CN116190944B - 一种有源双向谐振腔移相器 - Google Patents

一种有源双向谐振腔移相器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源双向谐振腔移相器，包括端口P1‑P4、晶体管M1‑M4、电流源晶体管M5和M6、中心抽头电感L1和L2、耦合传输线DTL1‑DTL4，其中晶体管M1‑M4的栅极分别连接端口P1‑P4，中心抽头电感L1和L2相互缠绕，形成耦合线圈TF1，耦合传输线DTL1、DTL2和耦合线圈TF1形成发射耦合谐振腔，耦合传输线DTL3、DTL4和耦合线圈TF1形成接收耦合谐振腔，通过数字信号能够控制耦合传输线DTL1‑DTL4的对地电容，从而改变耦合谐振腔的谐振特性，实现数控移相。本发明最大限度地复用了电路单元，使接收通道和发射通道共用一套硬件资源，极大缩小了版图面积，从而降低芯片成本。

Description

一种有源双向谐振腔移相器
技术领域
本发明涉及微波射频集成电路技术领域，尤其涉及一种有源双向谐振腔移相器。
背景技术
毫米波技术正越来越广泛的应用于军事和商用系统中，由于毫米波在大气中的传播损耗大，为了达到需要的传播距离，提升数据率和频谱效率，现有的毫米波系统几乎都采用了相控阵或MIMO技术。随着通道数量的增加，每通道在芯片中所消耗芯片的面积变得至关重要。
传统的无源移相器由于使用的无源器件较多，所占面积较大，限制了单芯片的集成度，逐渐被集成度更高的有源移相器所取代。有源移相器通常采用矢量调制、谐振腔移相或两种方法相结合等方式实现。然而不管采用何种方式，其电路中的有源部分均是单向传输的，需要通过选通开关决定信号流向，接收通道和发射通道不能共享电路单元。在接收时，发射通道处于断开状态；在发射时，接收通道处于断开状态，使得没有工作的电路消耗了额外的芯片面积，增加了制造成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种有源双向谐振腔移相器，使得电路不管重构成接收状态还是发射状态，都调用同一套电路单元，电路单元中所有元器件均可被复用。
本发明采用的技术方案如下：
一种有源双向谐振腔移相器，包括端口P1-P4、晶体管M1-M4、电流源晶体管M5和M6、中心抽头电感L1和L2、耦合传输线DTL1-DTL4，其中：
晶体管M1-M4的栅极分别连接端口P1-P4，晶体管M1、M2的漏极分别连接端口P3、P4，源极相连并接到电流源晶体管M5的漏极；晶体管M3、M4的漏极分别连接端口P2、P1，源极相连并接到电流源晶体管M6的漏极；电流源晶体管M5的栅极连接发射偏置电压VBTX，源极接地；电流源晶体管M6的栅极连接接收偏置电压VBRX，源极接地；
中心抽头电感L1跨接在端口P1和P2之间，其中心抽头连接电源电压，为晶体管M1和M2的栅极提供直流偏置；中心抽头电感L2跨接在端口P3和P4之间，其中心抽头连接电源电压，为晶体管M3和M4的栅极提供直流偏置；中心抽头电感L1和L2相互缠绕，形成耦合线圈TF1；
耦合传输线DTL1-DTL4作为可变电容，一端分别依次连接晶体管M1-M4的漏极，另一端悬空；耦合传输线DTL1、DTL2和耦合线圈TF1形成发射耦合谐振腔，耦合传输线DTL3、DTL4和耦合线圈TF1形成接收耦合谐振腔，通过数字信号能够控制耦合传输线DTL1-DTL4的对地电容，从而改变耦合谐振腔的谐振特性，实现数控移相。
进一步地，耦合传输线DTL1-DTL4由顶层金属传输线及其下方与其垂直且可控通断的底层金属条组成，通过数字信号控制耦合传输线DTL1-DTL4中底层金属条的通断能够改变顶层金属线传输线的对地电容。
进一步地，耦合传输线DTL1-DTL4为基于数控人工电介质的耦合传输线。
进一步地，所述有源双向谐振腔移相器处于发射模式时，发射偏置电压VBTX设置为一固定非零值，使电流源晶体管M5处于饱和状态，VBRX为零，从而使电流源晶体管M6截止。
进一步地，所述有源双向谐振腔移相器处于接收模式时，接收偏置电压VBRX设置为一固定非零值，使电流源晶体管M6处于饱和状态，发射偏置电压VBTX为零，从而使电流源晶体管M5截止。
进一步地，端口P1-P4均为双向端口，其中端口P1和P2构成一组差分端口，端口P3和P4构成另一组差分端口。
进一步地，所述有源双向谐振腔移相器处于发射模式时，端口P1和P2作为输入端，端口P3和P4为输出端。
进一步地，所述有源双向谐振腔移相器处于接收模式时，端口P3和P4作为输入端，端口P1和P2为输出端。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的有源双向谐振腔移相器最大限度地复用了电路单元，使接收通道和发射通道共用一套硬件资源，极大缩小了版图面积，从而达到降低芯片成本的目的。此外，该有源双向谐振腔移相器保持了传统有源移相器的高反向隔离特性。
2、相比于RLC谐振腔，本发明移相器的耦合谐振腔具有更宽的移相范围，更小的增益波动。当工作于发射模式，晶体管M1和M2处于饱和状态，起到放大发射信号和注入谐振腔的作用，晶体管M3和M4等效为电容Cgd3和Cgd4，作为晶体管M1和M2的中和电容，起到提升增益和稳定性的作用；当工作于接收模式，晶体管M3和M4处于饱和状态，起到放大接收信号和注入谐振腔的作用，晶体管M1和M2等效为电容Cgd1和Cgd2，作为晶体管M3和M4的中和电容，起到提升增益和稳定性的作用。
3、发射模式下，通过控制DTL1和DTL2进行移相控制，而未参与移相控制的DTL3和DTL4可用于调节发射输入端的匹配，从而克服工艺偏差；接收模式下，DTL3和DTL4进行移相控制，而未参与移相控制的DTL1和DTL2可用于调节接收输入端的匹配，从而克服工艺偏差。因此不管电路处于哪种工作模式，DTL1-DTL4均参与工作，最大限度的实现硬件复用和性能提升。
附图说明
图1传统有源双向谐振腔移相器架构示意图；
图2本发明实施例的有源双向谐振腔移相器架构示意图；
图3本发明实施例的有源双向谐振腔移相器电路原理图；
图4本发明实施例的有源双向谐振腔移相器在发射模式下的等效电路图；
图5本发明实施例的有源双向谐振腔移相器在接收模式下的等效电路图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为传统有源双向移相器示意图，对于矢量合成移相器，放大电路实现对I/Q两路信号的分别放大，然后矢量求和实现对信号的移相功能；对于谐振腔移相器，放大电路为谐振腔提供信号的注入。然而无论采用哪种结构，其有源电路均只能单向传输信号，因此芯片具有收发功能，需要接收通道和发射通道分开，在公共节点上通过二选一开关进行接收和发射通道的切换，从而选择信号流向，实现双向放大移相的功能。也正是因为有源电路的单向传播特性，有源移相器具有非常好的反向隔离。从图1可以明确看到，当电路处于接收状态，发射通道中的电路并没有参与工作；同样的，当电路处于发射状态，接收通道中的电路也没有参与工作。因此在芯片面积利用率上，该电路是有冗余的。
因此，本发明提出一种有源双向谐振腔移相器，能够使发射通道和接收通道共用一套电路单元，从而最高效率的复用电路中的有源和无源元器件，减小芯片版图面积，降低芯片成本。
如图2所示为本发明的有源双向谐振腔移相器的功能示意框图，其中有源放大电路和谐振腔电路均能实现双向功能，从而使得收发通道共用一套电路单元。谐振腔电路采用耦合谐振，从而增加移相器的工作带宽。
如图3所示为本发明的有源双向谐振腔移相器的电路原理图，该移相器包括端口P1-P4、晶体管M1-M4、电流源晶体管M5和M6、中心抽头电感L1和L2、耦合传输线DTL1-DTL4，具体结构和功能如下。
端口P1-P4均为双向端口，其中端口P1和P2构成一组差分端口，端口P3和P4构成另一组差分端口。当工作于发射模式时，端口P1和P2作为输入端，端口P3和P4为输出端；当工作于接收模式时，端口P3和P4作为输入端，端口P1和P2为输出端。
晶体管M1-M4的栅极分别连接端口P1-P4，晶体管M1、M2的漏极分别连接端口P3、P4，源极相连并接到电流源晶体管M5的漏极；晶体管M3、M4的漏极分别连接端口P2、P1，源极相连并接到电流源晶体管M6的漏极；电流源晶体管M5的栅极连接发射偏置电压VBTX，源极接地；电流源晶体管M6的栅极连接接收偏置电压VBRX，源极接地。当工作于发射模式时，发射偏置电压VBTX设置为一固定非零值，使电流源晶体管M5处于饱和状态，VBRX为零，从而使电流源晶体管M6截止。当工作于接收模式时，接收偏置电压VBRX设置为一固定非零值，使电流源晶体管M6处于饱和状态，发射偏置电压VBTX为零，从而使电流源晶体管M5截止。
中心抽头电感L1跨接在端口P1和P2之间，其中心抽头连接电源电压，为晶体管M1和M2的栅极提供直流偏置；中心抽头电感L2跨接在端口P3和P4之间，其中心抽头连接电源电压，为晶体管M3和M4的栅极提供直流偏置；中心抽头电感L1和L2相互缠绕，形成耦合线圈TF1。
耦合传输线DTL1-DTL4作为可变电容，一端分别依次连接晶体管M1-M4的漏极，另一端悬空；耦合传输线DTL1、DTL2和耦合线圈TF1形成发射耦合谐振腔，耦合传输线DTL3、DTL4和耦合线圈TF1形成接收耦合谐振腔，通过数字信号能够控制耦合传输线DTL1-DTL4的对地电容，从而改变耦合谐振腔的谐振特性，实现数控移相。优选地，耦合传输线DTL1-DTL4由顶层金属传输线及其下方与其垂直且可控通断的底层金属条组成，通过数字信号控制耦合传输线DTL1-DTL4中底层金属条的通断能够改变顶层金属线传输线的对地电容。更为优选地，耦合传输线DTL1-DTL4为基于数控人工电介质的耦合传输线。
当该有源双向谐振腔移相器工作于发射模式，接收偏置电压VBRX设置为0，电流源晶体管M6关断。晶体管M3与M4等效为其栅-漏寄生电容Cgd3和Cgd4，发射偏置电压VBTX设置为合适的偏置电压，使电流源晶体管M5饱和，为有源放大电路提供电流偏置，此时该有源双向移相器等效为图4所示的电路原理图。耦合传输线DTL3、DTL4和中心抽头电感L1组成输入匹配单元，通过数字控制耦合传输线DTL3和DTL4调节输入端的匹配状态。此外中心抽头电感L1还有另外两个作用，第一，中心抽头电感L1为晶体管M1、M2的栅极提供直流电压偏置，第二，中心抽头电感L1与L2组成耦合线圈TX1，TX1与耦合传输线DTL1、DTL2形成耦合谐振腔，相比于RLC谐振腔，该耦合谐振腔具有更宽的移相范围和更小的增益波动。晶体管M3和M4的等效电容Cgd3和Cgd4起到中和电容的作用，用于改进放大电路的增益和稳定性。此外相比于金属极板电容，该MOS电容具有更好的抗工艺偏差性能。
当有源双向谐振腔移相器工作于接收模式，发射偏置电压VBTX设置为0，电流源晶体管M5关断。晶体管M1与M2等效为其栅-漏寄生电容Cgd1和Cgd2，接收偏置电压VBRX设置为合适的偏置电压，使晶体管M6饱和，为有源放大电路提供电流偏置，此时该有源双向移相器等效为图5所示的电路原理图。耦合传输线DTL1、DTL2和中心抽头电感L2组成输入匹配单元，通过数字控制耦合传输线DTL1和DTL2调节输入端的匹配状态。此外中心抽头电感L2还有另外两个作用，第一，中心抽头电感L2为晶体管M3、M4的栅极提供直流电压偏置，第二，中心抽头电感L2与L1组成耦合线圈TX1，TX1与耦合传输线DTL3、DTL4形成耦合谐振腔，扩宽移相范围和减小增益波动。晶体管M1和M2的等效电容Cgd1和Cgd2起到中和电容的作用，用于改进放大电路的增益和稳定性。此外相比于金属极板电容，该MOS电容具有更好的抗工艺偏差性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种有源双向谐振腔移相器，其特征在于，包括端口P1-P4、晶体管M1-M4、电流源晶体管M5和M6、中心抽头电感L1和L2、耦合传输线DTL1-DTL4，其中：
晶体管M1-M4的栅极分别连接端口P1-P4；晶体管M1、M2的漏极分别连接端口P3、P4，源极相连并接到电流源晶体管M5的漏极；晶体管M3、M4的漏极分别连接端口P2、P1，源极相连并接到电流源晶体管M6的漏极；电流源晶体管M5的栅极连接发射偏置电压VBTX，源极接地；电流源晶体管M6的栅极连接接收偏置电压VBRX，源极接地；
中心抽头电感L1跨接在端口P1和P2之间，其中心抽头连接电源电压，为晶体管M1和M2的栅极提供直流偏置；中心抽头电感L2跨接在端口P3和P4之间，其中心抽头连接电源电压，为晶体管M3和M4的栅极提供直流偏置；中心抽头电感L1和L2相互缠绕，形成耦合线圈TF1；
耦合传输线DTL1-DTL4作为可变电容，一端分别依次连接晶体管M1-M4的漏极，另一端悬空；耦合传输线DTL1、DTL2和耦合线圈TF1形成发射耦合谐振腔，耦合传输线DTL3、DTL4和耦合线圈TF1形成接收耦合谐振腔，通过数字信号能够控制耦合传输线DTL1-DTL4的对地电容，从而改变耦合谐振腔的谐振特性，实现数控移相。
2.根据权利要求1所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，耦合传输线DTL1-DTL4由顶层金属传输线及其下方与其垂直且可控通断的底层金属条组成，通过数字信号控制耦合传输线DTL1-DTL4中底层金属条的通断能够改变顶层金属线传输线的对地电容。
3.根据权利要求1所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，耦合传输线DTL1-DTL4为基于数控人工电介质的耦合传输线。
4.根据权利要求1所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，所述有源双向谐振腔移相器处于发射模式时，发射偏置电压VBTX设置为一固定非零值，使电流源晶体管M5处于饱和状态，VBRX为零，从而使电流源晶体管M6截止。
5.根据权利要求1所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，所述有源双向谐振腔移相器处于接收模式时，接收偏置电压VBRX设置为一固定非零值，使电流源晶体管M6处于饱和状态，发射偏置电压VBTX为零，从而使电流源晶体管M5截止。
6.根据权利要求1-5任一项所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，端口P1-P4均为双向端口，其中端口P1和P2构成一组差分端口，端口P3和P4构成另一组差分端口。
7.根据权利要求6所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，所述有源双向谐振腔移相器处于发射模式时，端口P1和P2作为输入端，端口P3和P4为输出端。
8.根据权利要求6所述的有源双向谐振腔移相器，其特征在于，所述有源双向谐振腔移相器处于接收模式时，端口P3和P4作为输入端，端口P1和P2为输出端。
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