CN113949361A - 一种超宽带移相电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带移相电路，该电路包含第一单刀双掷开关电路、第二单刀双掷开关电路、全通滤波电路和带通滤波电路。本发明通过单刀双掷开关在全通滤波电路和带通滤波电路之间切换实现宽带移相，移相通路基于磁耦合全通网络结构实现所需宽带滞后相位，根据需要实现的移相量利用高通元件相位超前特性合理选择参考态高通元件的阶数，可以实现较宽的相频特性带宽；带通网络中的串联谐振和并联谐振改善了高通元件固有的在低频端和高频端的相位非线性特性，进一步展宽相位带宽；单刀双掷开关电路与移相网络匹配设计，可以实现更小的插入损耗和面积。该移相电路有工作带宽宽、插入损耗小、电路结构紧凑、性能稳定特点。

Description

一种超宽带移相电路
技术领域
本发明属于微电子与固体电子学的射频微波集成电路领域，涉及一种移相电路，尤其涉及一种超宽带移相电路。
背景技术
随着电子技术发展,相控阵雷达技术在通信、探测等众多领域具有广泛的应用。宽带相控阵雷达是目前雷达技术的研究热点之一，宽带信号可以使得雷达获得高的距离分辨率,在高精度测距和成像领域有重要的应用。宽带移相器作为宽带相控阵雷达的关键元件，其性能对整个雷达系统起着至关重要的作用。特别地，集成度较高的多通道多功能芯片对提升TR组件的性能至关重要，因此多通道多功能芯片对移相器小型化设计提出了更高的要求。
目前实现大移相量的单片集成移相器电路主要有传输线型和反射型。反射型移相器可以实现较宽的带宽，但是四分之一波长线占用较大的面积，不利于芯片小型化。传输线型移相器常用的结构有全通结构，以及全通结构和高通结构结合。[Hsiao-Yun Li,Jia-Shiang Fu, Analysis of Magnetically Coupled All-Pass Network for Phase-Shifter Design IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 62,NO. 9, SEPTEMBER 2014]提出了基于磁耦合全通网络结构，其移相通路和参考通路都选择全通网络结构，可以实现很宽的带宽，在实现大移相量时需要多个全通结构级联，增加损耗且不利于小型化设计。中国专利[CN110098818] 采用全通网络与高通网络相结合的结构，电路结构简单，利用高通元件在低频端产生更大的相位超前特性来实现宽带移相和小型化，同时也限制了其在S波段以上难以实现宽带性能。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种超宽带移相电路。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种超宽带移相电路，其特征在于，该电路包含第一单刀双掷开关电路，第二单刀双掷开关电路，全通滤波电路和带通滤波电路，所述第一单刀双掷开关电路包含第一开关管和第二开关管；第二单刀双掷开关电路包含第三开关管和第四开关管；全通滤波电路包含第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；带通滤波电路包含第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；其中，第一开关管第一端经第一电容与第三开关管的第一端连接，第一开关管的第二端与第二开关管的第一端相连，第二开关管的第二端经依次连接的第三电感、第三电容、第四电容、第五电容和第四电感后与第四开关管的第二端相连相连，第三开关管的第二端与第四开关管的第一端相连，第四开关管的第二端与第四电感相连；相邻两个开关管的栅极输入不同方向的电压，第一开关管与第二开关管的公共端连接第一信号通道；第三开关管与第四开关管的公共端连接第二信号通道，第一电容两端连接第一电感和第二电感的同名端，第一电感和第二电感根据需要的耦合系数项目缠绕后末端相连，末端连接第二电容后接地；，第三电容与第四电容的公共端连接并联的第五电感后接地，第四电容与第五电容的公共端连接并联的第六电感后接地。
优选地，所述第五电感还并联了第六电容后接地，第六电感还并联了第七电容后接地。
优选地，所述开关管为场效应晶体管。
优选地，通过在场效应晶体管的栅极施加不同方向的控制电压来选择全通滤波电路或带通滤波电路其中一路作为信号的传输路径。
采用上述技术方案带来的有益效果：结合实例
1、通过带通网络中的串联谐振和并联谐振改善了高通元件的相位非线性特性，实现了宽带特性带宽。
2、通过单刀双掷开关电路与移相网络匹配设计实现了低损耗和小型化。
3、本电路的结构简单紧凑，性能稳定，方便大批量生产节约了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例5～20GHz频段180°移相电路原理图。
图2～图4是本发明实施例5～20GHz频段180°移相电路的仿真曲线。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例工作在5～20GHz频段180°移相电路，原理图如图1所示。
该实例所述的开关管M为耗尽型FET管， Vgs或者Vgd施加-5V电压时，开关管处于截止状态，Vgs或者Vgd施加0V电压时，开关管处于导通状态。其中g为FET管的栅极，d为FET管的漏极，s为FET管的源级。
如图1所示180°移相电路中，单刀双掷开关采用纯串管结构与移相电路整体设计可以实现较低的损耗，参考态带通网络中的串联谐振和并联谐振改善了高通元件固有的在低频端和高频端的相位非线性特性，以展宽相频特性带宽。
该移相电路包括了第一单刀双掷开关电路、第二单刀双掷开关电路、全通滤波电路、带通滤波电路。通过切换第一单刀双掷开关电路和第二单刀双掷开关电路可以选择全通滤波电路和带通滤波电路其中一路作为信号的传输路径，利用两路在宽带内平坦的相位差实现宽带移相。
所述的第一单刀双掷开关电路采用纯串管结构设计，包括了开关管M1、开关管M2，第一单刀双掷开关电路的输入端与移相器的输入端相连，输出端一端与全通滤波电路相连，另一端与带通滤波电路相连。
所述的第二单刀双掷开关电路采用纯串管结构设计，包括了开关管M3、开关管M4，第二单刀双掷开关电路的输出端与移相器的输出端相连，输入端一端与全通滤波电路相连，另一端与带通滤波电路相连。
所述的全通滤波电路采用磁耦合全通网络结构，通过调整相互缠绕的电感间的耦合系数、电感值及串联和并联的电容值在宽带内提供需要的滞后相位，全通网络结构包括了相互耦合的第一电感L1和第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2。
所述的全通滤波电路，第一电容C1连接第一电感L1和第二电感L2的同名端，第一电容C1和第一电感L1的连接点、第一电容C1和第二电感L2的连接点分别作为全通滤波电路的输入端和输出端，全通滤波电路的输入端与第一单刀双掷开关电路的第一开关管M1的输出端相连，全通滤波电路的输出端与第二单刀双掷开关电路的第四开关管M4的输入端相连。第一电感L1和第二电感L2根据需要的耦合系数K、电感值L1和L2相互缠绕，相互缠绕后末端相连，连接点与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端接地.
所述的带通滤波电路提供超前相位，包括了第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7，第三电感L3的其中一端和第四电感L4的其中一端分别作为带通滤波电路的输入端和输出端，带通滤波电路的输入端与第一单刀双掷开关电路的第二开关管M2的输出端相连，全通滤波电路的输出端与第二单刀双掷开关电路的第四开关管M4的输入端相连。
所述的带通滤波电路，第三电感L3和第三电容C3组成的串联谐振电路与第四电容C4的一端相连，同时与第五电感L5和第六电容C6组成的串联谐振的一端相连，第五电感L5和第六电容C6组成的串联谐振的另一端接地，第四电感L4和第五电容C5组成的串联谐振电路与第四电容C4的另一端相连，同时与第六电感L6和第七电容C7的一端相连，第六电感L6和第七电容C7的另一端接地。
图2～图4为本发明5～20GHz移相电路的仿真曲线，图2为90度相移曲线，图3为90度相移插入损耗，图4为90度相移输入输出驻波，从图中可以看出，在5～20GHz频带内，该款结构相移器的移相精度非常高， 180度移相量的移相误差均小于±2°，损耗小于2.2dB。
关于图2～图4仿真曲线中标示的说明：插入损耗曲线中，0态代表参考态，1态代表移相态；输入输出驻波曲线中，state0代表参考态，state1代表移相态，i代表输入端，o代表输出端。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超宽带移相电路，其特征在于，该电路包含第一单刀双掷开关电路，第二单刀双掷开关电路，全通滤波电路和带通滤波电路，所述第一单刀双掷开关电路包含第一开关管和第二开关管；第二单刀双掷开关电路包含第三开关管和第四开关管；全通滤波电路包含第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；带通滤波电路包含第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；其中，第一开关管第一端经第一电容与第三开关管的第一端连接，第一开关管的第二端与第二开关管的第一端相连，第二开关管的第二端经依次连接的第三电感、第三电容、第四电容、第五电容和第四电感后与第四开关管的第二端相连相连，第三开关管的第二端与第四开关管的第一端相连，第四开关管的第二端与第四电感相连；相邻两个开关管的栅极输入不同方向的电压，第一开关管与第二开关管的公共端连接第一信号通道；第三开关管与第四开关管的公共端连接第二信号通道，第一电容两端连接第一电感和第二电感的同名端，第一电感和第二电感根据需要的耦合系数项目缠绕后末端相连，末端连接第二电容后接地；第三电容与第四电容的公共端连接第五电感后接地，第四电容与第五电容的公共端连接第六电感后接地。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带移相电路，其特征在于，所述第五电感还并联了第六电容后接地，第六电感还并联了第七电容后接地。
3.根据权利要求1或2所述的一种超宽带移相电路，其特征在于，所述开关管为场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的一种超宽带移相电路，其特征在于，通过在场效应晶体管的栅极施加不同方向的控制电压来选择全通滤波电路或带通滤波电路其中一路作为信号的传输路径。
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