CN115396048B - 一种无源宽带正交信号校准电路和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无源宽带正交信号校准电路和系统，包括：正交校准单元，所述正交校准单元设有I+输入端、I‑输入端、Q+输入端、Q‑输入端、I+输出端、I‑输出端、Q+输出端和Q‑输出端；所述正交校准单元包括第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器；上述任一正交耦合器均包括输入端、耦合端、直通端和隔离端；若干个所述正交校准单元相互级联。本发明提出一种无源宽带正交信号校准电路，能够在无校准反馈环路或电路重构的情况下，同时减小整个工作频段内正交信号的幅度、相位失配。该正交校准电路采用无源结构，不产生额外功耗，对集成电路制造工艺节点无要求，无截止频率的限制，适合用于毫米波/微波系统。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频集成电路技术领域，具体而言，涉及一种无源宽带正交信号校准电路和系统。
背景技术
正交信号又称为I/Q信号，广泛应用于矢量调制移相器、镜像抑制混频器、微波相位相关器等芯片或单元电路中，其正交品质极大的影响上述芯片或电路的移相精度、镜像抑制比、相位检测精度等关键指标。
衡量正交信号的品质的指标主要是I/Q幅度一致性、I/Q相位正交误差，而这两个指标又与正交信号带宽有关。通常随着带宽增加，I/Q幅度失配和相位失配会变得愈加严重。目前对正交信号进行正交校准主要是通过在模拟域或数字域检测正交信号的幅度和相位失配，然后通过模拟或者数字反馈信号调整I/Q两路的幅度和相位，减少其失配。但该基于反馈环路的校准方法通常只能对工作带宽内的单频点进行校准，其校准量将作用于整个频带，因此只能在校准频点附近获得比较好的校准效果，而随着带宽增加，在远离校准频点处校准效果较差，有时甚至会恶化正交品质。因此传统基于反馈的正交校准电路并不适合宽带I/Q信号的校准。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在现有正交信号校准装置校准效果较差，存在恶化正交品质风险的技术问题之一。
为此，本发明第一方面提供了一种无源宽带正交信号校准电路。
本发明第二方面提供了一种无源宽带正交信号校准系统。
本发明提供了一种无源宽带正交信号校准电路，包括：正交校准单元，所述正交校准单元设有I+输入端、I-输入端、Q+输入端、Q-输入端、I+输出端、I-输出端、Q+输出端和Q-输出端；
所述正交校准单元包括第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器；上述任一正交耦合器均包括输入端、耦合端、直通端和隔离端；
所述第一正交耦合器的输入端作为正交校准单元的I+输入端，所述第二正交耦合器的输入端作为正交校准单元的Q+输入端，所述第三正交耦合器的输入端作为正交校准单元的I-输入端，所述第四正交耦合器的输入端作为正交校准单元的Q-输入端；
所述第一正交耦合器的耦合端与第二正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的I+输出端；所述第二正交耦合器的耦合端与第三正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的Q+输出端；第三正交耦合器的耦合端与第四正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的I-输出端；第四正交耦合器的耦合端与第一正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的Q-输出端。
根据本发明上述技术方案的一种无源宽带正交信号校准电路，还可以具有以下附加技术特征：
在上述技术方案中，所述第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器中任一正交耦合器的隔离端经匹配电阻在正交耦合器内部接地。
在上述技术方案中，所述正交耦合器采用集总参数的正交耦合器或分布参数的正交耦合器。
在上述技术方案中，所述正交耦合器采用Lange耦合器或基于变压器的正交耦合器。
在上述技术方案中，所述第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器的结构相同，包括：第一电感、第二电感、第一至第六电容；
第一电感与第二电感相互耦合；
第一电感的一端分别与第一电容的一端、第三电容的一端、正交耦合器的输入端相连，另一端分别与第二电容的一端、第四电容的一端、正交耦合器的直通端相连；第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地；
第二电感的一端分别与第五电容的一端、第三电容的另一端、正交耦合器的耦合端相连，另一端分别与第六电容的一端、第四电容的另一端、正交耦合器的隔离端相连；第五电容的另一端接地，第六电容的另一端接地。
在上述技术方案中，所述匹配电阻的阻值为40～60欧姆。
在上述任一技术方案中，包括至少两个正交校准单元，若干个所述正交校准单元相互级联。
在上述技术方案中，若干个所述正交校准单元的内部电路和接口相同。
在上述技术方案中，上一级正交校准单元的I+输出端连接下一级正交校准单元的I+输入端，上一级正交校准单元的I-输出端连接下一级正交校准单元的I-输入端，上一级正交校准单元的Q+输出端连接下一级正交校准单元的Q+输入端，上一级正交校准单元的Q-输出端口连接下一级正交校准单元的Q-输入端口。
本发明还提供了一种无源宽带正交信号校准系统，包括如上述技术方案中任一项所述的一种无源宽带正交信号校准电路。
综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：
本发明提出一种无源宽带正交信号校准电路，能够在无校准反馈环路或电路重构的情况下，同时减小整个工作频段内正交信号的幅度、相位失配，因此能够对宽带正交信号进行校准。该正交校准电路采用无源结构，不产生额外功耗，对集成电路制造工艺节点无要求，无截止频率的限制，特别适合用于毫米波/微波系统。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的一种无源宽带正交信号校准电路的功能框图；
图2是本发明一个实施例的一种包含三级正交校准单元的无源宽带正交信号校准电路的功能框图；
图3是本发明一个实施例的一种无源宽带正交信号校准电路中正交校准单元的结构示意图；
图4是本发明一个实施例的一种无源宽带正交信号校准电路中正交耦合器的电路示意图；
图5是本发明一个实施例的一种无源宽带正交信号校准电路中正交耦合器在4-24GHz频段内输入端到直通端和耦合端的幅度失配情况示意图；
图6是本发明一个实施例的一种无源宽带正交信号校准电路中正交耦合器在4-24GHz频段内输入端到直通端和耦合端的相位差情况示意图；
图7是本发明一个实施例的一种无源宽带正交信号校准电路在宽频段内对有失配的I/Q两路信号进行正交校准后的正交性能以及与校准前的正交性能的对比情况示意图。
其中，图1至图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
11、第一正交校准单元；12、第二正交校准单元；13、第三正交校准单元；
31、第一正交耦合器；32、第二正交耦合器；33、第三正交耦合器；34、第四正交耦合器；
L1、第一电感；L2、第二电感；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；C5、第五电容；C6、第六电容。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图7来描述根据本发明一些实施例提供的一种无源宽带正交信号校准电路。
本申请的一些实施例提供了一种无源宽带正交信号校准电路。
如图1至图7所示，本发明第一个实施例提出了一种无源宽带正交信号校准电路，无源宽带正交信号校准电路由N个正交校准单元相互级联构成，每个正交校准单元的内部电路和接口完全一致。正交校准单元的8个对外端口分别为I+输入端、I-输入端、Q+输入端、Q-输入端、I+输出端、I-输出端、Q+输出端、Q-输出端。
具体地，包括第一正交校准单元11和第二正交校准单元12，其中第一正交校准单元11的I+输出端连接第二正交校准单元12的I+输入端，第一正交校准单元11的I-输出端连接第二正交校准单元12的I-输入端，第一正交校准单元11的Q+输出端连接第二正交校准单元12的Q+输入端，第一正交校准单元11的Q-输出端连接第二正交校准单元12的Q-输入端。
存在幅度、相位失配的差分正交信号输入第一正交校准单元11，经过校准后的正交信号输入第二正交校准单元12，第二正交校准单元12与第一正交校准单元11端口和内部结构完全一样，用于对第一正交网络输出的正交信号进一步校准。本电路中的正交校准单元可重复级联，重复连接方式与第一正交校准单元11和第二正交校准单元12的连接方式相同，形成N级校准网络，但随着级联级数增加，网络的插损也会变大。通过仿真可知，两级正交校准单元就可取得很好的校准效果。
正交校准单元由4个相同的正交耦合器组成。正交耦合器有四个输入输出端口，分别为输入端、耦合端、直通端和隔离端，其中隔离端通过50欧姆的匹配电阻在正交耦合器内部接地。正交校准单元内部4个正交耦合器相互连接方式为：第一正交耦合器31输入端作为正交校准单元的I+输入端，第二正交耦合器32输入端作为正交校准单元的Q+输入端，第三正交耦合器33输入端作为正交校准单元的I-输入端，第四正交耦合器34输入端作为正交校准单元的Q-输入端。第一正交耦合器31的耦合端与第二正交耦合器32的直通端求和后作为正交校准单元的I+输出端，第二正交耦合器32的耦合端与第三正交耦合器33的直通端求和后作为正交校准单元的Q+输出端，第三正交耦合器33的耦合端与第四正交耦合器34的直通端求和后作为正交校准单元的I-输出端，第四正交耦合器34的耦合端与第一正交耦合器31的直通端求和后作为正交校准单元的Q-输出端。正交校准单元有4个输入端口，4个输出端口，且输入端口和输出端口一一对应，可以重复级联。
正交耦合器可以采用集总参数的正交耦合器或分布参数的正交耦合器，但为了实现较小的版图面积，正交耦合器优选Lange耦合器或基于变压器的正交耦合器。本实施例所述正交校准单元的一个特点在于即使该正交耦合器存在一定程度的幅度、相位失配，也不会影响该正交校准单元对非理想正交信号的校准效果。优选的，本发明采用了基于变压器的正交耦合器。
本发明第二个实施例提出了一种无源宽带正交信号校准电路，且在第一个实施例的基础上，如图2所示，为本实施例所述宽带正交信号校准电路的示意图，包括第一正交校准单元11，第二正交校准单元12，第三正交校准单元13，三个正交校准单元的内部电路和接口完全一致。每个正交校准单元的8个对外端口分别为I+输入端、I-输入端、Q+输入端、Q-输入端、I+输出端、I-输出端、Q+输出端、Q-输出端。正交校准单元的I+输入端、Q+输入端、I-输入端、Q-输入端的相位依次相差90度，当I+输入端的相位为0度时，Q+输入端的相位为90度，I-输入端的相位为180度，Q-输入端的相位为270度；正交校准单元的I+输出端、Q+输出端、I-输出端、Q-输出端的相位依次相差90度，当I+输出端的相位为0度时，Q+输出端的相位为90度，I-输出端的相位为180度，Q-输出端的相位为270度。
第一正交校准单元11的I+输出端口连接第二正交校准单元12的I+输入端口，第一正交校准单元11的I-输出端口连接第二正交校准单元12的I-输入端口，第一正交校准单元11的Q+输出端口连接第二正交校准单元12的Q+输入端口，第一正交校准单元11的Q-输出端口连接第二正交校准单元12的Q-输入端口；第二正交校准单元12的I+输出端口连接第三正交校准单元13的I+输入端口，第二正交校准单元12的I-输出端口连接第三正交校准单元13的I-输入端口，第二正交校准单元12的Q+输出端口连接第三正交校准单元13的Q+输入端口，第二正交校准单元12的Q-输出端口连接第三正交校准单元13的Q-输入端口。存在幅度、相位失配的差分正交信号输入第一正交校准单元11，经过三级正交校准单元校准后的正交信号从第三正交校准单元13输出。
第一至第三正交校准单元13均由4个相同的正交耦合器组成，如图3所示，其中第一正交耦合器31输入端作为正交校准单元的I+输入端，第二正交耦合器32输入端作为正交校准单元的Q+输入端，第三正交耦合器33输入端作为正交校准单元的I-输入端，第四正交耦合器34输入端作为正交校准单元的Q-输入端。第一正交耦合器31的耦合端与第二正交耦合器32的直通端求和后作为正交校准单元的I+输出端，第二正交耦合器32的耦合端与第三正交耦合器33的直通端求和后作为正交校准单元的Q+输出端，第三正交耦合器33的耦合端与第四正交耦合器34的直通端求和后作为正交校准单元的I-输出端，第四正交耦合器34的耦合端与第一正交耦合器31的直通端求和后作为正交校准单元的Q-输出端。
本实施例中，正交耦合器为基于变压器的集总参数正交耦合器，从而能够实现较小的版图面积。如图4所示，该正交耦合器由相互耦合的第一电感L1和第二电感L2，第一至第六电容C1-C6组成，第一电感L1的一端分别与第一电容C1的一端、第三电容C3的一端、正交耦合器的输入端相连，另一端分别与第二电容C2的一端、第四电容C4的一端、正交耦合器的直通端相连；第一电容C1的另一端接地，第二电容C2的另一端接地；第二电感L2的一端分别与第五电容C5的一端、第三电容C3的另一端、正交耦合器的耦合端相连，另一端分别与第六电容C6的一端、第四电容C4的另一端、正交耦合器的隔离端相连；第五电容C5的另一端接地，第六电容C6的另一端接地。
如图5至图6所示，给出了该正交耦合器在4-24GHz频段内输入端到直通端和耦合端的幅度失配和相位差情况。
如图7所示，给出了一个存在幅度、相位失配的正交信号通过本实施例所述无源宽带正交校准电路的校准效果曲线。在4-24GHz频段范围内，该正交信号在未校准前幅度失配为-3.7dB～+4dB，I/Q相位正交误差为-1.6°～+3.3°，经过第一正交校准单元11后，幅度误差改善为0dB～1.66dB，I/Q相位正交误差改善为-1.1°～+1.13°；进一步的，通过第二正交校准单元12后，输出的信号幅度误差改善为-0.56dB～+0.71dB，I/Q相位正交误差改善为-0.17°～+0.65°；最后，通过三级正交校准单元后，输出信号的幅度误差改善为0dB～0.3dB，I/Q相位正交误差改善为-0.2°～+0.29°，并且由图可知，在整个频段内的每个频点，信号的正交性都同时获得了显著的改善。
本实施例表明，采用该发明所述无源宽带正交信号校准电路，能够使一个正交品质不理想的宽带正交信号在整个工作频段的每个频点上，幅度失配和相位正交误差同时得到显著改善。并且该无源宽带正交信号校准电路所使用的正交耦合器无需非常高的正交性能，即在存在相当大的幅度失配和正交误差的情况下也能使整个电路获得非常好的校准效果，从而保证了其在宽频段要求下的易实现性。
本发明第三个实施例提出了一种无源宽带正交信号校准系统，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图7所示，包括上述任一实施例所述的一种无源宽带正交信号校准电路，该系统可应用于毫米波/微波系统。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无源宽带正交信号校准电路，其特征在于，包括：至少两个正交校准单元，所述正交校准单元设有I+输入端、I-输入端、Q+输入端、Q-输入端、I+输出端、I-输出端、Q+输出端和Q-输出端；若干个所述正交校准单元的内部电路和接口相同；若干个所述正交校准单元相互级联；
上一级正交校准单元的I+输出端连接下一级正交校准单元的I+输入端，上一级正交校准单元的I-输出端连接下一级正交校准单元的I-输入端，上一级正交校准单元的Q+输出端连接下一级正交校准单元的Q+输入端，上一级正交校准单元的Q-输出端口连接下一级正交校准单元的Q-输入端口；
所述正交校准单元包括第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器；上述任一正交耦合器均包括输入端、耦合端、直通端和隔离端；所述第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器的结构相同；
所述第一正交耦合器的输入端作为正交校准单元的I+输入端，所述第二正交耦合器的输入端作为正交校准单元的Q+输入端，所述第三正交耦合器的输入端作为正交校准单元的I-输入端，所述第四正交耦合器的输入端作为正交校准单元的Q-输入端；
所述第一正交耦合器的耦合端与第二正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的I+输出端；所述第二正交耦合器的耦合端与第三正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的Q+输出端；第三正交耦合器的耦合端与第四正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的I-输出端；第四正交耦合器的耦合端与第一正交耦合器的直通端求和后作为正交校准单元的Q-输出端。
2.根据权利要求1所述的一种无源宽带正交信号校准电路，其特征在于，所述第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器和第四正交耦合器中任一正交耦合器的隔离端经匹配电阻在正交耦合器内部接地。
3.根据权利要求2所述的一种无源宽带正交信号校准电路，其特征在于，正交耦合器采用集总参数的正交耦合器或分布参数的正交耦合器。
4.根据权利要求3所述的一种无源宽带正交信号校准电路，其特征在于，所述正交耦合器采用Lange耦合器或基于变压器的正交耦合器。
5.根据权利要求4所述的一种无源宽带正交信号校准电路，其特征在于，正交耦合器的结构包括：第一电感、第二电感、第一至第六电容；
第一电感与第二电感相互耦合；
第一电感的一端分别与第一电容的一端、第三电容的一端、正交耦合器的输入端相连，另一端分别与第二电容的一端、第四电容的一端、正交耦合器的直通端相连；第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地；
第二电感的一端分别与第五电容的一端、第三电容的另一端、正交耦合器的耦合端相连，另一端分别与第六电容的一端、第四电容的另一端、正交耦合器的隔离端相连；第五电容的另一端接地，第六电容的另一端接地。
6.根据权利要求2所述的一种无源宽带正交信号校准电路，其特征在于，所述匹配电阻的阻值为40～60欧姆。
7.一种无源宽带正交信号校准系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的一种无源宽带正交信号校准电路。
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