CN114499456B - 一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于相控阵技术领域，涉及作为相控阵系统核心模块的有源移相器中的正交信号发生器，具体提供一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器，用以解决现有技术不能同时满足低插入损耗和宽带的问题。本发明通过两级基于变压器的hybrid级联的方式极大地拓宽了工作带宽，实现了15～40GHz的超宽带，覆盖了K波段以及Ka波段，也覆盖了国内5G的24.75‑27.5GHz及37‑42.5GHz两个频段，且在15～40GHz范围内具有良好的I/Q两路信号平衡性；同时，在同等带宽的条件下极大地降低了正交信号发生器引入的插入损耗，进而有效降低宽带移相器以至于宽带相控阵的功耗；综上，本发明提供了一种低插入损耗的宽带正交信号发生器，以满足超宽带有源移相器、甚至于超宽带相控阵的设计需求。
Description
技术领域
本发明属于相控阵技术领域，涉及作为相控阵系统核心模块的有源移相器，更进一步涉及有源移相器中的正交信号发生器，具体提供一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器。
背景技术
相控阵技术在无线通信系统和雷达系统中起着至关重要的作用，由于其高额的成本，相控阵技术大多用于国防与航天领域；但是，近年来，随着自动驾驶、5G毫米波通信等技术的高速发展，消费类市场对相控阵技术也产生了强烈的需求；作为相控阵系统中的核心模块，移相器的性能对相控阵的波束指向、波束扫描等核心指标有着至关重要的影响。
移相器的指标主要有移相精度、移相均方根误差、插入损耗、增益均方根误差、功耗等，其中，移相精度、移相均方根误差和增益均方根误差等影响相控阵的波束指向和旁瓣抑制比，而插入损耗和移相器引入的功耗对整个相控阵系统的功耗有着不可忽视的影响。通常移相器分为无源和有源两种；无源移相器线性度好、没有功耗，但是其相位带宽窄、占用面积大、插入损耗较大，为了弥补无源结构带来的较大插损，往往需要引入相对高增益放大器，而这导致功耗成本显著提高；有源移相器架构具有移相精度高、面积小、插损小等优势，并成为各方研究的热点。对于有源移相器来说，通常由正交信号发生器、可变增益放大器(VGA)、信号合成器三部分组成，虽然VGA能带来一定增益，但是正交信号发生器采用的无源结构引入的插入损耗通常会将VGA的增益消耗掉，并且其正交平衡性对移相器整体移相精度也起到重要影响；同时，尽管有源移相器的相位变化与频率无关，故而具有更大的带宽，但是正交信号发生器采用的无源结构往往会限制有源移相器的带宽；因此，开发一个低插损、宽带的正交信号发生器对高性能有源移相器设计至关重要；然而，传统的正交信号发生器，如正交全通滤波网络、RC多相网络具有明显的优缺点。
现有正交全通滤波网络(QAF)原理图如图1所示，其带宽较窄且与品质因数Q有关，虽然通过降低Q值可以扩大带宽，但是降低Q值意味着增大电阻R，进而必然引入较大的插入损耗，显然得不偿失；由此可见，正交全通滤波网络的主要优点在于引入插入损耗较小，缺点在于无法实现宽带设计，仅适用于窄带的移相器。
现有RC多相网络(PPF)分为typeⅠ和typeⅡ型两种，原理图分别如图2、图3所示，两种类型仅仅是第一级结构略微不一样；由图可见，该结构通过多级结构级联来得到多个极点从而实现宽带，但其引入了较大的电阻导致插入损耗比较大，并且n级RC多相网络就会引入n个电阻，进一步增大插入损耗。
综上所述，作为现有正交信号发生器，正交全通滤波网络引入插入损耗较低、但无法实现宽带，RC多相网络能够实现宽带、但无法规避插入损耗太大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有正交信号发生器不能同时满足低插入损耗和宽带的问题，提供一种基于两级hybrid(混合结构)的宽带正交信号发生器；本发明采用两级基于变压器耦合的hybrid结构实现了一个宽带的正交信号发生器，同时引入的插入损耗相比于RC多相网络具有显著改善。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器，其特征在于，包括：第一级hybrid与第二级hybrid，其中，第一级hybrid包括：hybrid单元L1与hybrid单元L2，第二级hybrid包括：hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6；hybrid单元L1的输入端连接输入差分信号IN+、耦合端连接hybrid单元L3的输入端、直通端连接hybrid单元L4的输入端，hybrid单元L2的输入端连接输入差分信号IN-、直通端连接hybrid单元L5的输入端、耦合端连接hybrid单元L6的输入端，hybrid单元L3的耦合端与hybrid单元L5的直通端相连输出正交差分信号Q+，hybrid单元L3的直通端与hybrid单元L4的耦合端相连输出正交差分信号I+，hybrid单元L4的直通端与hybrid单元L6的耦合端相连输出正交差分信号Q-，hybrid单元L5的耦合端与hybrid单元L6的直通端相连输出正交差分信号I-；hybrid单元L1与hybrid单元L2的隔离端分别连接电阻R1后接地，hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6的隔离端分别连接电阻R2后接地。
进一步的，hybrid单元L1与hybrid单元L2的结构参数相同、谐振频率均为ω1，hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6的结构参数相同、谐振频率均为ω2，且ω1≠ω2。
进一步的，所述hybrid单元由变压器与两个电容C构成，所述变压器为1:1变压器，并且，变压器的耦合端与直通端位于同一侧、输入端与隔离端位于另一侧，所述电容C分别连接于输入端与耦合端之间、直通端与隔离端之间。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器，通过使用两级基于变压器的hybrid级联的方式极大地拓宽了工作带宽，实现了15～40GHz的超宽带，覆盖了K波段以及Ka波段，也覆盖了国内5G的24.75-27.5GHz及37-42.5GHz两个频段，且在15～40GHz范围内具有良好的I/Q两路信号平衡性；同时，相比于RC多相网络，在同等带宽的条件下，极大地降低了正交信号发生器引入的插入损耗，进而有效降低宽带移相器以至于宽带相控阵的功耗；综上，本发明提供了一种低插入损耗的宽带正交信号发生器，以满足超宽带有源移相器的设计需求，进而实现超宽带相控阵设计。
附图说明
图1为现有正交全通滤波网络(QAF)的电路原理图。
图2为现有typeⅠ型RC多相网络(PPF)的电路原理图。
图3为现有typeⅡ型RC多相网络(PPF)的电路原理图。
图4为本发明基于两级hybrid的宽带正交信号发生器的电路原理图。
图5为本发明中基于变压器的单级hybrid等效电路图。
图6为本发明中优化后基于变压器的单级hybrid等效电路图。
图7为本发明中优化后基于变压器的单级hybrid的HFSS模型图。
图8为本发明实施例中两级hybrid的宽带正交信号发生器的四路差分正交信号的幅度不平衡仿真结果图。
图9为本发明实施例中两级hybrid的宽带正交信号发生器的四路差分正交信号的绝对相位仿真结果图。
图10为本发明实施例中两级hybrid的宽带正交信号发生器的四路差分正交信号的相位不平衡仿真结果图。
图11为本发明实施例中两级hybrid的宽带正交信号发生器的四路差分正交信号的插入损耗仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器，基于先进半导体工艺解决了现有正交信号发生器不能同时满足低插入损耗和宽带的问题；本实施例通过采用两级基于变压器的hybrid级联的方式，实现了一个低插入损耗的宽带正交信号发生器，以满足高性能有源移相器的设计需求。
上述基于两级hybrid的宽带正交信号发生器的电路原理图如图4所示，包括：第一级hybrid与第二级hybrid，其中，第一级hybrid包括：hybrid单元L1与hybrid单元L2，第二级hybrid包括：hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6；hybrid单元L1的输入端连接输入差分信号IN+、耦合端连接hybrid单元L3的输入端、直通端连接hybrid单元L4的输入端，hybrid单元L2的输入端连接输入差分信号IN-、直通端连接hybrid单元L5的输入端、耦合端连接hybrid单元L6的输入端，hybrid单元L3的耦合端与hybrid单元L5的直通端相连输出正交差分信号Q+，hybrid单元L3的直通端与hybrid单元L4的耦合端相连输出正交差分信号I+，hybrid单元L4的直通端与hybrid单元L6的耦合端相连输出正交差分信号Q-，hybrid单元L5的耦合端与hybrid单元L6的直通端相连输出正交差分信号I-；hybrid单元L1与hybrid单元L2的隔离端分别连接电阻R1后接地，hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6的隔离端分别连接电阻R2后接地。
上述hybrid单元L1、hybrid单元L2与hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5、hybrid单元L6具有相同的结构；所述hybrid单元由变压器与两个电容C(对应于hybrid单元L1～L6依次为C1～C6)构成，所述变压器由两个相同的电感互相耦合实现、即为1:1变压器，并且，变压器的耦合端与直通端位于同一侧、输入端与隔离端位于另一侧，所述电容C分别连接于输入端与耦合端之间、直通端与隔离端之间；进一步的，hybrid单元L1与hybrid单元L2的结构参数相同、即：L1＝L2、CM1＝CM2、C1＝C2，hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6的结构参数相同、即：L3＝L4＝L5＝L6、CM3＝CM4＝CM5＝CM6、C3＝C4＝C5＝C6。
从工作原理上讲
基于变压器的单级hybrid等效电路如图5所示，其主要由两个电感、两个电感之间的寄生电容以及两个电感与地平面之间的寄生电容构成，且两个电感互相耦合；其中，Cg为hybrid走线与地平面之间的寄生电容，CM为hybrid线圈之间的寄生电容，IN为输入端，THRU为直通端，CPL为耦合端，ISO为隔离端；为了与后一级连接走线方便，通常将直通端与耦合端置于一侧，同时考虑到Cg较小，故单级hybrid优化后等效原理图采用图6所示的结构；优化后的基于变压器的单级hybrid的直通端和耦合端置于同一侧，可以在与后一级连接时更容易保证两路信号走线长度一致，从而保证不会引入额外的相位误差和幅度误差，如图6的HFSS模型所示。
单级hybrid通常具有较宽的相位带宽，但是插入损耗带宽较窄；为了进一步拓宽插入损耗的带宽，基于优化后的单级hybrid，本发明采用两级hybrid级联的方式实现一个超宽带正交信号发生器，其原理图如图4所示，电容C1、C2相等并分别与第一级hybrid结构中的电感L1、电感L2形成谐振网络；电容C3、C4、C5、C6相等并分别与第二级hybrid结构中的电感L3、电感L4、电感L5、电感L6形成谐振网络；电阻R1、R2则是为了保证隔离端口的阻抗匹配。同时，输入为差分信号、分别为IN+和IN-，二者幅度相等、相位差为180°；输出为四路差分正交信号，I+、Q+、I-、Q-中I+和I-、Q+和Q-为两对差分信号，而I与Q为差分信号。
差分输入信号经过第一级hybrid产生差分正交信号，IN+信号在直通端输出相位为0°、在耦合端输出相位为90°，同理，IN-信号在直通端输出相位为180°、在耦合端输出相位为270°；
经过第一级的两个变压器实现的差分正交信号0°、90°、180°和270°又输入下一级的hybrid结构，继续产生差分正交信号；0°信号输入第二级之后得到0°和90°信号，90°信号输入第二级之后得到90°和180°信号，180°信号输入第二级之后得到180°和270°信号，270°信号输入第二级之后得到270°和0°信号；
最后，经过两级hybrid结构之后，差分信号IN+(0°)和IN-(0°)转换为两个相位为0°的信号、两个相位为90°的信号、两个相位为180°的信号以及两个相位为270°的信号，将这四组两两相位相同的信号分别合成输出，得到了I+(90°)、I-(270°)、Q+(180°)和Q-(0°)四个差分正交信号；
在两级hybrid结构中，第一级的两个hybrid结构参数一样，其中，L1＝L2，CM1＝CM2，C1＝C2；第二级的四个hybrid结构参数一样，其中，L3＝L4＝L5＝L6，CM3＝CM4＝CM5＝CM6，C3＝C4＝C5＝C6；第一级hybrid结构谐振频率为ω1，第二级hybrid结构谐振频率为ω2，保证ω1≠ω2，即第一级与第二级谐振点不同，从而实现一个宽频带；更为具体的讲，本实施例中，电容C1＝C2＝42fF，电容C3＝C4＝C5＝C6＝24fF；电阻R1＝40Ω，电阻R2＝50Ω。
通过上述两级hybrid级联能够有效拓宽工作带宽，本实施例两级hybrid结构能够实现15～40GHz范围内I/Q两路插入损耗误差仅在0.5dB以内，实现了宽带条件下I/Q两路优异的幅度平衡性，如图8所示；在15～40GHz频带内，本实施例两级hybrid结构能够实现较好的正交相位，仿真结果如图9所示；I/Q两路相位不平衡仿真结果如图10所示，在频带15-40GHz内相位不平衡均小于3°，实现了宽带情况下优异的相位平衡性。
相比于正交全通滤波器，本实施例两级hybrid结构拓宽了的带宽，实现了绝对带宽25GHz，相对带宽91％；相比于RC多相网络，本实施例两级hybrid结构降低了插入损耗；在15～40GHz频带范围内，两级hybrid结构引入的插入损耗小于5dB，而实现同等带宽的情况下，两级RC多相网络通常会引入7dB以上的插入损耗，如图11所示。
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)
1.一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器，其特征在于，包括：第一级hybrid与第二级hybrid，其中，第一级hybrid包括：hybrid单元L1与hybrid单元L2，第二级hybrid包括：hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6；hybrid单元L1的输入端连接输入差分信号IN+、耦合端连接hybrid单元L3的输入端、直通端连接hybrid单元L4的输入端，hybrid单元L2的输入端连接输入差分信号IN-、直通端连接hybrid单元L5的输入端、耦合端连接hybrid单元L6的输入端，hybrid单元L3的耦合端与hybrid单元L5的直通端相连输出正交差分信号Q+，hybrid单元L3的直通端与hybrid单元L4的耦合端相连输出正交差分信号I+，hybrid单元L4的直通端与hybrid单元L6的耦合端相连输出正交差分信号Q-，hybrid单元L5的耦合端与hybrid单元L6的直通端相连输出正交差分信号I-；hybrid单元L1与hybrid单元L2的隔离端分别连接电阻R1后接地，hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6的隔离端分别连接电阻R2后接地；
hybrid单元L1与hybrid单元L2的结构参数相同、谐振频率均为ω1，hybrid单元L3、hybrid单元L4、hybrid单元L5与hybrid单元L6的结构参数相同、谐振频率均为ω2，且ω1≠ω2；
所述hybrid单元由变压器与两个电容C构成，所述变压器为1:1变压器，并且，变压器的耦合端与直通端位于同一侧、输入端与隔离端位于另一侧，所述电容C分别连接于输入端与耦合端之间、直通端与隔离端之间。
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