CN113193851B - 一种用于x波段的数控移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于X波段的数控移相器,包括依次连接的22.5°移相单元、180°移相单元、45°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、90°移相单元,所述的各移相单元均为单输入单输出结构,射频信号由22.5°移相单元输入端口(INPUT)输入,最终由90°移相单元输出端口(OUTPUT)输出;所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元采用开关内嵌的低通、带通滤波切换结构,180°移相单元采用开关内嵌的高低通滤波切换结构。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域,具体涉及一种数控移相器。
背景技术
移相器是相控阵列的重要组成部分,具有实现波束转向的功能,广泛应用于需要波束控制电路的雷达、无线通讯等领域。工作于X波段的相控阵雷达系统是导弹预警系统的重要组成部分,由于高实施成本、重重量、大体积和实施复杂性的特点,使其应用更多局限于军事系统。随着电子技术不断发展,X波段相控阵系统开始拓展到民用领域,如气象雷达等。移相器作为相控阵系统的核心电路也在不断发展。用于移相器设计的常见电路拓扑结构包括负载线型、反射型、矢量合成和网络切换型。负载线和反射型是基于传输线路调整相位,因此对于低于10GHz的雷达波段回路尺寸通常很大。矢量合成相移器通常是有源的,因此具有体积小和增益大的优点,但同时也存在输入功率线性度较差、功耗大、只能单向工作等缺点。在数字移相器的设计中,高低通网络切换型结构在插入损耗、移相精度等方面都是一个折衷的选择,在工作频率范围内相移相对平坦,且具有宽带宽、功耗低的优势,因此这种结构逐渐得到广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关内嵌式的网络切换型移相器,在保证高工作性能及稳定性的前提下,更大程度提高移相器的集成度、降低制造成本。本发明的技术方案如下:
一种用于X波段的数控移相器,包括依次连接的22.5°移相单元、180°移相单元、45°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、90°移相单元,所述的各移相单元均为单输入单输出结构,射频信号由22.5°移相单元输入端口(INPUT)输入,最终由90°移相单元输出端口(OUTPUT)输出;所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元采用开关内嵌的低通、带通滤波切换结构,180°移相单元采用开关内嵌的高低通滤波切换结构。其中,
所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元和45°移相单元均包括基础模块,基础模块包括第一晶体管(M1),第二晶体管(M2),第一电感(L1),第二电感(L2),第一电容(C1),第二电容(C2);其中,所述第一晶体管(M1)的源极与第一电感(L1)的第一端、第一电容(C1)的第一端连接;所述第一晶体管(M1)的漏极与第一电感(L1)的第二端、第二电容(C2)的第一端连接;第二晶体管(M2)的漏极与第二电感(L2)的第一端、第一电容(C1)的第二端、第二电容(C2)的第二端连接;第二晶体管(M2)的源极与第二电感(L2)的第二端连接,并连接到地;
所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V0,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V1,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V2,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述45°移相单元,还包括第三电容(C3),所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(M2)的漏极和第三电容(C3)的第一端相连;所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(M2)的源极和第三电容(C3)的第二端相连;所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V3,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述90°移相单元,包括第三晶体管(M3),第四晶体管(M4),第三电感(L3),第四电感(L4),第四电容(C4),第五电容(C5),第六电容(C6);其中,所述第三晶体管(M3)的源极与第四电容(C4)的第一端、第六电容(C6)的第一端、单元电路输入端(INPUT)连接;所述第三晶体管(M3)的漏极与第三电感(L3)的第一端、第六电容(C6)的第二端连接;第三电感(L3)的第二端与第五电容(C5)的第一端、单元电路输出端(OUTPUT)连接;第四晶体管(M4)的漏极与第四电感(L4)的第一端、第四电容(C4)的第二端、第五电容(C5)的第二端连接;第四晶体管(M4)的源极与第四电感(L4)的第二端连接,并连接到地;第三晶体管(M3)的栅极接控制电压V4,第四晶体管(M4)的栅极接控制电压V4。
所述180°移相单元,包括第五晶体管(M5),第六晶体管(M6),第七晶体管(M7),第八晶体管(M8),第五电感(L5),第六电感(L6),第七电感(L7),第七电容(C7),第八电容(C8),第九电容(C9),第十电容(C10),第十一电容(C11);其中,所述第五晶体管(M5)的漏极与第七晶体管(M7)的漏极、单元电路输入端(INPUT)相连;第五晶体管(M5)的源极与第七电容(C7)的第一端、第五电感(L5)的第一端相连;第五电感(L5)的第二端与第六电感(L6)的第一端、第八电容(C8)的第一端相连;第六电感(L6)的第二端与第六晶体管(M6)的源极、第九电容(C9)第一端相连;第六晶体管(M6)的漏极与第八晶体管(M8)的漏极、单元电路输出端(OUTPUT)相连;第七晶体管(M7)的源极与第十电容(C10)的第一端相连;第十电容(C10)的第二端与第七电感(L7)的第一端、第十一电容(C11)的第一端相连;第十一电容(C11)的第二端与第八晶体管(M8)的源极相连;第七电容(C7)的第二端与第八电容(C8)的第二端、第九电容(C9)的第二端、第七电感(L7)的第二端相连,并连接到地;第五晶体管(M5)的栅极与第七晶体管(M7)的栅极相连,并连接控制电压V5;第六晶体管(M6)的栅极与第八晶体管(M8)的栅极相连,并连接控制电压
优选地,所述的第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)、第七晶体管(M7)、第八晶体管(M8)均为深阱NMOS晶体管。
本发明的有益效果是:本发明的一种应数控移相器,具有以下优点:
第一,本发明提出了两种开关内嵌的低通、带通滤波切换结构,提升了移相器相移稳定性,工作频带内相移相对平坦,提高了移相电路的集成度,节约成本。
第二,本发明提出了一种开关内嵌的低通、高通滤波切换结构,保证了大移相单元电路的稳定性与可靠性。
第三,发明作为开关的晶体管采用深阱晶体管,增大开关的隔离度。
附图说明
图1为本发明一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器电路示意图。
图2为本发明一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器说明中所建立的基础模块电路示意图。
图3为本发明一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器中5.625°、11.25°、22.5°移相单元电路示意图。
图4为本发明一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器中45°移相单元电路示意图。
图5为本发明一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器中90°移相单元电路示意图。
图6为本发明一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器中180°移相单元电路示意图。
图7是本发明的一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器的64种相位调节结果。
图8是本发明的一种X波段高精度紧凑型6位数控移相器的64种插入损耗的结果。
图9是本发明的一种X波段高精度数控紧凑型6位移相器经计算后的移相和幅度均方根误差结果。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中,相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见,附图中的各个部分没有按比例绘制。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节,例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术,以便更清楚地理解本发明。
图1示出本发明移相器电路示意图。
参阅图1,移相器包括从左至右依次连接的22.5°/180°/45°/5.625°/11.25°/90°移相单元,所述的各移相单元均为单输入单输出结构;所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元采用开关内嵌的低通、带通滤波切换结构,180°移相单元采用开关内嵌的高低通滤波切换结构。电路采用0.18um SiGe BiCMOS设计工艺。
本发明的实施例中,射频信号由22.5°移相单元输入端口(INPUT)输入,最终由90°移相单元输出端口(OUTPUT)输出。控制电压V0、V1、V2、V3、V4、V5、 提供直流偏置电压,且电压值均可取为1.8V或0V,分别连接5.625°至180°各单元开关MOS管的栅极。通过改变控制电压在0V和1.8V之间的切换,使每一位移相单元可以各自独立、互不干扰地处于移相或非移相的状态,通过各单元级联后移相度数的加和,最终实现6位数控移相器,其功能表现为输出信号可实现范围为0°~354.375°、步进为5.625°的64种信号相位变化,具体操作如下。
参阅图2,所述移相器建立基础模块,基础模块包括第一晶体管(M1),第二晶体管(M2),第一电感(L1),第二电感(L2),第一电容(C1),第二电容(C2);其中,所述第一晶体管(M1)的源极与第一电感(L1)的第一端、第一电容(C1)的第一端连接;所述第一晶体管(M1)的漏极与第一电感(L1)的第二端、第二电容(C2)的第一端连接;第二晶体管(M2)的漏极与第二电感(L2)的第一端、第一电容(C1)的第二端、第二电容(C2)的第二端连接;第二晶体管(M2)的源极与第二电感(L2)的第二端连接,并连接到地。
本发明的实施例中,所构建的基础模块为5.625°~45°移相单元电路解释说明所用。
参阅图3,所述5.625°、11.25°、22.5°移相单元,均包括所述基础模块;其中,所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V0,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
其中,所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V1,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
其中,所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V2,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
本发明的实施例中,5.625°、11.25°、22.5°不同单元的射频信号均由各INPUT端口输入,由各OUTPUT端口输出;
在V0=0V电压、电压时,输入信号经过π型低通滤波网络后输出,5.625°单元实施5.625°移相功能,在V0=1.8V电压、电压时,输入信号经过5.625°基础模块的第一晶体管(M1)的导通电阻后输出,5.625°单元仅为信号通路且不影响信号相位;
在V1=0V电压、电压时,输入信号经过π型低通滤波网络后输出,11.25°单元实施11.25°移相功能,在V1=1.8V电压、电压时,输入信号经过11.25°基础模块的第一晶体管(M1)的导通电阻后输出,11.25°单元仅为信号通路且不影响信号相位;
在V2=0V电压、电压时,输入信号经过π型低通滤波网络后输出,22.5°单元实施22.5°移相功能,在V2=1.8V电压、电压时,输入信号经过22.5°基础模块的第一晶体管(M1)的导通电阻后输出,22.5°单元仅为信号通路且不影响信号相位;
为保证移相器性能稳定,5.625°移相单元基础模块的第一电容(C1)和第二电容(C2)容值相等,11.25°移相单元基础模块的第一电容(C1)和第二电容(C2)容值相等,22.5°移相单元中基础模块的第一电容(C1)和第二电容(C2)容值相等。
参阅图4,所述45°移相单元,包括所述基础模块和第三电容(C3);其中,所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(M2)的漏极和第三电容(C3)的第一端相连;所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(M2)的源极和第三电容(C3)的第二端相连;所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V3,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
本发明的实施例中,45°单元的射频信号由INPUT端口输入,由OUTPUT端口输出;在V3=0V电压、电压时,输入信号经过π型低通滤波网络后输出,45°单元实施45°移相功能;在V3=1.8V电压、电压时,输入信号经过45°基础模块的第一晶体管(M1)的导通电阻后输出,45°单元仅为信号通路且不影响信号相位;为保证移相器性能稳定,45°移相单元基础模块的第一电容(C1)和第二电容(C2)容值相等。
参阅图5,所述90°移相单元,包括第三晶体管(M3),第四晶体管(M4),第三电感(L3),第四电感(L4),第四电容(C4),第五电容(C5),第六电容(C6);其中,所述第三晶体管(M3)的源极与第四电容(C4)的第一端、第六电容(C6)的第一端、单元电路输入端(INPUT)连接;所述第三晶体管(M3)的漏极与第三电感(L3)的第一端、第六电容(C6)的第二端连接;第三电感(L3)的第二端与第五电容(C5)的第一端、单元电路输出端(OUTPUT)连接;第四晶体管(M4)的漏极与第四电感(L4)的第一端、第四电容(C4)的第二端、第五电容(C5)的第二端连接;第四晶体管(M4)的源极与第四电感(L4)的第二端连接,并连接到地;第三晶体管(M3)的栅极接控制电压V4,第四晶体管(M4)的栅极接控制电压V4。
本发明的实施例中,90°单元的射频信号由INPUT端口输入,由OUTPUT端口输出;在V4=1.8V电压,输入信号经过π型低通滤波网络后输出,90°单元实施90°移相功能,在V4=0V电压时,第三晶体管(M3)的截止电容与第六电容(C6)并联,并与其串联的第三电感(L3)谐振成纯电阻,输入信号经过这一纯电阻后输出,90°单元仅为信号通路且不影响信号相位;为保证移相器性能稳定,90°移相单元中的第四电容(C4)和第五电容(C5)容值相等。
参阅图6,所述180°移相单元,包括第五晶体管(M5),第六晶体管(M6),第七晶体管(M7),第八晶体管(M8),第五电感(L5),第六电感(L6),第七电感(L7),第七电容(C7),第八电容(C8),第九电容(C9),第十电容(C10),第十一电容(C11);其中,所述第五晶体管(M5)的漏极与第七晶体管(M7)的漏极、单元电路输入端(INPUT)相连;第五晶体管(M5)的源极与第七电容(C7)的第一端、第五电感(L5)的第一端相连;第五电感(L5)的第二端与第六电感(L6)的第一端、第八电容(C8)的第一端相连;第六电感(L6)的第二端与第六晶体管(M6)的源极、第九电容(C9)第一端相连;第六晶体管(M6)的漏极与第八晶体管(M8)的漏极、单元电路输出端(OUTPUT)相连;第七晶体管(M7)的源极与第十电容(C10)的第一端相连;第十电容(C10)的第二端与第七电感(L7)的第一端、第十一电容(C11)的第一端相连;第十一电容(C11)的第二端与第八晶体管(M8)的源极相连;第七电容(C7)的第二端与第八电容(C8)的第二端、第九电容(C9)的第二端、第七电感(L7)的第二端相连,并连接到地;第五晶体管(M5)的栅极与第七晶体管(M7)的栅极相连,并连接控制电压V5;第六晶体管(M6)的栅极与第八晶体管(M8)的栅极相连,并连接控制电压
本发明的实施例中,180°单元的射频信号由INPUT端口输入,由OUTPUT端口输出;在V5=1.8V电压、电压时,输入信号经过π型低通滤波网络后输出,单元完成-90°的移相,在V5=0V电压、电压时,输入信号经过T型高通滤波网络后输出,完成+90°的移相。因此控制电压V5和在0V、1.8V两个数值间切换,可以使单元电路两工作状态共完成180°移相;为保证移相性能稳定,180°移相单元中的第五电感(L5)和第六电感(L6)感值相等;为保证移相性能稳定,180°移相单元中的第七电容(C7)、第八电容(C8)、第九电容(C9)的容值相等;为保证移相性能稳定,180°移相单元中的第十电容(C10)和第十一电容(C11)容值相等;为保证移相性能稳定,180°移相单元中的第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)完全相同;为保证移相性能稳定,180°移相单元中的第七晶体管(M7)和第八晶体管(M8)完全相同。
参阅图1,所述的第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)、第七晶体管(M7)、第八晶体管(M8)均为深阱NMOS晶体管。
图7是应用于X波段的6位移相器64种相位调节的结果。在8-12GHz的频率范围内,移相器均能够实现范围为360°、步进为5.625°的相位调节,意味着本发明实现了宽带的移相性能。
图8是应用于X波段的6位移相器64种插入损耗的结果,最大插损为-16.7dB。
图9是应用于X波段的6位移相器经计算后的相移RMS误差和幅度RMS误差,在低频处误差最大为4.2°,在8.3-12GHz的带宽内,RMS相移误差均≤2.5°,实现高精度移相的性能。
Claims (2)
1.一种用于X波段的数控移相器,包括依次连接的22.5°移相单元、180°移相单元、45°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、90°移相单元,各移相单元均为单输入单输出结构,射频信号由22.5°移相单元输入端口(INPUT)输入,最终由90°移相单元输出端口(OUTPUT)输出;所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元采用开关内嵌的低通、带通滤波切换结构,180°移相单元采用开关内嵌的高低通滤波切换结构;其中,
所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元和45°移相单元均包括基础模块,基础模块包括第一晶体管(M1),第二晶体管(M2),第一电感(L1),第二电感(L2),第一电容(C1),第二电容(C2);其中,所述第一晶体管(M1)的源极与第一电感(L1)的第一端、第一电容(C1)的第一端连接;所述第一晶体管(M1)的漏极与第一电感(L1)的第二端、第二电容(C2)的第一端连接;第二晶体管(M2)的漏极与第二电感(L2)的第一端、第一电容(C1)的第二端、第二电容(C2)的第二端连接;第二晶体管(M2)的源极与第二电感(L2)的第二端连接,并连接到地;
所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V0,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V1,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V2,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述45°移相单元,还包括第三电容(C3),所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的源极和单元电路输入端(INPUT)连接,第一晶体管(M1)的漏极和单元电路输出端(OUTPUT)连接;所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(M2)的漏极和第三电容(C3)的第一端相连;所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(M2)的源极和第三电容(C3)的第二端相连;所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(M1)的栅极接控制电压V3,基础模块的第二晶体管(M2)的栅极接控制电压
所述90°移相单元,包括第三晶体管(M3),第四晶体管(M4),第三电感(L3),第四电感(L4),第四电容(C4),第五电容(C5),第六电容(C6);其中,所述第三晶体管(M3)的源极与第四电容(C4)的第一端、第六电容(C6)的第一端、单元电路输入端(INPUT)连接;所述第三晶体管(M3)的漏极与第三电感(L3)的第一端、第六电容(C6)的第二端连接;第三电感(L3)的第二端与第五电容(C5)的第一端、单元电路输出端(OUTPUT)连接;第四晶体管(M4)的漏极与第四电感(L4)的第一端、第四电容(C4)的第二端、第五电容(C5)的第二端连接;第四晶体管(M4)的源极与第四电感(L4)的第二端连接,并连接到地;第三晶体管(M3)的栅极接控制电压V4,第四晶体管(M4)的栅极接控制电压V4;
所述180°移相单元,包括第五晶体管(M5),第六晶体管(M6),第七晶体管(M7),第八晶体管(M8),第五电感(L5),第六电感(L6),第七电感(L7),第七电容(C7),第八电容(C8),第九电容(C9),第十电容(C10),第十一电容(C11);其中,所述第五晶体管(M5)的漏极与第七晶体管(M7)的漏极、单元电路输入端(INPUT)相连;第五晶体管(M5)的源极与第七电容(C7)的第一端、第五电感(L5)的第一端相连;第五电感(L5)的第二端与第六电感(L6)的第一端、第八电容(C8)的第一端相连;第六电感(L6)的第二端与第六晶体管(M6)的源极、第九电容(C9)第一端相连;第六晶体管(M6)的漏极与第八晶体管(M8)的漏极、单元电路输出端(OUTPUT)相连;第七晶体管(M7)的源极与第十电容(C10)的第一端相连;第十电容(C10)的第二端与第七电感(L7)的第一端、第十一电容(C11)的第一端相连;第十一电容(C11)的第二端与第八晶体管(M8)的源极相连;第七电容(C7)的第二端与第八电容(C8)的第二端、第九电容(C9)的第二端、第七电感(L7)的第二端相连,并连接到地;第五晶体管(M5)的栅极与第七晶体管(M7)的栅极相连,并连接控制电压V5;第六晶体管(M6)的栅极与第八晶体管(M8)的栅极相连,并连接控制电压
2.根据权利要求1所述的数控移相器,其特征在于,所述的第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)、第七晶体管(M7)、第八晶体管(M8)均为深阱NMOS晶体管。
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