CN116346085B

CN116346085B - 一种射频毫米波分布式数字步进衰减器及衰减方法

Info

Publication number: CN116346085B
Application number: CN202310605347.8A
Authority: CN
Inventors: 段小波; 康凯; 赵晨曦
Original assignee: Chengdu Tongliang Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Tongliang Technology Co ltd
Priority date: 2023-05-26
Filing date: 2023-05-26
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2043-05-26
Also published as: CN116346085A

Abstract

本发明公开了一种射频毫米波分布式数字步进衰减器及衰减方法，涉及信号处理领域，包括相连的传输线TL1和传输线TL2；传输线TL1的一端连接有第一衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输入端；传输线TL1和传输线TL2之间并联有第二衰减单元；传输线TL2的另一端连接有第三衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输出端；每个衰减单元均包括串联的三级MOS管电路。本发明减小了所需传输线的数量，减小了面积和插入损耗，减小了幅度误差并且提升抗PVT特性，减小了衰减管在状态切换造成的幅度误差，减小了衰减器因承受功率过大而导致功率提前压缩的风险，从而提高了线性度。

Description

一种射频毫米波分布式数字步进衰减器及衰减方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种射频毫米波分布式数字步进衰减器及衰减方法。

背景技术

由于移动应用的推动，导致数据流量和连接设备的不断增大。第五代移动通信技术与上一代相比，有着显著不同的系统性能指标，包括每秒千兆位级别的数据速率、极高的流量密度、毫秒级别的低迟、超密集连接。从电磁波资源的角度来看，6GHz以下可用的频谱资源已经非常有限，毫米波频段内有大量未使用的频谱资源。毫米波频带为30GHz-300GHz，其短波长特性导致传播能力弱，即路径损耗大，绕射和透射能力差，这实际上会降低无线系统的SINR。相控阵技术通过波束赋形，使波束集中到期望方向，从而提高工作距离，成为当前工业界和学术界公认的解决毫米波频段通信问题最佳解决方案。

图1所示为典型的相控阵收发组件系统，从图1中可以看出，在发射通道和接收通道中，衰减器都起着至关重要的作用。如果相控阵系统没有幅度控制模块，即每路通道的归一化增益相同，那么第一副瓣增益只会比主瓣增益低13.3dB。在空间中存在很强的干扰信号的情况下，如此高的副瓣增益不利于空间干扰抑制，使得接收信号信噪比下降，误码率升高。在雷达应用中，常使用相控阵的空域滤波功能对目标回波的角度进行估计，高副瓣增益可能使得回波角度估计产生多个求解值，造成回波角度估计错误。因此，在需要高旁瓣抑制比的应用中，需要幅度控制电路对各个通道的归一化增益按照窗函数进行加权，以提高旁瓣抑制比。同时，系统应用也会对幅度控制电路的片上面积、插入损耗、线性度提出较高要求。

传统分布式衰减器如图2所示，在两条传输线TL之间并联一个衰减单元。当衰减器不工作时，MOS管栅极的控制电压V_cn为低电平，MOS管等效为小电容，信号可近似认为不衰减；当衰减器工作时，MOS管栅极的控制电压V_cn为高电平，MOS管等效为小电阻，为信号提供一条并联到地的低阻通路，实现衰减功能。因为衰减器工作时，并联到地的低阻通路会降低节点阻抗，恶化端口匹配，并且衰减量越大，端口匹配越差，四分之一波长传输线具有以倒数形式变换阻抗的功能，将较低的阻抗转换为较大的阻抗，因此使用传输线TL来优化端口匹配。但是该传统分布式衰减器存在如下问题：

1、传统分布式衰减器尺寸较大。假设衰减单元数量为n，则需要的传输线数量为n-1，即使是毫米波频段，四分之一波长传输线仍然需要数百甚至上千微米金属走线来实现，这会导致衰减器占用很大的片上面积。

2、传统分布式衰减器插入损耗较大。n-1条传输线的欧姆电阻、寄生效应、趋附效应等损耗会造成很大的插入损耗。此外，在参考态，信号链路上并联的n个MOS管等效为n个寄生电容，这会进一步恶化插入损耗。

3、传统分布式衰减器幅度误差高、抗PVT特性差。在状态切换时，衰减器的端口阻抗会不可避免地发生变化，导致衰减量不准确，并且MOS管的实际工作参数通常会受到工艺角、工作电压和温度波动的影响，抗PVT特性差，导致衰减器产生幅度误差。

4、传统分布式衰减器线性度低。在输入大功率信号时，过大的信号电压摆幅会改变MOS管的工作状态，降低衰减器的线性度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种射频毫米波分布式数字步进衰减器及衰减方法解决了现有分布式衰减器尺寸较大、插入损耗较大、幅度误差高、抗PVT特性差、线性度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种射频毫米波分布式数字步进衰减器，其包括相连的传输线TL1和传输线TL2；传输线TL1的一端连接有第一衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输入端；传输线TL1和传输线TL2之间并联有第二衰减单元；传输线TL2的另一端连接有第三衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输出端；

每个衰减单元均包括串联的三级MOS管电路，第n个衰减单元的第一级MOS管电路包括MOS管；第n个衰减单元的第二级MOS管电路包括MOS管/>、MOS管/>和MOS管/>；第一衰减单元的第三级MOS管包括MOS管/>、MOS管/>和MOS管/>；第二衰减单元的第三级MOS管包括MOS管/>、MOS管/>和MOS管/>；第三衰减单元的第三级MOS管包括MOS管/>、MOS管/>和和MOS管/>；n=1,2,3；

在同一个衰减单元的同一级MOS管电路中，所有MOS管的漏极共同作为该级MOS管电路的输入端，所有MOS管的源极共同作为该级MOS管电路的输出端；最后一级MOS管的源极共同接地；

所有MOS管的栅极分别连接外部控制器。

进一步地，所有MOS管的栅极和衬底端均串联有一个20千欧姆的电阻。

进一步地，MOS管、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>和MOS管/>的衰减量依次为1dB、1dB、1dB、3dB、2dB、3dB、2 dB、1dB和1dB；即第一衰减单元的可衰减量为1dB、2 dB和3 dB；第二衰减单元的可衰减量为2 dB、3 dB、5 dB、6 dB和8 dB；第三衰减单元的可衰减量为1 dB、2 dB、3 dB和4dB。

提供一种基于射频毫米波分布式数字步进衰减器的衰减方法，其包括以下步骤：

S1、初始化所有MOS管的栅极为低电平；

S2、获取目标衰减量A，根据各衰减单元的最大可衰减量向各衰减单元分配衰减量，使分配衰减量总和为目标衰减量A；

S3、将分配衰减量不为0的衰减单元中第一级MOS管电路中的MOS管的栅极、第二级MOS管电路中的MOS管的栅极和第二级MOS管电路中的MOS管/>的栅极调整为高电平；

S4、根据第三级MOS管电路中的MOS管的额定衰减量，通过控制分配衰减量不为0的衰减单元中第三级MOS管电路中的MOS管的导通状态，使相应衰减单元的预期衰减量与分配的衰减量在设定偏差范围内；

S5、获取实际衰减量并将其与目标衰减量A相比较，若实际衰减量大于目标衰减量A，进入步骤S6；若实际衰减量等于目标衰减量A，完成衰减；若实际衰减量小于目标衰减量A，进入步骤S7；

S6、根据实际衰减量与目标衰减量A的差值和MOS管的额定衰减量，将部分栅极为高电平的MOS管/>的栅极调整为低电平，返回步骤S5；

S7、根据实际衰减量与目标衰减量A的差值和MOS管的额定衰减量，将分配衰减量不为0的衰减单元中栅极为低电平的MOS管/>的栅极调整为高电平，返回步骤S5。

进一步地，步骤S2中根据各衰减单元的可衰减量向各衰减单元分配衰减量的具体方法为：

使各衰减单元的分配衰减量总和为目标衰减量A，使各衰减单元的分配衰减量小于等于该衰减单元的最大可衰减量。

进一步地，步骤S4的具体方法为：

获取衰减单元被分配的衰减量B，根据第三级MOS管电路中的MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为B±b的第三级MOS管电路中的MOS管，并将获取的第三级MOS管电路中的MOS管的栅极调整为高电平；其中b表示偏差，为常数。

进一步地，步骤S6的具体方法为：

获取实际衰减量与目标衰减量A的差值C，根据MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为C±c的栅极为高电平的MOS管/>，并将获取的栅极为高电平的MOS管/>的栅极调整为低电平，返回步骤S5；其中c表示偏差，为常数。

进一步地，步骤S7的具体方法为：

获取实际衰减量与目标衰减量A的差值D，根据MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为D±d的栅极为低电平的MOS管/>，并将获取的栅极为低电平的MOS管/>的栅极调整为高电平，返回步骤S5；其中d表示偏差，为常数。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出的衰减器采用了共用并联节点技术，减小了所需传输线的数量，从而减小了面积和插入损耗；采用了共用开关管技术，减小了参考态并联节点的寄生电容，从而减小了插入损耗。

2、本发明实际衰减量偏离目标衰减量时，可以通过校准对幅度进行补偿，从而减小了幅度误差并且提升抗PVT特性。

3、本发明减小了大衰减单元衰减管所需尺寸，即减小了衰减管的寄生电容，从而减小了衰减管在状态切换造成的幅度误差。

4、本发明采用三层MOS管分担射频信号的电压摆幅，减小了衰减器因承受功率过大而导致功率提前压缩的风险，从而提高了线性度。

附图说明

图1为典型的相控阵收发组件系统示意图；

图2为传统分布式衰减器的电路示意图；

图3为本衰减器的电路示意图；

图4为本衰减器与传统分布式衰减器的插入损耗对比示意图；

图5为本衰减器与传统分布式衰减器RMS幅度误差对比示意图；

图6为本衰减器的相对衰减量仿真结果示意图；

图7为本衰减器与传统分布式衰减器线性度对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图3所示，该射频毫米波分布式数字步进衰减器包括相连的传输线TL1和传输线TL2；传输线TL1的一端连接有第一衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输入端；传输线TL1和传输线TL2之间并联有第二衰减单元；传输线TL2的另一端连接有第三衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输出端；

所有MOS管的栅极分别连接外部控制器。

即第n个衰减单元包括MOS管，MOS管/>的漏极作为第n个衰减单元的输入端；MOS管/>的源极分别连接MOS管/>的漏极、MOS管/>的漏极和MOS管的漏极；n=1,2,3；

第一个衰减单元的MOS管的源极分别连接MOS管/>的源极、MOS管的源极、MOS管/>的漏极、MOS管/>的漏极和MOS管/>的漏极；MOS管/>的源极、MOS管/>的源极和MOS管/>的源极相连并接地；

第二个衰减单元的MOS管的源极分别连接MOS管/>的源极、MOS管的源极、MOS管/>的漏极、MOS管/>的漏极和MOS管/>的漏极；MOS管的源极、MOS管/>的源极和MOS管/>的源极相连并接地；

第三个衰减单元的MOS管的源极分别连接MOS管/>的源极、MOS管的源极、MOS管/>的漏极、MOS管/>的漏极和MOS管/>的漏极；MOS管的源极、MOS管/>的源极和MOS管/>的源极相连并接地；

MOS管、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>和MOS管/>的衰减量依次为1dB、1dB、1dB、3dB、2dB、3dB、2 dB、1dB和1dB；即第一衰减单元的可衰减量为1dB、2 dB和3 dB；第二衰减单元的可衰减量为2dB、3 dB、5 dB、6 dB和8 dB；第三衰减单元的可衰减量为1 dB、2 dB、3 dB和4dB。

该基于射频毫米波分布式数字步进衰减器的衰减方法包括以下步骤：

S1、初始化所有MOS管的栅极为低电平；

步骤S2中根据各衰减单元的可衰减量向各衰减单元分配衰减量的具体方法为：使各衰减单元的分配衰减量总和为目标衰减量A，使各衰减单元的分配衰减量小于等于该衰减单元的最大可衰减量。

步骤S4的具体方法为：获取衰减单元被分配的衰减量B，根据第三级MOS管电路中的MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为B±b的第三级MOS管电路中的MOS管，并将获取的第三级MOS管电路中的MOS管的栅极调整为高电平；其中b表示偏差，为常数。

步骤S6的具体方法为：获取实际衰减量与目标衰减量A的差值C，根据MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为C±c的栅极为高电平的MOS管/>，并将获取的栅极为高电平的MOS管/>的栅极调整为低电平，返回步骤S5；其中c表示偏差，为常数。

步骤S7的具体方法为：获取实际衰减量与目标衰减量A的差值D，根据MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为D±d的栅极为低电平的MOS管/>，并将获取的栅极为低电平的MOS管/>的栅极调整为高电平，返回步骤S5；其中d表示偏差，为常数。

在具体实施过程中，本衰减器的每个MOS管均采用了在衰减器电路中常用的交流悬浮技术，即在栅极和衬底端各串联了一个20千欧姆的电阻，用以防止信号泄露，从而减小插入损耗。为减小图3的复杂度，使其更加简洁明了，因此本申请并未在图中示出MOS管栅极和衬底串联的电阻。

本衰减器通过控制MOS管的栅极偏压，可以调整衰减器的工作状态；传输线TL1与TL2用来提升回波损耗，优化端口匹配。可以看出，本衰减器有三个衰减单元，即共9个主要用于衰减的MOS管（第三级MOS管），因此使用传统衰减器结构需要八个传输线，而本申请只需要使用两个传输线即可，由于传输线在片上的占用面积远大于MOS管，因此本衰减器将所需传输线的数量由八个减少到二个，故而使得占用的片上面积大幅减小。

在参考态时，传统衰减器结构的这九个MOS管等效为九个电容，导致信号泄露较多，插入损耗高。本衰减器采用了共用开关管技术，即引入了第一层MOS开关管，当衰减器处于参考态时，三个开关管/>处于关闭状态，等效为三个电容，信号泄露较少，插入损耗低。从而进一步减小插入损耗。因此，本衰减器具有插入损耗低的优势。本衰减器与传统衰减器的插入损耗对比如图4所示，从图4中可以看出，本衰减器的插入损耗低约1.5dB。

另一方面，本衰减器采用第二层MOS管，MOS管表示第n个衰减单元第二层的主要MOS管，即衰减信号主要从该管流入第三层MOS管。MOS管/>表示第n个衰减单元第二层导通的校准MOS管，该管控制电压默认与主要管/>管保持相同，二者共同实现目标衰减量，但是当实际衰减量比目标衰减量大时，/>管可以从导通状态切换为关闭状态，减小衰减量，实现校准功能；/>管表示第n个衰减单元第二层关闭的校准MOS管，该管控制电压默认为低电平，可近似为断路，但是当实际衰减量比目标衰减量小时，管可以从关闭状态切换为导通状态，增大衰减量，实现校准功能。第二层MOS管给衰减器冗余了校准量，对输出信号幅度进行测试或采样后，可以根据实际衰减量与目标衰减量的差值来控制/>管和/>管的导通或者关闭以实现校准，从而减小衰减单元阻抗波动和PVT波动造成的幅度误差。

本衰减器采用了复用衰减MOS管技术，即引入的第三层MOS管，第三层MOS管的尺寸采用了复用衰减支路MOS管的配置，即在已导通部分MOS管的基础上，通过增加导通的MOS管数量来增加衰减量。通过复用MOS管，衰减单元减小了所需MOS管尺寸，即减小了该MOS管的寄生电容，减缓了衰减器状态切换时的阻抗波动。这里以第一个并联节点（第一衰减单元）为例说明，当衰减量为1dB时，MOS管开启，/>、/>关闭，与传统衰减单元相同；当衰减量为2dB时，MOS管/>、/>开启，/>关闭，与传统衰减单元相比，MOS管/>只需要1dB的衰减量，因此尺寸减小一半，即本衰减位在状态切换时其寄生电容对幅度误差造成的影响减小一半；当衰减量为3dB时，MOS管/>、/>、/>开启，与传统衰减单元相比，MOS管/>也只需要1dB的衰减量，尺寸减小三分之二，即本衰减位在状态切换时其寄生电容对幅度误差造成的影响减小三分之二，因此，本衰减器通过共用衰减支路技术，减小了MOS管寄生电容造成的幅度误差，本衰减器通过引入校准管和共用衰减支路技术，具有幅度误差低和抗PVT特性强的优势。

本衰减器与传统分布式衰减器的RMS幅度误差对比如图5所示，从图5中可以看出本衰减器比传统型分布式衰减器的RMS幅度误差低约0.3dB。

图6所示是本发明提出的衰减器相对衰减量仿真结果，从图6中可以看出，经过校准，在中心频点30GHz附近，本衰减器的衰减量平坦、均匀、档位分明，实现了良好的幅度控制功能。

当衰减器处于参考态时，传统型分布式衰减器的单个MOS管处于关闭状态，因为单个晶体管在处理较大功率的射频信号时，大功率信号的摆幅可能导致处于关断状态的晶体管重新导通，导致射频信号功率的泄露，从而降低了衰减器的线性度。本发明提出的衰减器采用了堆叠MOS管技术，即并联支路MOS管分为三层，在参考态时，三层MOS管可以分担射频信号的电压摆幅，减小了单个MOS管承受较大的电压摆幅而使工作状态发生改变导致功率提前压缩的风险，从而达到提高线性度的目的。本衰减器与传统分布式衰减器的线性度对比如图7所示，从图7中可以看出本衰减器比传统型分布式衰减器的线性度高约10dBm。

Claims

1.一种基于射频毫米波分布式数字步进衰减器的衰减方法，射频毫米波分布式数字步进衰减器包括相连的传输线TL1和传输线TL2；传输线TL1的一端连接有第一衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输入端；传输线TL1和传输线TL2之间并联有第二衰减单元；传输线TL2的另一端连接有第三衰减单元，并作为射频毫米波分布式数字步进衰减器的输出端；

所有MOS管的栅极分别连接外部控制器；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化所有MOS管的栅极为低电平；

2.根据权利要求1所述的衰减方法，其特征在于，所有MOS管的栅极和衬底端均串联有一个20千欧姆的电阻。

3.根据权利要求1所述的衰减方法，其特征在于，MOS管、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>、MOS管/>和MOS管/>的衰减量依次为1dB、1dB、1dB、3dB、2dB、3dB、2 dB、1dB和1dB；即第一衰减单元的可衰减量为1dB、2dB和3 dB；第二衰减单元的可衰减量为2 dB、3 dB、5 dB、6 dB和8 dB；第三衰减单元的可衰减量为1 dB、2 dB、3 dB和4dB。

4.根据权利要求1所述的衰减方法，其特征在于，步骤S2中根据各衰减单元的可衰减量向各衰减单元分配衰减量的具体方法为：

5.根据权利要求1所述的衰减方法，其特征在于，步骤S4的具体方法为：

6.根据权利要求1所述的衰减方法，其特征在于，步骤S6的具体方法为：

获取实际衰减量与目标衰减量A的差值C，根据MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为C±c的栅极为高电平的MOS管/>，并将获取的栅极为高电平的MOS管的栅极调整为低电平，返回步骤S5；其中c表示偏差，为常数。

7.根据权利要求1所述的衰减方法，其特征在于，步骤S7的具体方法为：

获取实际衰减量与目标衰减量A的差值D，根据MOS管的额定衰减量，获取额定衰减量总和为D±d的栅极为低电平的MOS管/>，并将获取的栅极为低电平的MOS管的栅极调整为高电平，返回步骤S5；其中d表示偏差，为常数。