CN115865030B - 一种毫米波宽带小型化的移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波宽带小型化的移相器，涉及半导体集成电路，针对现有技术中无源移相器移相角度单一的问题提出本方案。通过在Lange耦合器的输出端和耦合端分别接入电压调整阻抗的负载单元以实现整体移相器的输出相位多变。优点在于，采用无源结构，不需要消耗电能。实现单个移相器即可获得多角度的移相效果，无需串联多个移相单元，进而节省芯片面积，也降低了芯片设计和迭代的难度。实现宽带的效果，在仿真中达到20GHz到40GHz的宽带效果，既可以工作在30GHz至40GHz的毫米波频段，也可以工作在20GHz至30GHz的非毫米波频段。利用Lange耦合器作为主体模块，节省了输入和输出级匹配电路，大大节省芯片的面积。

Description

一种毫米波宽带小型化的移相器

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，尤其涉及一种毫米波宽带小型化的移相器。

背景技术

伴随通信技术的不断发展，频谱资源变得弥足珍贵。Sub 6GHz频段在人们不断的开发利用下，已变得越来越拥挤，频谱资源也变得更为紧缺。毫米波波段覆盖30GHz至300GHz的带宽范围，其在实现多信道、宽频带通信和雷达定位等功能方面，有着巨大的运用前景。现在越来越多的通信和雷达产品，正朝着高度集成、小型化发展，由于毫米波波长较短，正好满足当前的集成化、小型化发展趋势。因此，选择毫米波波段，有利于实现单片集成的芯片化设计。

随着技术的不断发展，相控阵系统变得越来越重要。由于在相控阵系统中，信号能在某个方向进行空间叠加，从而改善信号的信噪比。此外，相控阵系统还拥有波束赋形、波束扫描等作用，是当代及未来通信和雷达等领域的关键核心技术。其中，移相器是相控阵系统的关键模块，决定了整个系统的相位精度。换句话说，信号在相控阵系统中，其空间叠加的效果，主要由移相器的移相精度来决定。因此，毫米波移相器对整个通信和雷达系统发挥着越来越重要的作用。

现有技术的缺陷和不足：

对于移相器，现有的实现技术主要分为两大类：有源移相器和无源移相器。有源移相器通常包括输入巴伦，输出巴伦，正交生成器，矢量合成器等，具有插损小，甚至放大信号的作用，但其需要消耗电能，增加了系统的功耗。此外，有源移相器包含的模块较多，一般面积较大。而无源移相器则不需要消耗电能，但具有以下的缺点：

无源移相器由多个无源移相单元组成。单个无源移相单元通常只能实现单一角度的移相功能，为了达到多角度移相效果，整个移相器通常由多个无源移相单元串联组合而成，再通过开关来选择相关的移相单元。

因为存在多个移相单元的原因，整个无源移相器的面积较大，不利于整个系统的小型化设计。

串联多个移相单元，会减少整个移相器的工作带宽。现代通信和雷达的趋势是宽带化发展，一般的移相器难以满足此宽带的要求。

在串联多个移相单元的过程中，需要对移相单元之间的匹配电路进行设计，甚至修改和优化各个移相单元的内部参数，增加了设计的难度。

参考文献：

[1]中国专利“一种结构新颖的硅基毫米波差分反射型移相器”，申请号CN202210291332.4

[2]中国专利“有源移相器、相控阵设备及芯片”，申请号202122324726.9

[3]中国专利“基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片”，申请号202210120499.4

[4]中国专利“移相器及天线”，申请号202180000110.6

[5]中国专利“一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片”，申请号202111188375.1

[6]中国专利“毫米波宽带小型化芯片”，申请号201921745359.6

发明内容

本发明目的在于提供一种毫米波宽带小型化的移相器，以解决上述现有技术存在的问题。

本发明中所述一种毫米波宽带小型化的移相器，结构组成具体如下：

Lange耦合器的输入端连接输入焊盘、输出端连接第一电容上极板、隔离端连接输出焊盘、耦合端连接第二电容上极板；

所述第一电容的下极板分出三路：第一路支路串接第一开关管后连接第一MOS管栅极和第二MOS管栅极，第一MOS管源极漏极和第二MOS管源极漏极均短接后接地；第二支路连接第三MOS管栅极和第四MOS管栅极，第三MOS管源极漏极和第四MOS管源极漏极均短接后接地；第三支路串接第一电感后连接第三电容上极板；

所述第二电容的下极板分出三路：第四路支路串接第二开关管后连接第七MOS管栅极和第八MOS管栅极，第七MOS管源极漏极和第八MOS管源极漏极均短接后接地；第五支路连接第五MOS管栅极和第六MOS管栅极，第五MOS管源极漏极和第六MOS管源极漏极均短接后接地；第六支路串接第二电感后连接第三电容上极板；

所述第三电容上极板连接第一直流偏置焊盘，下极板接地；

所述第一开关管的控制端和第二开关管的控制端分别连接第二直流偏置焊盘。

通过第一开关管和第二开关管的开断控制所述Lange耦合器的移相角度。

通过第一直流偏置焊盘的电压值调整所述Lange耦合器的移相角度。

工作频段在20GHz至40GHz，中心频率为30GHz。

本发明中所述一种毫米波宽带小型化的移相器，其优点在于，采用无源结构，不需要消耗电能。实现单个移相器即可获得多角度的移相效果，无需串联多个移相单元，进而节省芯片面积，也降低了芯片设计和迭代的难度。实现宽带的效果，在仿真中达到20GHz到40GHz的宽带效果，既可以工作在30GHz至40GHz的毫米波频段，也可以工作在20GHz至30GHz的非毫米波频段。利用Lange耦合器作为主体模块，节省了输入和输出级匹配电路，大大节省芯片的面积。

附图说明

图1是本发明中所述移相器的结构示意图。

图2是本发明中所述Lange耦合器的结构参数示意图。

图3是本发明中所述移相器输入端反射系数S11的仿真曲线图。

图4是本发明中所述移相器插损的仿真曲线图。

图5是本发明中所述移相器移相角度的仿真曲线图。

附图标记：

Vg1-第一直流偏置焊盘、Vg2-第二直流偏置焊盘；

C1-第一电容、C2-第二电容、C3-第三电容；

L1-第一电感、L2-第二电感；

SW1-第一开关管、SW2-第二开关管；

M1至M8-第一MOS管至第八MOS管；

w-Lange耦合器的金属宽度、L-Lange耦合器的金属总长度、s-Lange耦合器输入侧和输出侧的金属间距。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明中所述一种毫米波宽带小型化的移相器结构组成具体如下：

Lange耦合器的输入端连接输入焊盘、输出端连接第一电容C1上极板、隔离端连接输出焊盘、耦合端连接第二电容C2上极板。

所述第一电容C1的下极板分出三路：第一路支路串接第一开关管SW1后连接第一MOS管M1栅极和第二MOS管M2栅极，第一MOS管M1源极漏极和第二MOS管M2源极漏极均短接后接地。第二支路连接第三MOS管M3栅极和第四MOS管M4栅极，第三MOS管M3源极漏极和第四MOS管M4源极漏极均短接后接地。第三支路串接第一电感L1后连接第三电容C3上极板。

所述第二电容C2的下极板分出三路：第四路支路串接第二开关管SW2后连接第七MOS管M7栅极和第八MOS管M8栅极，第七MOS管M7源极漏极和第八MOS管M8源极漏极均短接后接地。第五支路连接第五MOS管M5栅极和第六MOS管M6栅极，第五MOS管M5源极漏极和第六MOS管M6源极漏极均短接后接地。第六支路串接第二电感L2后连接第三电容C3上极板。

所述第三电容C3上极板连接第一直流偏置焊盘Vg1，下极板接地。

所述第一开关管SW1的控制端和第二开关管SW2的控制端分别连接第二直流偏置焊盘Vg2。

通过第一开关管SW1和第二开关管SW2的开断控制所述Lange耦合器的移相角度。

通过第一直流偏置焊盘Vg1的电压值调整所述Lange耦合器的移相角度。

工作频段在20GHz至40GHz，中心频率为30GHz。

其主要设计变量为金属总长度L，金属宽度W和金属间距S。其中L决定了整个Lange耦合器的工作频段，W和S决定耦合的性能，L取值为其工作频段波长的四分之一。

本发明中所述一种毫米波宽带小型化的移相器工作原理如下：

第一MOS管M1至第八MOS管M8各个MOS管的源极和漏极均分别短接形成MOS电容的形式。第一MOS管M1至第四MOS管M4组成第一负载单元，第五MOS管M5至第八MOS管M8组成第二负载单元。第一开关管SW1控制第一MOS管M1和第二MOS管M2是否链接入电路，第二开关管SW2控制第七MOS管M7和第八MOS管M8是否链接入电路。第一电感L1、第二电感L2和第三电容C3组成偏置电路分别给两侧的负载单元提供偏置电压。

第一直流偏置焊盘Vg1外接连续变化的直流电压，提供所有工作的MOS管的栅极偏压。当第二直流偏置焊盘Vg2为高电压时，第一开关管SW1和第二开关管SW2导通，所有的MOS管都进入工作状态。再通过调节第一直流偏置焊盘Vg1的电压，两边负载单元的阻抗值就会发生变化，从而改变从输入到输出的传输信号相位。同理，当第一直流偏置焊盘Vg1为低电压时，第一开关管SW1和第二开关管SW2关断，仅有半数的MOS管进入工作状态。再调节第一直流偏置焊盘Vg1的电压，产生改变传输信号相位的效果。

当第一直流偏置焊盘Vg1的输入电压为-1.5V至0V变化时，其输入端反射系数S11、插损和移相角度分别如图3至图5所示。电磁仿真表明：所述移相器满足在20GHz至40GHz频率范围内，输入反射系数S11≤-10dB，插损小于7.3dB。在不同的偏置电压情况下，可实现不同角度的移相功能。最后，根据不同电压和不同移相角度的对应关系，形成对应的函数关系查找表，在实际应用过程中，可以通过输入相应的偏置电压来达到想要的移相度数。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种毫米波宽带小型化的移相器，其特征在于，结构组成具体如下：

Lange耦合器的输入端连接输入焊盘、输出端连接第一电容(C1)上极板、隔离端连接输出焊盘、耦合端连接第二电容(C2)上极板；

所述第一电容(C1)的下极板分出三路：第一路支路串接第一开关管(SW1)后连接第一MOS管(M1)栅极和第二MOS管(M2)栅极，第一MOS管(M1)源极漏极和第二MOS管(M2)源极漏极均短接后接地；第二支路连接第三MOS管(M3)栅极和第四MOS管(M4)栅极，第三MOS管(M3)源极漏极和第四MOS管(M4)源极漏极均短接后接地；第三支路串接第一电感(L1)后连接第三电容(C3)上极板；

所述第二电容(C2)的下极板分出三路：第四路支路串接第二开关管(SW2)后连接第七MOS管(M7)栅极和第八MOS管(M8)栅极，第七MOS管(M7)源极漏极和第八MOS管(M8)源极漏极均短接后接地；第五支路连接第五MOS管(M5)栅极和第六MOS管(M6)栅极，第五MOS管(M5)源极漏极和第六MOS管(M6)源极漏极均短接后接地；第六支路串接第二电感(L2)后连接第三电容(C3)上极板；

所述第三电容(C3)上极板连接第一直流偏置焊盘(Vg1)，下极板接地；

所述第一开关管(SW1)的控制端和第二开关管(SW2)的控制端分别连接第二直流偏置焊盘(Vg2)。

2.根据权利要求1所述一种毫米波宽带小型化的移相器，其特征在于，通过第一开关管(SW1)和第二开关管(SW2)的开断控制所述Lange耦合器的移相角度。

3.根据权利要求2所述一种毫米波宽带小型化的移相器，其特征在于，通过第一直流偏置焊盘(Vg1)的电压值调整所述Lange耦合器的移相角度。

4.根据权利要求1所述一种毫米波宽带小型化的移相器，其特征在于，工作频段在20GHz至40GHz，中心频率为30GHz。