407-第三电阻；408-第四电阻；409-第四反相器；500-第五匹配网络；501-第五电容；502-第二变压器；503-第六电容。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

毫米波相控阵系统中，对于相位和幅度的精准控制是核心目标。衰减器是相控阵调幅的关键模块之一。为了适应毫米波通信和面向高性能雷达应用，衰减器需要具有更高的步进精度，更小的相位偏移和更低的幅度误差。传统的无源衰减器，如开关型衰减器，在低频段性能极佳，但在高频的表现却不能够满足设计要求。高频下传统无源衰减器的相位误差和幅度误差都迅速恶化，限制了衰减器的使用范围。高频的幅度控制电路多使用可变增益放大器(VGA)，但VGA的晶体管工作在饱和区，属于有源电路，在拥有增益的同时也带来了功率损耗。并且在超高频段下，晶体管的各项功能都大幅下降，VGA整体电路增益在各个模块的损耗下所剩无几，拥有的增益优势也不再明显。而普通的开关型、适用于高频的衰减器的主要限制因素为工作带宽，不能够满足较多频段的使用需求。

为了克服以上问题，本申请实施例提供了一种带宽可重构的无源射频衰减器，不但可以工作在低频，也可以工作在高频电路下；与高频段下的VGA比较，带宽可重构的无源衰减器具有没有功率损耗，线性度高，占用面积小，工作带宽大等优点。但一种带宽可重构的无源射频衰减器设计过程也面临很多新的挑战，如(1)现有的集成电路工艺下，最常用的无源幅度控制器的结构是将晶体管作为开关进行设计，通过控制晶体管栅极的电平高低来控制晶体管的通断，从而进一步控制整个幅度控制阵列的调幅结果。然而在无源情况下，晶体管的源漏级前后隔离度较低，输入输出阻抗会随开关变化而改变，容易导致附加相移和端口失配等问题，从而恶化输出信号幅度精度与相位精度；(2)无源晶体管开关阵列通过按比例切换输出电流的大小来调整增益，然而，晶体管的开关特性不理想，尤其在毫米波频段，断开的晶体管存在寄生电容，也会导致幅度偏差、附加相移和端口失配等问题，限制了带宽和可实现的相位精度。

请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种带宽可重构射频衰减器的结构示意图。如图1所示，射频衰减器包括：第一匹配网络100、第二相位补偿模块200、第三幅度衰减调制模块300、第四相位补偿模块400以及第五匹配网络500。

第一匹配网络100的输入端作为射频衰减器的输入端，第五匹配网络500的输出端作为射频衰减器的输出端，第一匹配网络100、第二相位补偿模块200、第三幅度衰减调制模块300、第四相位补偿模块400以及第五匹配网络500依次连接。

第一匹配网络100用于完成与外接电路阻抗之间的宽带阻抗匹配；

可选地，完成外接电路阻抗到第二相位补偿模块200和后级电路的等效输入阻抗(Rin)的宽带阻抗匹配，并将接收到的单端信号转换为双端差分信号，并将双端差分信号传输给第二相位补偿模块200。

第二相位补偿模块200用于对接收到的双端差分信号进行相位补偿，并将相位补偿后的双端差分信号传输至第三幅度衰减调制模块300。

第二相位补偿模块200可以对接收到的双端差分信号进行相位补偿，即通过第二相位补偿模块200可以调节射频衰减器的带宽。需要说明的是，在一种可选地实现方式中，相位补偿的幅度可以依据用户输入的控制信号进行调节，即相位补偿的幅度是可调节可变的。从而拓宽带宽。

第三幅度衰减调制模块300用于依据接收到的第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对接收到的双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端差分信号传输至第四相位补偿模块400。

可选地，衰减范围更大可以满足更多的衰减需求和对应精度的步进调节。

第四相位补偿模块400用于对接收到的双端差分信号进行相位补偿，并将相位补偿后的双端差分信号传输至第五匹配网络500。

可选地，第四相位补偿模块400所进行的相位补偿与第二相位补偿模块200所进行的相位补偿相同。第四相位补偿模块400的用于与第二相位补偿模块200相同，都是从而拓宽带宽。

第五匹配网络500用于完成第四相位补偿模块400等效输出阻抗(Rout)到外接电路阻抗的宽带阻抗匹配，并将接收到的双端差分信号转换为单端信号，输出转换后的单端信号。

综上所述，本申请实施例提供了一种带宽可重构射频衰减器，射频衰减器包括：第一匹配网络100、第二相位补偿模块200、第三幅度衰减调制模块300、第四相位补偿模块400以及第五匹配网络500。其中，第二相位补偿模块200和第四相位补偿模块400可以对接收到的双端差分信号进行相位补偿，从而拓宽带宽。第三幅度衰减调制模块300用于依据接收到的第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对接收到的双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端差分信号传输至第四相位补偿模块400。衰减范围更大可以满足更多的衰减需求和对应精度的步进调节。

在图1的基础上，对应第三幅度衰减调制模块300的结构，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图2，第三幅度衰减调制模块300包括至少两个无源晶体管阵列单元，无源晶体管阵列单元并联，无源晶体管阵列单元包括第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303、第四晶体管304、第一反相器305以及第二反相器306。

第一晶体管301的源极和第二晶体管302的源极连接于第二相位补偿模块200的输出信号正端，第三晶体管303的源极和第四晶体管304的源极连接于第二相位补偿模块200的输出信号负端。

可以理解地，第二相位补偿模块200的输出信号正端与第三幅度衰减调制模块300的输入信号正端连接；第二相位补偿模块200的输出信号负端与第三幅度衰减调制模块300的输入信号负端连接。在图2中，V_IN+表示正端；V_IN-表示负端。

第二晶体管302的栅极和第三晶体管303的栅极连接于第一反相器305的输出端，第一晶体管301的栅极和第四晶体管304的栅极连接于第二反相器306的输出端，第一反相器305和第二反相器306的控制逻辑信号彼此独立。

前文所述的第一调节指令包括第三幅度衰减调制模块300中的每一个反相器对应的控制逻辑信号。

第一反相器305用于依据输入的控制逻辑信号切换第二晶体管302和第三晶体管303的导通状态，第二反相器306用于依据输入的控制逻辑信号切换第一晶体管301和第四晶体管304的导通状态；

当第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304导通时，表示该晶体管处于直通状态，当第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304截断时，表示该晶体管处于截断状态。通过控制第一反相器305和第二反相器306控制逻辑信号，可以切换第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304的导通状态，从而可以改变无源晶体管阵列单元的衰减范围。

需要说明的是，本申请实施例中，第一反相器305和第二反相器306的控制逻辑信号彼此独立，即第一反相器305和第二反相器306的控制逻辑信号可以是相同，也可以是互逆的，从而更加灵活的控制第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304的导通状态。图2中的Digital Control表示反相器的控制逻辑信号。

第一晶体管301的漏极和第三晶体管303的漏极连接于第四相位补偿模块400的输入信号正端，第二晶体管302的漏极和第四晶体管304的漏极连接于第四相位补偿模块400的输入信号负端。

请继续参考图2，在一种可能的实现方式中，无源晶体管阵列单元的数量为6，6个无源晶体管阵列单元并联。每一个无源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸相同，不同的无源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸不相同。

可选地，不同无源晶体管阵列单元中的晶体管归一化尺寸分别为2ⁿx，其中，n∈[0，5]，x为基准归一化尺寸，由工作人员具体选择。2ⁿx为第n+1个无源晶体管阵列单元中的晶体管归一化尺寸。

需要说明的是，同一个无源晶体管阵列单元中的晶体管归一化尺寸相同，即同一个无源晶体管阵列单元中的第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304的晶体管归一化尺寸相同。

因为不同无源晶体管阵列单元中的晶体管归一化尺寸分别为2ⁿx，确保增益可调范围大于15dB，并且步进精度为0.5dB。

可选地，第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303、第四晶体管304为N型晶体管或P型晶体管。

本申请实施例提供的无源晶体管阵列单元中每一个晶体管源极和漏极的直流电平为均零，所以没有直流电源供电，电路通过控制栅极的电平高低来控制电路的通断，因此晶体管阵列工作在深线性区。当晶体管的栅压为高电平时，源极和漏极的通路可等效为一个串联电阻；当晶体管不工作时，源极和漏极由于寄生电容的影响可以等效为串联电容。通常情况下，工作在有源即饱和区的晶体管，其输入输出阻抗的隔离度较高，即输入阻抗不会随着输出电路所接的负载的改变而改变，输出阻抗也是同理。因此有源状态的晶体管阵列输入输出阻抗可以等效为处在工作状态下的晶体管的对应阻抗的并联等效电阻。与之相比，无源晶体管阵列的最大特点，也是最大挑战是晶体管的输入输出阻抗并不隔离，负载的大小与变化会对输入阻抗有较大的影响。

在不同的开关状态下，不同的无源晶体管阵列单元中的等效电容和电阻的组成也不同，即输入输出阻抗的大小也会不同。输入输出阻抗的具体数值会随着反相器的控制信号状态的变化而变化，会对无源衰减器的带宽性能设计带来挑战，因此需要通过宽带匹配结构或者对负载变化比较宽容的匹配网络进行阻抗匹配。

请参考图3，图3为本申请实施例提供的无源晶体管阵列单元的电路结构和寄生参数示意图。

由于，第一反相器305和第二反相器306的控制逻辑信号彼此独立，即第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304共有四种工作状态。第一种，全开，即第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304均处于导通状态；第二种，全关，即第一晶体管301、第二晶体管302、第三晶体管303以及第四晶体管304均处于截断状态；第三种，正向半开，即第一晶体管301和第四晶体管304处于导通状态，第二晶体管302和第三晶体管303处于截断状态；第四种，反向半开，即第一晶体管301和第四晶体管304处于截断状态，第二晶体管302和第三晶体管303处于导通状态。

相对于，第一反相器305和第二反相器306的控制逻辑信号彼此互逆，互逆可以理解为，当第一反相器305的控制逻辑信号为1时，第二反相器306的控制逻辑信号一定为0，当第一反相器305的控制逻辑信号为0时，第二反相器306的控制逻辑信号一定为1。本申请方案提供的，控制信号相互独立的无源晶体管阵列单元多了两种工作状态，其等效输入输出阻抗也就多出了两种状态。在一种可选地实现方式中，无源晶体管阵列单元的数量为6，6个无源晶体管阵列单元组成的第三幅度衰减调制模块300，整体的输入阻抗状态多出了4032种，选择所有状态中最集中的阻抗数值附近的状态，可以减小阻抗变化，并在最后的衰减幅度的筛选中有更多的选择。需要说明的是，不同阵列中晶体管尺寸成二进制递增，但不同尺寸的阵列输出的差分电流大小并不是严格按照二进制递增的，这是无源晶体管阵列阻抗不隔离的特性之一。同上分析，由于两个差分对的开关控制逻辑相互独立，对比之下多出4032种幅度控制状态，对应的衰减状态在阻抗、幅度以及相位上也就有了更多选择，可以选取三者都满足指标的状态，有效的提高了最终选取衰减状态时的各项指标精度。

可选地，请继续参考图3，在高频工作频段下，晶体管的寄生电容所产生的影响也不可忽视。由于高频晶体管版图的寄生参数Cds、Cgs、Cgd等的影响，不同的开关状态的等效电容也会不同。等效电容的变化是影响无源衰减器的相位误差最主要的原因。

为解决“等效电容的变化影响无源衰减器的相位误差”的问题，本申请实施例提供的射频衰减器还包括第一匹配网络100、第二相位补偿模块200、第四相位补偿模块400以及第五匹配网络500。如图2所示，第一匹配网络100和第五匹配网络500位于射频衰减器的两端，除了满足差分信号和单端信号之间的转化外，还起到匹配网络的作用。

可选地，如图2所示，第一匹配网络100包括第三电容101、第一变压器102以及第四电容103。

第三电容101的两端分别连接于第一变压器102的初级线圈的两端，第四电容103的两端分别连接于第一变压器102的次级线圈的两端。

第一变压器102的初级线圈的一端作为射频衰减器的输入端(V_RF，_IN)，第一变压器102的初级线圈的另一端接地。

第一变压器102的次级线圈的一端作为第一匹配网络100的输出信号正端(V_IN+)，第一变压器102的次级线圈的另一端作为第一匹配网络100的输出信号负端(V_IN-)。第一变压器102的次级线圈的中心抽头接地。

第一变压器102中的两个电感与第三电容101和第四电容103共同构成巴伦匹配网络，从而产生差分对，将接收到的单端信号转换为双端差分信号。

可选地，第一变压器102磁耦合系数位于0.4-0.5之间。

可选地，如图2所示，第二相位补偿模块200包括第一开关电容阵列201、第一变容管202以及第二变容管203，第一变容管202的漏极和第二变容管203的漏极均连接于相控控制电压信号(Vccap)，第一变容管202的栅极连接于第二相位补偿模块200的输出信号正端，第二变容管203的栅极连接于第二相位补偿模块200的输出信号负端。

相控控制电压信号(Vccap)用于调节第一变容管202和第二变容管203的电容值。相控控制电压信号(Vccap)并不是0101的变化模式，而是连续的从0-1的某一个数值，是连续的，可以对电容数值进行精准的连续的调节，由于变容管可以进行连续的电容数值的调节，因此属于微调。

第一开关电容阵列201的两个输出端分别连接于第二相位补偿模块200的输出信号正端和输出信号负端，第一开关电容阵列201的控制端用于接收第二调节指令。

可选地，第一开关电容阵列201依据第二调节指令切换其内的电容值，属于大幅度离散调节。此处调节的电容的数值是呈步进变化的，约为6-8fF,所以调节数值是离散的。

通过调节第一变容管202、第二变容管203以及第一开关电容阵列201的电容值完成相位补偿。

可选地，请继续参考图2，第一开关电容阵列201包括至少两个第一开关电容单元，第一开关电容单元包括第一电容204、第二电容205、第一开关晶体管206、第一电阻207、第二电阻208以及第三反相器209。

第三反相器209的输入端作为第一开关电容阵列201的一个控制端，第三反相器209的输出端连接于第一开关晶体管206的栅极，第一电阻207的两端分别连接于第三反相器209的输入端和第一开关晶体管206的源极，第二电阻208的两端分别连接于第三反相器209的输入端和第一开关晶体管206的漏极，第一电容204的两端分别连接于第一开关晶体管206的源极和第二相位补偿模块200的输出信号正端，第二电容205的两端分别连接于第一开关晶体管206的源极和第二相位补偿模块200的输出信号负端；

第三反相器209用于在接收到目标控制信号的情况下，输出高电平，驱使第一开关晶体管206导通，从而改变第一开关电容单元内的电容值。具体地，当第一开关晶体管206导通时，第一开关电容单元内的电容值较大，当第一开关晶体管206截断时，第一开关电容单元内的电容值较小。

可选地，第一开关电容阵列201包括第一开关电容单元组、第二开关电容单元组以及第三开关电容单元组。

第一开关电容单元组包括一个第一开关电容单元，第二开关电容单元组包括两个第一开关电容单元，第三开关电容单元组包括四个第一开关电容单元。

第二开关电容单元组中的两个第一开关电容单元的第三反相器209的输入端连接于第一开关电容阵列201中的同一个控制端。

第三开关电容单元中的四个第一开关电容单元的第三反相器209的输入端连接于第一开关电容阵列201中的同一个控制端。

可以通过控制第一开关电容单元组、第二开关电容单元组以及第三开关电容单元组分别的控制端的控制信号，对第二相位补偿模块200中的电容值进行大幅度的调节，实现快速调节的目的。

需要说明的是，第一匹配网络100中的第四电容103和第二相位补偿模块200共同起到匹配的作用。其中，第四电容103为基础的固定电容，第二相位补偿模块200为可调电容，第二相位补偿模块200在第四电容103的数值的基础上，通过电容控制信号的控制，在不同的频率下调整到对应的匹配数值，使得第三幅度衰减调制模块300两端的等效电容能够和匹配网络一起达到最佳的匹配状态，减小各个频段的由寄生电容变化带来的相位误差，从而拓宽匹配网络的带宽，有效减小等效电容变化所带来的影响。

在低频条件下，变容管拥有较高的Q值，尺寸越小的同时，可调范围越精确，Q值越高。因此，在低频条件下，在第一开关电容阵列进行大幅的离散相位调制后，可以使用变容管进行连续的精确调制，能够进一步减小相位误差。而在高频下，变容管Q值急剧下降，此时使用变容管会导致第三幅度衰减调制模块300的等效输入阻抗发生改变，匹配网络损耗进一步加大，整体电路性能恶化。因此在高频下去除变容管，仅使用第一开关电容阵列是更好的选择。在高频下，选取尺寸较大，寄生电容较大，但等效开关电阻较小的晶体管也可以实现小步进的相位调制。具体的电路可以根据实际工作频段进行调整。

请继续参考图2，关于第四相位补偿模块400的结构，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式。第四相位补偿模块400包括第二开关电容阵列401、第三变容管402以及第四变容管403，第三变容管402的漏极和第四变容管403的漏极均连接于相控控制电压信号，第三变容管402的栅极连接于第四相位补偿模块400的输入信号正端，第四变容管403的栅极连接于第四相位补偿模块400的输入信号负端。

第二开关电容阵列401的两个输出端分别连接于第四相位补偿模块400的输出信号正端和输出信号负端，第二开关电容阵列401的控制端用于接收第三调节指令。

可选地，第二开关电容阵列401包括至少两个第二开关电容单元，第二开关电容单元包括第七电容404、第八电容405、第二开关晶体管406、第三电阻407、第四电阻408以及第四反相器409。

第四反相器409的输入端作为第二开关电容阵列401的一个控制端，第四反相器409的输出端连接于第二开关晶体管406的栅极，第三电阻407的两端分别连接于第四反相器409的输入端和第二开关晶体管406的源极，第四电阻408的两端分别连接于第四反相器409的输入端和第二开关晶体管406的漏极，第七电容404的两端分别连接于第二开关晶体管406的源极和第四相位补偿模块400的输出信号正端，第八电容405的两端分别连接于第二开关晶体管406的源极和第四相位补偿模块400的输出信号负端。

第四反相器409用于在接收到对应的目标控制信号的情况下，输出高电平，驱使第二开关晶体管406导通。

可选地，第二开关电容阵列401包括第四开关电容单元组、第五开关电容单元组以及第六开关电容单元组。

第四开关电容单元组包括一个第二开关电容单元，第五开关电容单元组包括两个第二开关电容单元，第六开关电容单元组包括四个第二开关电容单元。

第五开关电容单元组中的两个第二开关电容单元的第四反相器409的输入端连接于第二开关电容阵列401中的同一个控制端；

第六开关电容单元中的四个第二开关电容单元的第四反相器409的输入端连接于第二开关电容阵列401中的同一个控制端。

需要说明的是，第四相位补偿模块400的结构和功能与第二相位补偿模块200的结构同理，相关表述可以参考第二相位补偿模块200对应的记载，在此不做赘述。

可选地，第五匹配网络500包括第五电容501、第二变压器502以及第六电容503。

第五电容501的两端分别连接于第二变压器502的处级线圈的两端，第六电容503的两端分别连接于第二变压器502的次级线圈的两端。

第二变压器502的次级线圈的一端作为射频衰减器的输出端(V_RF，_OUT)，第二变压器502的次级线圈的另一端接地。

第二变压器502的初级线圈的一端作为第五匹配网络500的输出信号入端，第二变压器502的初级线圈的另一端作为第五匹配网络500的输入信号负端。第二变压器502的初级线圈的中部抽头接地。

需要说明的是，第五匹配网络500的结构和功能与第一匹配网络100的结构同理，相关表述可以参考第一匹配网络100对应的记载，在此不做赘述。

本申请实施例提供的射频衰减器具有以下优点：

第一点，第三幅度衰减调制模块300包括6个独立逻辑控制的并联无源晶体管阵列，在保证高精度幅度调制步进的前提下极大的减小了无源晶体管阵列的阻抗变化，并提供了非常精确的衰减状态，提高了输入输出端口的匹配性能以及幅度精度。

第二点，第一匹配网络100和第三幅度衰减调制模块300中的二阶巴伦匹配网络，两端并联电容，并使用第二相位补偿模块200和第四相位补偿模块400中的开关电容阵列调整相位，将第三幅度衰减调制模块300所带来的寄生电容效应有效减小，拓宽了整体电路的带宽，并极大的限制了调幅所带来的附加相位变化。

第三点，各增益单元模块化的设计思路可以有效提高效率，使结构在不同项目中的重复使用和调整变得简单，便于数模结合的设计方法还可以提高集成度，具有很高的实用价值。

第四点，整体为无源电路，电路中所有元件均没有直流损耗，因此电路整体无功耗，并且输入输出可逆，在实际电路中有较高实用价值。除此之外，核心电路中没有使用电感等无源器件，因此尺寸极小，极大的减小了生产成本。

在设计频段内，该可变增益放大器结构可以实现12比特的正反相各2048个状态的增益控制，在15dB的调节范围内有准确的0.5dB的步进精度，且调幅附加相移均优于4.1°。

请继续参考图4～图8，图4为衰减器幅度调制的仿真结果。在本范例的频率范围内，无源衰减器均能够实现范围为15dB、步进为0.5dB的高精度调节。

图5为衰减器幅度偏差的仿真结果。在使用频率范围内，最大误差均方根为0.2dB，意味着本申请实现了宽带的调幅性能，并且拥有高精度的步进控制。

图6为衰减器相位图的仿真结果。随着频率的增高，调幅带来的绝对相位在不断递减，相对误差基本保持不变。

图7为衰减器相位误差的仿真结果。调幅带来的附加相位在使用频率范围内最大为4.1°，意味着本申请中的各个衰减状态的相位误差极小。

图8为衰减器的S参数仿真结果。S11和S22在工作频带下都在-20dB左右，匹配较好。意味着本申请在系统中也可以保证较高性能工作，对前后级阻抗依赖较小。

本申请实施例还提供了一种相控阵系统，相控阵系统包括上述带宽可重构射频衰减器。

本申请实施例提供的带宽可重构射频衰减器还可以用于发射机系统和接收机系统。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述射频衰减器包括：第一匹配网络（100）、第二相位补偿模块（200）、第三幅度衰减调制模块（300）、第四相位补偿模块（400）以及第五匹配网络（500）；

所述第一匹配网络（100）的输入端作为所述射频衰减器的输入端，所述第五匹配网络（500）的输出端作为所述射频衰减器的输出端，所述第一匹配网络（100）、所述第二相位补偿模块（200）、所述第三幅度衰减调制模块（300）、所述第四相位补偿模块（400）以及所述第五匹配网络（500）依次连接；

所述第一匹配网络（100）用于完成与外接电路阻抗之间的宽带阻抗匹配，并将接收到的单端信号转换为双端差分信号，并将所述双端差分信号传输给所述第二相位补偿模块（200）；

所述第二相位补偿模块（200）用于对接收到的双端差分信号进行相位补偿，并将相位补偿后的双端差分信号传输至所述第三幅度衰减调制模块（300）；

所述第三幅度衰减调制模块（300）用于依据接收到的第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对接收到的双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端差分信号传输至所述第四相位补偿模块（400）；

所述第四相位补偿模块（400）用于对接收到的双端差分信号进行相位补偿，并将相位补偿后的双端差分信号传输至所述第五匹配网络（500）；

所述第五匹配网络（500）用于完成所述第四相位补偿模块（400）等效输出阻抗到外接电路阻抗的宽带阻抗匹配，并将接收到的双端差分信号转换为单端信号，输出转换后的单端信号；

所述第三幅度衰减调制模块（300）包括至少两个无源晶体管阵列单元，所述无源晶体管阵列单元并联，所述无源晶体管阵列单元包括第一晶体管（301）、第二晶体管（302）、第三晶体管（303）、第四晶体管（304）、第一反相器（305）以及第二反相器（306），所述无源晶体管阵列单元中每一个晶体管源极和漏极的直流电平均为零；

所述第一晶体管（301）的源极和所述第二晶体管（302）的源极连接于所述第二相位补偿模块（200）的输出信号正端，所述第三晶体管（303）的源极和所述第四晶体管（304）的源极连接于所述第二相位补偿模块（200）的输出信号负端；

所述第二晶体管（302）的栅极和所述第三晶体管（303）的栅极连接于所述第一反相器（305）的输出端，所述第一晶体管（301）的栅极和所述第四晶体管（304）的栅极连接于所述第二反相器（306）的输出端，所述第一反相器（305）和所述第二反相器（306）的控制逻辑信号彼此独立；

所述第一反相器（305）用于依据输入的控制逻辑信号切换所述第二晶体管（302）和所述第三晶体管（303）的导通状态，所述第二反相器（306）用于依据输入的控制逻辑信号切换所述第一晶体管（301）和所述第四晶体管（304）的导通状态；

所述第一晶体管（301）的漏极和所述第三晶体管（303）的漏极连接于所述第四相位补偿模块（400）的输入信号正端，所述第二晶体管（302）的漏极和所述第四晶体管（304）的漏极连接于所述第四相位补偿模块（400）的输入信号负端；

所述第二相位补偿模块（200）包括第一开关电容阵列（201）、第一变容管（202）以及第二变容管（203），所述第一变容管（202）的漏极和所述第二变容管（203）的漏极均连接于相控控制电压信号，所述第一变容管（202）的栅极连接于所述第二相位补偿模块（200）的输出信号正端，所述第二变容管（203）的栅极连接于所述第二相位补偿模块（200）的输出信号负端；

所述第一开关电容阵列（201）的两个输出端分别连接于所述第二相位补偿模块（200）的输出信号正端和输出信号负端，所述第一开关电容阵列（201）的控制端用于接收第二调节指令。

2.如权利要求1所述的带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述无源晶体管阵列单元的数量为6，每一个无源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸相同，不同的无源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸不相同。

3.如权利要求1所述的带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述第一晶体管（301）、所述第二晶体管（302）、所述第三晶体管（303）、所述第四晶体管（304）为N型晶体管或P型晶体管。

4.如权利要求1所述的带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述第一开关电容阵列（201）包括至少两个第一开关电容单元，所述第一开关电容单元包括第一电容（204）、第二电容（205）、第一开关晶体管（206）、第一电阻（207）、第二电阻（208）以及第三反相器（209）；

所述第三反相器（209）的输入端作为所述第一开关电容阵列（201）的一个控制端，所述第三反相器（209）的输出端连接于所述第一开关晶体管（206）的栅极，所述第一电阻（207）的两端分别连接于所述第三反相器（209）的输入端和所述第一开关晶体管（206）的源极，所述第二电阻（208）的两端分别连接于所述第三反相器（209）的输入端和所述第一开关晶体管（206）的漏极，所述第一电容（204）的两端分别连接于所述第一开关晶体管（206）的源极和所述第二相位补偿模块（200）的输出信号正端，所述第二电容（205）的两端分别连接于所述第一开关晶体管（206）的源极和所述第二相位补偿模块（200）的输出信号负端；

所述第三反相器（209）用于在接收到目标控制信号的情况下，输出高电平，驱使所述第一开关晶体管（206）导通，从而改变所述第一开关电容单元内的电容值。

5.如权利要求4所述的带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述第一开关电容阵列（201）包括第一开关电容单元组、第二开关电容单元组以及第三开关电容单元组；

所述第一开关电容单元组包括一个第一开关电容单元，所述第二开关电容单元组包括两个第一开关电容单元，所述第三开关电容单元组包括四个第一开关电容单元；

所述第二开关电容单元组中的两个第一开关电容单元的所述第三反相器（209）的输入端连接于所述第一开关电容阵列（201）中的同一个控制端；

所述第三开关电容单元组中的四个第一开关电容单元的所述第三反相器（209）的输入端连接于所述第一开关电容阵列（201）中的同一个控制端。

6.如权利要求1所述的带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述第一匹配网络（100）包括第三电容（101）、第一变压器（102）以及第四电容（103）；

所述第三电容（101）的两端分别连接于所述第一变压器（102）的初级线圈的两端，所述第四电容（103）的两端分别连接于所述第一变压器（102）的次级线圈的两端；

所述第一变压器（102）的初级线圈的一端作为所述射频衰减器的输入端，所述第一变压器（102）的初级线圈的另一端接地；

所述第一变压器（102）的次级线圈的一端作为所述第一匹配网络（100）的输出信号正端，所述第一变压器（102）的次级线圈的另一端作为所述第一匹配网络（100）的输出信号负端。

7.如权利要求1所述的带宽可重构射频衰减器，其特征在于，所述第五匹配网络（500）包括第五电容（501）、第二变压器（502）以及第六电容（503）；

所述第五电容（501）的两端分别连接于所述第二变压器（502）的处级线圈的两端，所述第六电容（503）的两端分别连接于所述第二变压器（502）的次级线圈的两端；

所述第二变压器（502）的次级线圈的一端作为所述射频衰减器的输出端，所述第二变压器（502）的次级线圈的另一端接地；

所述第二变压器（502）的初级线圈的一端作为所述第五匹配网络（500）的输出信号入端，所述第二变压器（502）的初级线圈的另一端作为所述第五匹配网络（500）的输入信号负端。

8.一种相控阵系统，其特征在于，所述相控阵系统包括如权利要求1至7中任意一项所述的带宽可重构射频衰减器。

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