CN116455355A - 一种双向矢量调制有源移相器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向矢量调制有源移相器及电子设备，属于电子通信技术领域。移相器包括：发射I路电路、发射Q路电路、接收I路电路、接收Q路电路以及双向正交信号发生器；在发射模式下，两路同相信号分别经过第一差分共源放大器和第二差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第三吉尔伯特单元和第四吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第一吉尔伯特单元、第二吉尔伯特单元、第三差分共源和第四差分共源不工作。由于差分共源放大器的增益变化不影响输出相位，因此控制差分共源放大器的增益可实现输出增益调节，实现不影响输出相移特性的情况下调节输出幅度。

Description

一种双向矢量调制有源移相器及电子设备

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种双向矢量调制有源移相器及电子设备。

背景技术

当今无线通信技术在航空航天、雷达探测、自动驾驶、智能手机等领域都占领着重要地位，而随着无线技术的快速发展，各个领域对无线通信系统也提出了更高的需求。当前，6GHz以下的射频频段频谱资源已然相当拥挤，为满足更高数据率的无线传输需求，越来越多的人们将目光投向了毫米波频段。相控阵技术的波束赋形与波束扫描能力可以显著提高无线通信系统的信噪比和灵敏度，降低对系统中单个设备的功率和噪声的要求，因此，相控阵技术广泛应用在毫米波系统中。

移相器作为相控阵系统实现波束扫描的重要组件，其设计好坏直接影响着整个系统的性能。移相器可分为无源移相器与有源移相器两大类，有源移相器采用矢量合成方法，相比于无源移相器，有源移相器面积更小，损耗低，是近年的研究热点。

有源移相器主要由正交信号发生器以及可变增益放大器组成。但是现有的有源移相器存有以下问题：1）现有基于耦合器的正交信号发生器输出幅度相位误差较大，带宽较窄，且不具双向正交信号发生功能；2）现有双向矢量调制有源移相器中能同时实现移相与增益调节功能的较少，或增益调节时输出相位变化大。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种双向矢量调制有源移相器及电子设备。

本发明所采用的技术方案是：

一种双向矢量调制有源移相器，包括：

发射I路电路，包括第一差分共源放大器和第一吉尔伯特单元；

发射Q路电路，包括第二差分共源放大器和第二吉尔伯特单元；

接收I路电路，包括第三差分共源放大器和第三吉尔伯特单元；

接收Q路电路，包括第四差分共源放大器和第四吉尔伯特单元；

双向正交信号发生器，发射I路电路的两个输出端与发射Q路电路的两个输出端分别与双向正交信号发生器第一侧的四个端口连接，接收I路电路的两个输出端与接收Q路电路的两个输出端分别与双向正交信号发生器第二侧的四个端口连接；

在发射模式下，两路同相信号分别经过第一差分共源放大器和第二差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第三吉尔伯特单元和第四吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第一吉尔伯特单元、第二吉尔伯特单元、第三差分共源和第四差分共源不工作；

在接收模式下，两路同相信号分别经过第三差分共源放大器和第四差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第一吉尔伯特单元和第二吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第三吉尔伯特单元、第四吉尔伯特单元、第一差分共源和第二差分共源不工作；

其中，所述发射I路电路、发射Q路电路、接收I路电路和接收Q路电路的电路结构均相同。

进一步地，所述第一差分共源放大器包括第一晶体管和第二晶体管；

所述第一晶体管的栅极连接第一信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第一端口；

所述第二晶体管的栅极连接第二信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第二端口。

进一步地，所述发射I路电路还包括作为dummy管的第三晶体管和第四晶体管；

所述第三晶体管的栅极连接第一信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第二端口；

所述第四晶体管的栅极连接第二信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第一端口。

进一步地，所述第一吉尔伯特单元包括第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管和第十一晶体管；

所述第十一晶体管作为电流源，所述第十一晶体管的栅极连接控制电压V_rxi，源极接地，漏极分别连接第九晶体管的源极和第十晶体管的源极；

所述第九晶体管的栅极连接控制电压V_rxconi，漏极分别连接第五晶体管的源极和第六晶体管的源极；

所述第五晶体管的栅极连接第一晶体管的漏极，漏极连接第一信号端口；

所述第六晶体管的栅极连接第二晶体管的漏极，漏极连接第二信号端口；

所述第十晶体管的栅极连接控制电压，漏极分别连接第七晶体管的源极和第八晶体管的源极；

所述第七晶体管的栅极连接第二晶体管的漏极，漏极连接第一信号端口；

所述第八晶体管的栅极连接第一晶体管的漏极，漏极连接第二信号端口。

进一步地，电压V_rxconi只有0或1两种状态，状态为1时第一吉尔伯特单元同相放大，状态为0时第一吉尔伯特单元反相放大，实现象限切换。

进一步地，电压V_rxi包括多种状态，每个状态对应一个移相角度，用于实现象限内的相移。

进一步地，所述双向正交信号发生器由两级多相单元组成，该多相单元由两个基于耦合器的差分正交信号发生器组成。

进一步地，所述第一晶体管和第二晶体管的栅极的直流偏置电压均为V_btx，该V_btx电压的幅值可调，以实现双向矢量调制有源移相器的增益可调。

进一步地，所述双向矢量调制有源移相器还包括匹配网络；

所述匹配网络包括第一变压器和第二变压器；所述第一变压器包括第一电感和第三电感，所述第二变压器包括第二电感和第四电感；

所述第一电感的正端连接同相端口，负端连接电源电压Vdd；所述第三电感的正端连接同相端口，负端作为第一信号端口；

所述第二电感的正端连接反相端口，负端连接电源电压Vdd；所述第四电感的正端连接反相端口，负端作为第二信号端口。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种电子设备，包括如上所述的双向矢量调制有源移相器。

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于差分共源放大器和吉尔伯特单元的双向可变增益结构，由于差分共源放大器的增益变化对输出相位影响很小，因此控制差分共源放大器的增益可实现输出增益调节，实现不影响输出相移特性的情况下调节输出幅度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种双向矢量调制有源移相器的结构示意图；

图2是本发明实施例中双向正交信号发生器结构示意图；

图3是本发明实施例中双向正交信号发生器的多相单元结构图；

图4是本发明实施例中TRX模式的S参数仿真图；

图5是本发明实施例中双向正交移相器输出相位幅度误差的示意图；

图6是本发明实施例中TRX模式的均方根幅度和相位误差仿真值示意图；

图7是本发明实施例中TRX模式移相仿真结果示意图；

图8是本发明实施例中增益调节S21仿真结果示意图；

图9是本发明实施例中增益调节输出相位变化仿真结果示意图；

图10是本发明实施例中移相示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

为了解决现有的技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种基于双向正交信号发生器以及双向可变增益放大器的双向有源移相器。采用基于差分共源放大器以及吉尔伯特单元的双向可变增益放大器用以实现输出增益以及同相和正交两路信号增益的双向调节。另外，采用两级由基于耦合器的正交信号发生器组成的多相单元，实现低误差的双向正交信号的发生，最终实现双向移相，减小芯片面积。

如图1所示，本实施例提供一种双向矢量调制有源移相器，包括：

发射I路电路，包括第一差分共源放大器和第一吉尔伯特单元；

发射Q路电路，包括第二差分共源放大器和第二吉尔伯特单元；

接收I路电路，包括第三差分共源放大器和第三吉尔伯特单元；

接收Q路电路，包括第四差分共源放大器和第四吉尔伯特单元；

双向正交信号发生器，发射I路电路的两个输出端与发射Q路电路的两个输出端分别与双向正交信号发生器第一侧的四个端口连接，接收I路电路的两个输出端与接收Q路电路的两个输出端分别与双向正交信号发生器第二侧的四个端口连接；

在发射模式下，两路同相信号分别经过第一差分共源放大器和第二差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第三吉尔伯特单元和第四吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第一吉尔伯特单元、第二吉尔伯特单元、第三差分共源和第四差分共源不工作；

在接收模式下，两路同相信号分别经过第三差分共源放大器和第四差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第一吉尔伯特单元和第二吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第三吉尔伯特单元、第四吉尔伯特单元、第一差分共源和第二差分共源不工作；

其中，所述发射I路电路、发射Q路电路、接收I路电路和接收Q路电路的电路结构均相同。

参见图1，作为一种实施方式，所述第一差分共源放大器包括第一晶体管M₁和第二晶体管M₂；

所述第一晶体管M₁的栅极连接第一信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第一端口；

所述第二晶体管M₂的栅极连接第二信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第二端口。

进一步作为可选的实施方式，所述发射I路电路还包括作为dummy管的第三晶体管M₃和第四晶体管M₄；

所述第三晶体管M₃的栅极连接第一信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第二端口；

所述第四晶体管M₄的栅极连接第二信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第一端口。

所述第一吉尔伯特单元包括第五晶体管M₅、第六晶体管M₆、第七晶体管M₇、第八晶体管M₈、第九晶体管M₉、第十晶体管M₁₀和第十一晶体管M₁₁；

所述第十一晶体管M₁₁作为电流源，所述第十一晶体管M₁₁的栅极连接控制电压，源极接地，漏极分别连接第九晶体管M₉的源极和第十晶体管M₁₀的源极；

所述第九晶体管M₉的栅极连接控制电压，漏极分别连接第五晶体管M₅的源极和第六晶体管M₆的源极；

所述第五晶体管M₅的栅极连接第一晶体管M₁的漏极，漏极连接第一信号端口；

所述第六晶体管M₆的栅极连接第二晶体管M₂的漏极，漏极连接第二信号端口；

所述第十晶体管M₁₀的栅极连接控制电压，漏极分别连接第七晶体管M₇的源极和第八晶体管M₈的源极；

所述第七晶体管M₇的栅极连接第二晶体管M₂的漏极，漏极连接第一信号端口；

所述第八晶体管M₈的栅极连接第一晶体管M₁的漏极，漏极连接第二信号端口。

参见图2，作为一种实施方式，所述双向正交信号发生器由两级多相单元组成，该多相单元由两个基于耦合器的差分正交信号发生器组成。

以下结合附图及具体实施方式对上述有源移相器进行详细解释说明。

（1）电路结构说明

本实施例的双向矢量调制有源移相器的电路如图1所示，具体电路连接为：

差分信号从RF_in+和RF_in-输入端输入，RF_in+与RF_in-之间接有电容C_p1，并分别与隔直电容C_i11和C_i2一端相连。电感L₁₁~L₁₄组成匹配网络。电容C_i11另一端与电感L₁₁以及电感L₁₃的正端相连，电感L₁₁和电感L₁₃构成同向耦合，耦合系数为k₁₁；同时，电容C_i12另一端与电感L₁₂以及电感L₁₄正端相连，电感L₁₂与电感L₁₄也同样构成同向耦合，耦合系数为k₁₂。电感L₁₁和电感L₁₂负端与电源V_dd相连。

电感L₁₃负端与电容C₁₁、电容C₁₃、电容C₁₅、电容C₁₇以及晶体管M₅、晶体管M₇、晶体管M₁₆、晶体管M₁₈的漏极相连，其中电容C₁₁、电容C₁₃、电容C₁₅、电容C₁₇另一端分别与晶体管M₁、晶体管M₃、晶体管M₁₂、晶体管M₁₄的栅极相连；同样，电感L₁₄负端与电容C₁₂、电容C₁₄、电容C₁₆、电容C₁₈以及晶体管M₆、晶体管M₈、晶体管M₁₇、晶体管M₁₉的漏极相连，其中电容C₁₂、电容C₁₄、电容C₁₆、电容C₁₈另一端分别与晶体管M₂、晶体管M₄、晶体管M₁₃、晶体管M₁₅的栅极相连。

晶体管M₁、晶体管M₂的栅极分别与电阻R₁₁、电阻R₁₂一端相连，电阻R₁₁、电阻R₁₂的另一端相互连接并接入电源V_btx；晶体管M₃、晶体管M₄的栅极分别与电阻R₁₃、电阻R₁₄一端相连，电阻R₁₃、电阻R₁₄的另一端接入地；晶体管M₁₂、晶体管M₁₃的栅极分别与电阻R₁₅、电阻R₁₆一端相连，电阻R₁₅、电阻R₁₆的另一端相互连接并同样接入电源V_btx；晶体管M₁₄、晶体管M₁₅的栅极分别与电阻R₁₇、电阻R₁₈一端相连，电阻R₁₇、电阻R₁₈的另一端接入地。晶体管M₁~M₄及晶体管M₁₂~M₁₅的源极均接入地。

晶体管M₁~M₄的漏极分别与晶体管M₅~M₈的栅极相连，晶体管M₅和晶体管M₆的源极与晶体管M₉的漏极相连，晶体管M₇和晶体管M₈的源极与晶体管M₁₀的漏极相连，同时晶体管M₉与晶体管M₁₀的源极与晶体管M₁₁的漏极相连，晶体管M₁₁的源极接入地。

同样，晶体管M₁₂~M₁₅的漏极分别与晶体管M₁₆~M₁₉的栅极相连，晶体管M₁₆和晶体管M₁₇的源极与晶体管M₂₀的漏极相连，晶体管M₁₈和晶体管M₁₉的源极与晶体管M₂₁的漏极相连，同时晶体管M₂₀与晶体管M₂₁的源极与晶体管M₂₂的漏极相连，晶体管M₂₂的源极接入地。

除此之外，晶体管M₅的栅极与晶体管M₈的栅极相连并连接至电感L₁₅以及电容C_i13的一端；晶体管M₆的栅极与晶体管M₇的栅极相连并连接至电感L₁₆以及电容C_i14的一端；晶体管M₁₇的栅极与晶体管M₁₈的栅极相连并连接至电感L₁₇以及电容C_i15的一端；晶体管M₁₆的栅极与晶体管M₁₉的栅极相连并连接至电感L₁₈以及电容C_i16的一端。电感L₁₅~L₁₈的另一端均接入电源，电容C_i13~C_i16的另一端分别与双向正交信号发生器的P₁₁~P₁₄端相连。

电源V_rxconi接入晶体管M₉的栅极，同时经反相器后接至晶体管M₁₀的栅极，晶体管M₁₁的栅极与电源V_rxi相连；同时，电源V_rxconq接入晶体管M₂₀的栅极，并经过反相器后接至晶体管M₂₁的栅极，晶体管M₂₂的栅极与电源V_rxq相连。

本实施例的双向正交信号发生器结构如图2所示。该双向正交信号发生器为左右对称结构，左边P₁₁~P₁₄端分别与电感L_c11、电感L_c14、电感L_c15、电感L_c18的正端相连。电感L_c11与电感L_c12之间同向耦合，耦合系数为k_c11，它们的正端之间通过电容C_c11相连，负端之间通过C_c12相连；电感L_c13与电感L_c14之间同向耦合，耦合系数为k_c12，它们的正端之间通过电容C_c13相连，负端之间通过C_c14相连；电感L_c15与电感L_c16之间同向耦合，耦合系数为k_c13，它们的正端之间通过电容C_c15相连，负端之间通过C_c16相连；电感L_c17与电感L_c18之间同向耦合，耦合系数为k_c14，它们的正端之间通过电容C_c17相连，负端之间通过C_c18相连。

同样，右边P₂₁~P₂₄端分别与电感L_c21、电感L_c24、电感L_c25、电感L_c28的正端相连。电感L_c21与电感L_c22之间同向耦合，耦合系数为k_c21，它们的正端之间通过电容C_c21相连，负端之间通过C_c22相连；电感L_c23与电感L_c24之间同向耦合，耦合系数为k_c22，它们的正端之间通过电容C_c23相连，负端之间通过C_c24相连；电感L_c25与电感L_c26之间同向耦合，耦合系数为k_c23，它们的正端之间通过电容C_c25相连，负端之间通过C_c26相连；电感L_c27与电感L_c28之间同向耦合，耦合系数为k_c24，它们的正端之间通过电容C_c27相连，负端之间通过C_c28相连。

在双向信号发生器的中间，电感L_c17和电感L_c22的正端与电感L_c11和电感L_c25的负端相连；电感L_c12和电感L_c27的正端与电感L_c15和电感L_c21的负端相连；电感L_c13和电感L_c26的正端与电感L_c18和电感L_c24的负端相连；电感L_c16和电感L_c23与电感L_c14和电感L_c28的负端相连。

双向正交信号发生的P₂₁~P₂₄端分别与电容C_i23~C_i26相连。电容C_i23的另一端与电感L₂₅以及晶体管M₂₇和晶体管M₃₀的栅极相连；电容C_i24的另一端与电感L₂₆以及晶体管M₂₈和晶体管M₂₉的栅极相连；电容C_i25的另一端与电感L₂₇以及晶体管M₃₉和晶体管M₄₀的栅极相连；电容C_i26的另一端与电感L₂₈以及晶体管M₃₈和晶体管M₄₁的栅极相连。电感L₂₅~L₂₈的另一端均接入电源V_dd。晶体管M₂₇和晶体管M₂₈的源极与晶体管M₃₁的漏极相连，晶体管M₂₉和晶体管M₃₀的源极与晶体管M₃₂的漏极相连，同时晶体管M₃₁和晶体管M₃₂的源极与晶体管M₃₃的漏极相连，并且晶体管M₃₃的源极接入地。同样，晶体管M₃₈和晶体管M₃₉的源极与晶体管M₄₂的漏极相连，晶体管M₄₀和晶体管M₄₁的源极与晶体管M₄₃的漏极相连，同时晶体管M₄₂和晶体管M₄₃的源极与晶体管M₄₄的漏极相连，并且晶体管M₄₄的源极接入地。

电源V_txconi接入晶体管M₃₁的栅极，同时经反相器后接至晶体管M₃₂的栅极，晶体管M₃₃的栅极与电源V_txi相连；同时，电源V_txcconq接入晶体管M₄₂的栅极，并经过反相器后接至晶体管M₄₃的栅极，晶体管M₄₄的栅极与电源V_txq相连。

晶体管M₂₃~M₂₆的漏极分别与晶体管M₂₇~M₃₀的栅极相连，晶体管M₂₃~M₂₆的栅极分别与电容C₂₁~C₂₄相连，晶体管M₂₃~M₂₆的源极均接地；晶体管M₃₄~M₃₇的漏极分别与晶体管M₃₈~M₄₁的栅极相连，晶体管M₃₄~M₃₇的栅极分别与电容C₂₅~C₂₈相连，晶体管M₃₄~M₃₇的源极均接地。同时，晶体管M₂₃~M₂₆的栅极还与电阻R₂₁~R₂₄相连，并且电阻R₂₁和电阻R₂₂另一端共同接入电源V_brx，电阻R₂₃和电阻R₂₄的另一端均接地；同样，晶体管M₃₄~M₃₇的栅极还与电阻R₂₅~R₂₈相连，并且电阻R₂₅和电阻R₂₆的另一端共同接入电源V_brx，电阻R₂₇和电阻R₂₈的另一端均接地。

电容C₂₁、电容C₂₃、电容C₂₅和电容C₂₇的另一端互相连接并接至电感L₂₃的负端相连；电容C₂₂、电容C₂₄、电容C₂₆和电容C₂₈的另一端互相连接并接至电感L₂₄的负端。电感L₂₃的正端与电感L₂₁的正端相连，二者构成同向耦合，耦合系数为k₂₁；电感L₂₄的正端与电感L₂₂的正端相连，二者也构成同向耦合，耦合系数为k₂₂。电感L₂₁和电感L₂₂的另一端均接入电源V_dd。电感L₂₁~电感L₂₄组成匹配网络。电感L₂₃的正端与电容C_i21一端相连并输出信号到输出端RF_out+，电感L₂₄的正端与电容C_i22一端相连并输出信号到输出端RF_out-，输出端RF_out+与输出端RF_out-间接有电容C_p2。

（2）电路工作原理说明

本申请是一种增益可调的双向矢量调制有源移相器。该移相器模式切换由控制电压V_btx和V_brx、V_txi和V_txq，以及V_rxi和V_rxq实现。

V_btx用于控制工作在发射模式下的、由晶体管M₁和晶体管M₂以及晶体管M₁₂和晶体管M₁₃分别组成的两对差分共源放大器，V_dd通过电感L₁₅和电感L₁₆以及电感L₁₇和电感L₁₈分别为该两对差分共源放大器提供所需电压；

V_brx用于控制工作在接收模式下的、由晶体管M₂₃和晶体管M₂₄以及晶体管M₃₄和晶体管M₃₅分别组成的两对差分共源放大器，V_dd通过电感L₂₅和电感L₂₆以及电感L₂₇和电感L₂₈分别为该两对差分共源放大器提供所需电压；

V_txi和V_txq分别用于控制工作在发射模式下的，由晶体管M₂₇~M₃₃和晶体管M₃₈~M₄₄分别组成的吉尔伯特单元；

V_rxi和V_rxq分别用于控制工作在接收模式下的，由晶体管M₅~M₁₁和晶体管M₁₆~M₂₂分别组成的吉尔伯特单元。

除此之外，V_txconi和V_txconq用于控制发射模式下输出信号的象限，V_rxconi和V_rxconq用于控制接收模式下输出信号的象限，从而实现360°移相。在发射模式下，工作于接收模式的模块关闭，反之亦然。

以发射模式为例，进行移相时，信号经过由电感L₁₁~L₁₄组成的匹配网络后分为两路同相信号，分别经过由晶体管M₁和晶体管M₂、晶体管M₁₂和晶体管M₁₃分别组成的差分共源放大器的放大，由于差分共源放大器的增益变化对输出相位影响很小，因此控制差分共源放大器的增益可实现输出增益调节。发射模式下由晶体管M₅~M₁₁和晶体管M₁₆~M₂₂分别组成的吉尔伯特单元不工作。

接下来两路同相信号进入双向正交信号发生器后，输出两路正交信号。两路信号分别经过由晶体管M₂₇~M₃₃和晶体管M₃₈~M₄₄分别组成的吉尔伯特单元，在V_txconi和V_txconq的控制下分别变换两路信号方向以实现象限切换，在V_txi和V_txq的控制下分别调节两路信号幅度以实现某象限内移相，从而实现360°移相。发射模式下由晶体管M₂₃和晶体管M₂₄以及晶体管M₃₄和晶体管M₃₅分别组成的差分共源放大器不工作。

两路信号在由电感L₂₁~L₂₄组成的匹配网络处合成，最终输出移相信号。电路中的晶体管M₃和晶体管M₄、晶体管M₁₄和晶体管M₁₅、晶体管M₂₅和晶体管M₂₆以及晶体管M₃₆和晶体管M₃₇为dummy管，不论在何种模式下均处于关闭状态，其作用是使得吉尔伯特单元在通过V_txconi、V_txconq、V_rxconi以及V_rxconq进行象限切换时负载保持一致，减小负载对移相性能的影响。

以下结合一种6位双向矢量调制有源多相位产生器进行说明，这里的6位指的是移相步进为5.625°(360° /2⁶)。V_txconi、V_txconq、V_rxconi、V_rxconq、V_txi、V_txq、V_rxi以及V_rxq均通过焊盘连出后进行模拟控制。

在TX模式（即发射模式）下V_rxi以及V_rxq置零（0000状态），RX模式（即接收模式）下V_txi以及V_txq置零（0000状态）。V_txconi、V_txconq、V_rxconi、V_rxconq均只有0/1两种状态，状态为1时其对应的吉尔伯特单元同相放大，状态为0时反相放大，实现象限切换；V_txi、V_txq、V_rxi、V_rxq均有9种状态（0000~1000），用于实现某一象限内相移。

参见图10，以TX模式，第一、二象限移相为例进行移相功能的说明。

第一象限：

第二象限：

接收模式即为信号从RF_out+和RF_out-输入，其工作原理与发射模式一致，不再赘述。

参见图2，本申请设计的双向正交信号发生器由两级多相单元组成，该多相单元由两个基于耦合器的差分正交信号发生器组成。多相单元结构如图3中(a)所示，①IN代表耦合器的输入端，②THRU代表直通端，③CPL代表耦合端，④ISO代表隔离端。由于耦合器有∠S21=∠S12、∠S31=∠S13且∠S21/∠S31=∠S12/∠S13=-90°的特性，通过对两个差分正交信号发生器的直通端与耦合端进行适当连接，可构造出两路差分输入两路差分输出的双向多相单元。如图3中(b)所示，两路同相差分信号分别输入两差分正交信号发生器，即第一级多相单元，生成两路差分正交信号(0°/180°)，两路差分同相信号(-90°/90°)。通过对两个差分正交信号发生器的直通端与耦合端进行连接，可构造出一对差分正交信号(45°/-135°，-45°/135°)。第二级多相单元与第一级多项单元左右对称。如图3中(c)所示端口相位分析，当第一级输出的一对差分正交信号进入第二级多相单元后，将仍然输出一对差分正交信号。第二级多相单元作用有二：一是与第一级共同形成左右对称结构，保证双向正交信号发生的性能一致；二是该多相单元具有降低输出正交信号的幅度和相位误差的作用，可以拓宽正交发生器的带宽并提高其性能。因此，第二级的存在可以使得两个模式下的正交信号发生均达到较好的效果。

在一种实施例中，将上述的双向矢量调制有源移相器应用于5G毫米波28GHz频段的无线通信，S参数仿真结果如图4，3dB增益带宽为24GHz~33.5GHz；双向正交信号发生器的输出幅度相位误差如图5所示，在22GHz~40GHz内的双向相位误差为±2.5°，双向幅度误差小于±0.56dB；TRX模式的均方根相位和幅度误差如图6所示，在24GHz~33.5GHz 内，两个模式下的相位误差均小于1.5°，幅度误差均小于0.61dB；TRX模式的移相仿真结果如图7所示；本申请增益调节仿真结果如图8所示，增益可调范围为17dB，图9为增益调节时输出相位变化情况，仿真得进行增益调节时相位变化低于2.6°。其中，图4中（a）为发射模式S参数仿真图，图4中（b）为接收模式S参数仿真图。图6中（a）为发射模式均方根幅度和相位误差仿真值，图6中（b）为接收模式均方根幅度和相位误差仿真值。图7中（a）为发射模式移相仿真结果，图7中（b）为接收模式移相仿真结果。

综上所述，本申请相对于相应技术，至少具有如下优点及有益效果：

1）本申请提出了一种基于共源放大器与吉尔伯特单元所构成的双向可变增益放大器的双向有源移相器，可在输出相位变化较小的情况下调节输出幅度。

2）本申请提出了基于耦合器的双向正交信号发生器，该正交信号发生器可实现宽带的正交信号发生，拓宽了双向有源移相器的带宽，并提高了移相性能。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，包括：

发射I路电路，包括第一差分共源放大器和第一吉尔伯特单元；

发射Q路电路，包括第二差分共源放大器和第二吉尔伯特单元；

接收I路电路，包括第三差分共源放大器和第三吉尔伯特单元；

接收Q路电路，包括第四差分共源放大器和第四吉尔伯特单元；

双向正交信号发生器，发射I路电路的两个输出端与发射Q路电路的两个输出端分别与双向正交信号发生器第一侧的四个端口连接，接收I路电路的两个输出端与接收Q路电路的两个输出端分别与双向正交信号发生器第二侧的四个端口连接；

在发射模式下，两路同相信号分别经过第一差分共源放大器和第二差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第三吉尔伯特单元和第四吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第一吉尔伯特单元、第二吉尔伯特单元、第三差分共源和第四差分共源不工作；

在接收模式下，两路同相信号分别经过第三差分共源放大器和第四差分共源放大器进行放大后，进入双向正交信号发生器并输出两路正交信号；两路正交信号分别经过第一吉尔伯特单元和第二吉尔伯特单元，进行象限切换和/或象限内移相后输出；在该模式下，第三吉尔伯特单元、第四吉尔伯特单元、第一差分共源和第二差分共源不工作；

其中，所述发射I路电路、发射Q路电路、接收I路电路和接收Q路电路的电路结构均相同。

2.根据权利要求1所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，所述第一差分共源放大器包括第一晶体管和第二晶体管；

所述第一晶体管的栅极连接第一信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第一端口；

所述第二晶体管的栅极连接第二信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第二端口。

3.根据权利要求2所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，所述发射I路电路还包括作为dummy管的第三晶体管和第四晶体管；

所述第三晶体管的栅极连接第一信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第二端口；

所述第四晶体管的栅极连接第二信号端口，源极接地，漏极连接双向正交信号发生器第一侧的第一端口。

4.根据权利要求3所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，所述第一吉尔伯特单元包括第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管和第十一晶体管；

所述第十一晶体管作为电流源，所述第十一晶体管的栅极连接控制电压V_rxi，源极接地，漏极分别连接第九晶体管的源极和第十晶体管的源极；

所述第九晶体管的栅极连接控制电压V_rxconi，漏极分别连接第五晶体管的源极和第六晶体管的源极；

所述第五晶体管的栅极连接第一晶体管的漏极，漏极连接第一信号端口；

所述第六晶体管的栅极连接第二晶体管的漏极，漏极连接第二信号端口；

所述第十晶体管的栅极连接控制电压，漏极分别连接第七晶体管的源极和第八晶体管的源极；

所述第七晶体管的栅极连接第二晶体管的漏极，漏极连接第一信号端口；

所述第八晶体管的栅极连接第一晶体管的漏极，漏极连接第二信号端口。

5.根据权利要求4所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，电压V_rxconi只有0或1两种状态，状态为1时第一吉尔伯特单元同相放大，状态为0时第一吉尔伯特单元反相放大，实现象限切换。

6.根据权利要求4所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，电压V_rxi包括多种状态，每个状态对应一个移相角度，用于实现象限内的相移。

7.根据权利要求1所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，所述双向正交信号发生器由两级多相单元组成，该多相单元由两个基于耦合器的差分正交信号发生器组成。

8.根据权利要求2所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管的栅极的直流偏置电压均为V_btx，该V_btx电压的幅值可调，以实现双向矢量调制有源移相器的增益可调。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种双向矢量调制有源移相器，其特征在于，所述双向矢量调制有源移相器还包括匹配网络；

所述匹配网络包括第一变压器和第二变压器；所述第一变压器包括第一电感和第三电感，所述第二变压器包括第二电感和第四电感；

所述第一电感的正端连接同相端口，负端连接电源电压Vdd；所述第三电感的正端连接同相端口，负端作为第一信号端口；

所述第二电感的正端连接反相端口，负端连接电源电压Vdd；所述第四电感的正端连接反相端口，负端作为第二信号端口。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的双向矢量调制有源移相器。