CN113810022B - 一种基于x型反相器的5比特矢量调制型移相器 - Google Patents
一种基于x型反相器的5比特矢量调制型移相器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113810022B CN113810022B CN202111003549.2A CN202111003549A CN113810022B CN 113810022 B CN113810022 B CN 113810022B CN 202111003549 A CN202111003549 A CN 202111003549A CN 113810022 B CN113810022 B CN 113810022B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transistor
- phase
- inverter
- output
- type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 19
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/02—Multiple-port networks
- H03H11/16—Networks for phase shifting
Landscapes
- Networks Using Active Elements (AREA)
Abstract
本发明属于射频集成电路领域，提供一种基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器，应用于150～170GHz频段。本发明中输入信号进入90°电桥，90°电桥输出两路正交信号，两路正交信号分别依次经过一个可变增益放大器与一个X型反相器后，由威尔金森功率合成器中完成矢量合成后输出；本发明提出X型反相器，具有面积更小、相位误差更小的优点，并且基于该X型反相器实现对两路正交信号的相位控制，同时通过可变增益放大器实现两路正交信号的幅度控制，最终控制输出信号的相位，实现全360°范围、11.25°步进的移相效果；基于此，本发明提供的移相器在目标频段能够实现精确移相，同时显著降低了移相器的面积与RMS移相误差。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，涉及D波段移相器，具体提供一种基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器，应用于150～170GHz频段。
背景技术
太赫兹波段(0.1～3THz)具有丰富的频谱资源、强穿透力和良好的方向性，在太空、医疗、通信领域具有很大的应用潜力；在众多太赫兹频谱中，D波段以其较大的带宽成为了高速通信的备选波段之一。D波段移相器作为D波段相控阵收发机的关键模块之一，逐渐成为研究热点。
在文献“Analysis and Design of a CMOS Bidirectional Passive Vector-Modulated Phase Shifter(P.Gu,D.Zhao and X.You,2021TCAS-Ⅰ,pp.1398-1408,2021)”中提出了一种70～90GHz的移相器，如图2所示；其核心模块是两个X型衰减器，可以同时实现反相与幅度控制的功能，从而生成目标相位值。然而，该文献中将NMOS晶体管抽象成一个电阻与两个电容并联的π型网络，但是在太赫兹波段，由于寄生效应越发明显，NMOS晶体管不能简单地认为是电阻与电容并联的π型网络，X型衰减器幅度控制的效果会显著下降，因此难以应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器，应用于150～170GHz频段；本发明采用矢量调制结构，创新地提出X型反相器，并使用X型反相器控制两路正交信号的相位，同时通过可变增益放大器控制两路正交信号的幅度，最终控制输出信号的相位；本发明提供的移相器在目标频段能够实现精确移相，同时占用更小的面积。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器，包括：90°电桥、可变增益放大器、X型反相器及威尔金森功率合成器；其特征在于，输入信号进入90°电桥，90°电桥的直通端和耦合端输出两路正交信号；两路正交信号分别依次经过一个可变增益放大器与一个X型反相器后，由威尔金森功率合成器中完成矢量合成后输出；
所述X型反相器包括：NMOS晶体管M1～M4，传输线电感L1、传输线电感L2，以及输入马相巴伦、输出马相巴伦；其中，晶体管M1与晶体管M2的源极相连、晶体管M3与晶体管M4的源极相连、晶体管M1与晶体管M3的漏极相连、晶体管M2与晶体管M4的漏极相连，晶体管M1与晶体管M4的栅极连接控制电压VC1，晶体管M2与晶体管M3的栅极连接控制电压VC2；传输线电感L1连接于晶体管M1与晶体管M4的源极之间，传输线电感L2连接于晶体管M1与晶体管M4的漏极之间；输入马相巴伦的单端接输入信号、两个差分端分别接在晶体管M1与晶体管M4的源极，输出马相巴伦的两个差分端分别接接晶体管M1、M4的漏极，单端接输出；当VC1为高(1.5V)、VC2为低(0.45V)时，X型反相器处于参考状态；当VC1为低(0.45V)、VC2为高(1.5V)时，X型反相器处于反相状态。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器，采用矢量调制结构，创新地提出X型反相器，与传统开关吉尔伯特单元反相器相比，具有面积更小、相位误差更小的优点；并且，基于该X型反相器实现对两路正交信号的相位控制，同时通过可变增益放大器实现两路正交信号的幅度控制，最终控制输出信号的相位，实现全360°范围、11.25°步进的移相效果；基于此，本发明提供的移相器在目标频段能够实现精确移相，同时显著降低了移相器的面积与RMS移相误差。
附图说明
图1为本发明基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器的系统框图。
图2为现有基于X型衰减器的移相器的系统框图。
图3为本发明实施例中基于X型反相器的150-170GHz 5比特矢量调制型移相器中可变增益放大器的电路图。
图4为本发明实施例中基于X型反相器的150-170GHz 5比特矢量调制型移相器的X型反相器的电路图。
图5为本发明实施例中基于X型反相器的150-170GHz 5比特矢量调制型移相器的仿真结果图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的部件或特征。
实施例1
本实施例提供一种基于X型反相器的150-170GHz 5比特矢量调制型移相器，其结构如图1所示，引入X型反相器，其与传统开关吉尔伯特单元反相器相比，具有更小的面积与更低的相位误差；具体包括：90°电桥、可变增益放大器、X型反相器及威尔金森功率合成器；其中，输入信号进入90°电桥，90°电桥的隔离端接50Ω电阻到地，90°电桥的直通端和耦合端输出两路正交信号；两路正交信号分别依次经过一个可变增益放大器与一个X型反相器后，由威尔金森功率合成器中完成矢量合成后输出。
更为具体的讲：
所述可变增益放大器如图3所示，包括：由晶体管Q1和晶体管Q2组成的Cascode结构、增益控制晶体管Q3以及输入输出匹配网络；晶体管Q1的基极通过输入匹配网络连接信号输入端RFin，晶体管Q1的基极还通过偏置电阻R1连接偏置电压Vb1，晶体管Q1的发射极接地，晶体管Q1的集电极连接晶体管Q2的发射极；晶体管Q2的集电极通过输出匹配网络连接信号输出端RFout，晶体管Q2的集电极还通过电感TL3连接电源电压Vdd，晶体管Q2的基极还通过偏置电阻R2连接偏置电压Vb2；增益控制晶体管Q3的发射极连在晶体管Q1的集电极与晶体管Q2的发射极之间，集电极接电源电压Vdd，基级通过偏置电阻R3接控制电压VC；通过改变控制电压VC的值，可以改变放大器主信号通路上的电流，从而改变增益；
本实施例中，所述可变增益放大器中晶体管Q1～Q3均为6个multiplier的发射极长为900nm、宽为70nm的BJT晶体管；偏置电阻R1～R3电阻值均为1K，偏置电压Vb1为0.9V，偏置电压Vb2为2.1V，电源电压Vdd为2.5V；输入匹配中，电容C1为28fF，传输线电感TL1长为80μm，传输线电感TL2长为105μm；输出匹配中，电容C2为28fF,传输线电感TL3长为40μm，传输线电感TL4长为90μm，传输线电感TL5长为120μm；所有传输线电感的特征阻抗均为50Ω。
所述X型反相器如图4所示，包括：NMOS晶体管M1～M4，传输线电感L1、L2，以及输入马相巴伦、输出马相巴伦；传输线电感用来在目标频率处与晶体管寄生电容谐振，从而消除掉寄生电容的影响；在太赫兹波段，变压器巴伦由于自谐振问题而不再适用，因此只能用马相巴伦实现单端与差分的转换；输入马相巴伦的单端接输入信号、两个差分端分别接在晶体管M1与M4的源极，晶体管M1、M2的源极连在一起、晶体管M3、M4的源极连在一起、晶体管M1、M3的漏极连在一起、晶体管M2、M4的漏极连在一起，晶体管M1、M4的栅极连接控制电压VC1，晶体管M2、M3的栅极连接控制电压VC2；传输线电感L1连在晶体管M1、M4的源极之间，传输线电感L2连在晶体管M1、M4的漏极之间；输出马相巴伦的两个差分端分别接接晶体管M1、M4的漏极，单端接输出；本实施例中，晶体管M1～M4栅长L均为130nm、栅宽W为39μm；传输线电感L1、L2电感值均为70pH；当VC1为1.5V、VC2为0.45V时，X型反相器处于参考状态；当VC1为0.45V、VC2为1.5V时，X型反相器处于反相状态。
从工作原理上讲：本实施例的基于X型反相器的150-170GHz 5比特矢量调制型移相器中，输入信号经过90°电桥变为两路正交信号，每一路正交信号上包含一个X型反相器与一个可变增益放大器；当X型反相器控制信号为状态1时，通过X型反相器的信号相位不变；当X型反相器控制信号为状态2时，通过X型反相器的信号相位增加180°，起到反相的效果；通过改变可变增益放大器的控制电压，能够改变可变增益放大器的增益，从而改变通过可变增益放大器信号的幅值；从90°电桥出来的两路正交信号经过各自信号通路上X型反相器与可变增益放大器的处理，最终能够实现全360°范围，11.25°步进的移相效果。矢量合成部分在威尔金森功率合成器完成。
本实施例中，在采用基于X型反相器的矢量调制结构后，其移相效果与RMS相位误差如图5所示；由图可见，本发明能够实现在360°范围内，11.25°步进的移相效果，且RMS相位误差最大只有2.43°；同时，本实施例的核心电路面积仅有0.27mm2；即与其他D波段移相器相比，本发明具有更低的RMS相位误差与更小的面积。
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)
1.一种基于X型反相器的5比特矢量调制型移相器，包括：90°电桥、可变增益放大器、X型反相器及威尔金森功率合成器；其特征在于，输入信号进入90°电桥，90°电桥的直通端和耦合端输出两路正交信号；两路正交信号分别依次经过一个可变增益放大器与一个X型反相器后，由威尔金森功率合成器中完成矢量合成后输出；
所述X型反相器包括：NMOS晶体管M1~M4，传输线电感L1、传输线电感L2，以及输入马相巴伦、输出马相巴伦；其中，晶体管M1与晶体管M2的源极相连、晶体管M3与晶体管M4的源极相连、晶体管M1与晶体管M3的漏极相连、晶体管M2与晶体管M4的漏极相连，晶体管M1与晶体管M4的栅极连接控制电压VC1，晶体管M2与晶体管M3的栅极连接控制电压VC2；传输线电感L1连接于晶体管M1与晶体管M4的源极之间，传输线电感L2连接于晶体管M1与晶体管M4的漏极之间；输入马相巴伦的单端接输入信号、两个差分端分别接在晶体管M1与晶体管M4的源极，输出马相巴伦的两个差分端分别接晶体管M1、M4的漏极，单端接输出；当VC1为高、VC2为低时，X型反相器处于参考状态；当VC1为低、VC2为高时，X型反相器处于反相状态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111003549.2A CN113810022B (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种基于x型反相器的5比特矢量调制型移相器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111003549.2A CN113810022B (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种基于x型反相器的5比特矢量调制型移相器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113810022A CN113810022A (zh) | 2021-12-17 |
| CN113810022B true CN113810022B (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=78942242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111003549.2A Active CN113810022B (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种基于x型反相器的5比特矢量调制型移相器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113810022B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203491990U (zh) * | 2013-09-22 | 2014-03-19 | 合肥正弦波无线技术有限公司 | 一种信号幅度可调的移相器 |
| US9548704B1 (en) * | 2015-12-30 | 2017-01-17 | International Business Machines Corporation | Balun based phase inverter using replica load |
| CN111726096A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-29 | 合肥工业大学 | 一种用于可重构天线阵列波束形成的矢量调制移相器 |
-
2021
- 2021-08-30 CN CN202111003549.2A patent/CN113810022B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203491990U (zh) * | 2013-09-22 | 2014-03-19 | 合肥正弦波无线技术有限公司 | 一种信号幅度可调的移相器 |
| US9548704B1 (en) * | 2015-12-30 | 2017-01-17 | International Business Machines Corporation | Balun based phase inverter using replica load |
| CN111726096A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-29 | 合肥工业大学 | 一种用于可重构天线阵列波束形成的矢量调制移相器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Peng Gu 等.Analysis and Design of a CMOS Bidirectional Passive Vector-Modulated Phase Shifter.《IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅰ: Regular Papers》.2021,第68卷(第4期),第1398-1408页. * |
| Zhenyi Zhang 等.A 150-170GHz 5-Bit Vector-Modulated Phase Shifter Based on X-type Phase Inverter Technique.《2021 IEEE International Conference on Integrated Circuits, Technologies and Applications》.2022,第22-23页. * |
| 刘金源 等.S波段功分移相器设计.《2015年全国微波毫米波会议论文集》.2015,第732-735页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113810022A (zh) | 2021-12-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110212887B (zh) | 一种射频有源移相器结构 | |
| CN103532493B (zh) | 一种低功耗高增益宽带混频器 | |
| CN105207644B (zh) | 一种基于矢量合成的片上有源移相器 | |
| Ameen et al. | A 28 GHz four-channel phased-array transceiver in 65-nm CMOS technology for 5G applications | |
| CN112671344B (zh) | 一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器 | |
| Sarkas et al. | W-band 65-nm CMOS and SiGe BiCMOS transmitter and receiver with lumped IQ phase shifters | |
| CN111865221A (zh) | 一种硅基毫米波接收前端电路 | |
| Gao et al. | A 20–42-GHz IQ receiver in 22-nm CMOS FD-SOI with 2.7–4.2-dB NF and− 25-dBm IP1dB for wideband 5G systems | |
| CN112332806B (zh) | 一种高增益低噪声射频移相器 | |
| CN111969956A (zh) | 一种Ka波段宽带上变频器 | |
| US8497738B2 (en) | Broadband power combining method and high power amplifier using same | |
| CN114514704A (zh) | 用于毫米波无线通信的宽带发射器 | |
| Kalyoncu et al. | A 26-GHz vector modulator in 130-nm SiGe BiCMOS achieving monotonic 10-b phase resolution without calibration | |
| Kijsanayotin et al. | A 70-GHz LO phase-shifting bidirectional frontend using linear coupled oscillators | |
| CN113114151B (zh) | 一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统 | |
| TW200937881A (en) | Wideband active balance converter of Darlington pair | |
| Wu et al. | A 60-GHz single-ended-to-differential vector sum phase shifter in CMOS for phased-array receiver | |
| CN113810022B (zh) | 一种基于x型反相器的5比特矢量调制型移相器 | |
| Wang et al. | A 60-GHz Phased Array Receiver Front-End in 0.13-$\mu {\hbox {m}} $ CMOS Technology | |
| Drenkhahn et al. | A V-Band vector modulator based phase shifter in BiCMOS 0.13 µm SiGe technology | |
| CN114499456B (zh) | 一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器 | |
| Sah et al. | An ultra-wideband 15–35 GHz phase-shifter for beamforming applications | |
| CN112787628A (zh) | 一种超宽带可重构有源移相器 | |
| Zhang et al. | A 77-101GHz 6-bit vector-modulated phase shifter with low rms error in 65nm SOI CMOS | |
| Gharaba et al. | A 2mW, 60GHz Mixer First I/Q Receiver in 28nm CMOS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |