CN116859341A - 一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，应用于相控阵雷达领域，针对现有收发前端芯片中采用的高低通型移相器仅适用于低频段的移相单元之间，而且受限于滤波器阶数得问题；本发明提出了基于磁耦合全通网络和有源互补双模放大电路的新型移相结构，该结构可在保证移相精度的前提下实现可用频率的大幅拓展，基于有源结构的180°移相网络则可以有效地提供传输增益，减少链路放大器的使用数量，进一步降低接收链路的噪声系数并辅助提升发射链路的功率特性。该技术的提出有助于实现芯片在2‑18GHz的超宽带范围内实现良好的移相精度、输入输出回波损耗与较低的移相误差。
Description
技术领域
本发明属于相控阵雷达领域，特别涉及一种收发前端技术。
背景技术
随着军事化建设的不断发展和作战思维的演化，现代战争已经从传统作战方式演变为以电子战和信息战为核心的战争模式。综合一体化电子战系统已成为了现代战争的杀手锏之一。为了满足雷达对抗、无线电通信对抗和光电对抗等多样化的作战需求，一个完备的电子对抗平台往往集成了超宽频带、不同功能的分立电子作战系统，这样复杂的需求在客观上带来了作战平台体积过大、集成度低、一致性差等缺陷，极大限制了平台的机动作战性能。而收发前端是电子对抗相控阵雷达的关键部件，其性能决定了相控阵系统的波速扫描精度、发射功率以及接收灵敏度等关键技术指标。同时，电子对抗系统整机性能的提升要求其对应的收发前端朝着低成本、低功耗、轻重量以及小型化的方向发展。由于电子对抗系统特有的超宽带特性，现有的收发前端多功能芯片往往采用分段形式，这样的实现方式不仅增加了成本，同时降低了整体系统的集成度和不同功能切换的响应速度。目前相控阵雷达中的多功能芯片主要由GaAs材料来实现，尽管材料的载流子迁移率较优，但砷化镓基片的热性能较差，且加工费用高昂，因此，GaAs、SiC等III-V族半导体芯片加工工艺难以满足应用中降低成本的需求，故低成本、高性能的硅基工艺将会成为军用相控阵雷达小型化、低功耗、高可靠性的首选技术。因此研发出全面自主知识产权的高性能超宽带低成本硅基收发前端芯片对我国电子对抗一体化作战平台建设具有十分重要的现实意义。
如图1所示，高通/低通网络移相器的设计以开关线型移相网络为参照，通过在不同支路引入阻抗网络实现相位的变化，进而实现移相效果。采用该结构设计移相器同样需要单刀双掷开关器件，以T型滤波电路为例，当信号通过单刀双掷电路与T型高通滤波电路导通时，输出信号对应输入信号产生相位超前的效果；切换单刀双掷开关状态，T型低通滤波网络导通，电路则产生相位滞后效果，所以两种状态之间也产生一定的相位差，通过控制开关器件改变电信号导通支路，即能实现信号相移。由于高低通滤波电路的存在，所以上述电路结构存在两个不同的谐振频率，高通滤波电路的超前相位与频率之间呈现负相关，随着频率的增大相位超前的趋势总是会减小，而低通滤波电路的滞后相位会随着频率的增加而增大，两种滤波电路表现在同一段频率上，其对应的相位变化刚好呈现互补趋势。高通滤波器的串联电抗和并联电纳均反比于频率的变化，而低通滤波器的串联电抗和并联电纳则都正比于频率的变化，因此移相器可以在比较宽的频率范围内达到匹配；同时，如果频率增加，高通滤波器的相位超前角减小而低通滤波器的相位滞后角增大，这样就可以得到补偿，使两个状态的相位差在比较宽的频带内保持一定的值。
但是高低通型移相器仅适用于低频段的移相单元之间，而且受限于滤波器阶数。所以其不适用于带宽为2-18GHz的移相器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，基于磁耦合全通网络和有源互补双模放大电路的新型移相结构，该结构可在保证移相精度的前提下实现可用频率的大幅拓展，基于有源结构的180°移相网络则可以有效地提供传输增益，减少链路放大器的使用数量，进一步降低接收链路的噪声系数并辅助提升发射链路的功率特性。该技术的提出有助于实现芯片在2-18GHz的超宽带范围内实现良好的移相精度、输入输出回波损耗与较低的移相误差。
本发明采用的技术方案为：一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，包括：5.625°移相器、11.25°移相器、22.5°移相器、45°移相器、90°移相器、180°移相器、分布式放大器、开关；
180°移相器输入端接开关，180°移相器输出端接45°移相器输入端；
45°移相器输出端接分布式放大器输入端；
分布式放大器输出端接5.625°移相器的输入端，5.625°移相器的输出端接11.25°移相器的输入端，11.25°移相器的输出端接22.5°移相器的输入端，22.5°移相器的输出端接90°移相器的输入端，90°移相器的输出端接开关；
45°移相器、90°移相器采用开关选择型磁耦合全通网络拓扑结构；
5.625°移相器、11.25°移相器、22.5°移相器采用串联电容型磁耦合全通网络拓扑结构；
180°移相器采用有源电路拓扑结构。
本发明的有益效果：本发明提出了基于磁耦合全通网络和有源互补双模放大电路的新型移相结构，该结构可在保证移相精度的前提下实现可用频率的大幅拓展，基于有源结构的180°移相网络则可以有效地提供传输增益，减少链路放大器的使用数量，进一步降低接收链路的噪声系数并辅助提升发射链路的功率特性。该技术的提出有助于实现芯片在2-18GHz的超宽带范围内实现良好的移相精度、输入输出回波损耗与较低的移相误差。
附图说明
图1为现有的高通/低通原理图；
其中，(a)为原理图实例一，(b)为原理图实例二；
图2为本发明的基于串联电容型的磁耦合全通网络移相单元结构图；
图3为本发明的基于磁耦合全通网络的移相拓扑结构；
其中，(a)为串联电容型，(b)为开关选择型；
图4为本发明的可变电容结构图；
图5为本发明提供的等效电路图；
其中，(a)磁耦合全通网络等效电路，(b)奇模等效电路，(c)偶模等效电路；
图6为有源互补双模放大电路结构图；
图7为有源互补双模放大电路原理图；
图8为超宽带移相器全移相态；
图9为超宽带移相器基态插损；
图10为超宽带移相器输入输出驻波；
其中，(a)为输入驻波图，(b)为输出驻波图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明的收发芯片中5.625°移相器、11.25°移相器、22.5°移相器三者级联，级联后的输入端接分布式放大器输出端，级联后的输出端接90°移相器的输入。在2-18GHz超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片中45°移相器输入端接180°移相器的输出端，45°移相器输出端接分布式放大器输入端。在2-18GHz超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片中90°移相器输入端接5.625°、11.25°、22.5°移相器级联后的输入端，90°移相器输出端接开关。在2-18GHz超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片中180°移相器输入端接开关，输出端接45°移相器的输入端。移相器在2-18GHz超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片中实现了良好的阻抗匹配以及超宽带高精度移相功能。
在本发明设计的宽带收发多功能芯片中，移相器起到着至关重要的作用，该元件的性能直接影响着移相精度，本发明的收发前端芯片覆盖160％的相对带宽，传统移相器难以满足本发明的需求。一般的方案往往采用分段式结构以实现不同频率的移相分时重构，然而分段式结构会大幅度提升系统的复杂度，降低系统集成度，同时开关速度也会影响整体电子战系统的响应时间。
因此本发明创造性地提出了基于磁耦合全通网络和有源互补双模放大电路的新型移相结构，基于磁耦合全通网络结构可在保证移相精度的前提下实现可用频率的大幅拓展，基于有源结构的180°移相网络则可以有效地提供传输增益，减少链路放大器的使用数量，进一步降低接收链路的噪声系数并辅助提升发射链路的功率特性。该技术的提出有助于实现芯片在2-18GHz的超宽带范围内实现良好的移相精度、输入输出回波损耗与较低的移相误差。
基于串联电容型的磁耦合全通网络移相单元，其移相原理可类似高/低通型结构进行理解。信号从左端口流入，一部分信号经由Cs流到输出(相当于串联电容，高通网络，相位超前)，另一部分信号经由耦合电感与并联电容到达输出端(相当于串联电感与并联电容的低通T型网络，相位滞后)，信号在两条支路的超前与滞后间进行流通，实现相移。且其移相带宽、且精度高。基于串联电容型的磁耦合全通网络移相单元如图2所示。
具备有源增益补偿电路的双路反相输出移相单元，其拓扑结构如图6所示。它主要针对与180°的最大移相单元，采用有源电路拓扑，一方面可以实现超宽带的移相，另一方面还可以提供一定的增益来弥补整个移相器的插入损耗。射频信号由输入端引入后(假定输入信号为0°)，首先经过一个共源极放大器反相输出相位为180°的信号，另一方面经过源极跟随器再输出一个与输入信号同相即0°的信号，输出的这两路信号各自再分别经过一个共源极放大器进行反相输出，还需要利用两路串并联式结构的单刀双掷开关来实现最终的输出，基于此最终两条路径上的信号之间存在180°的相位差值。此结构在实现超宽带高精度移相的同时，还提供了较高平坦度的增益与输出功率。
首先对磁耦合全通网络的移相原理进行介绍。
基于磁耦合全通网络的移相器主要有两种拓扑结构，即开关选择型和串联电容型，如图3所示。图3(b)为开关选择型磁耦合全通网络拓扑结构，以单刀双掷开关对两个全通网络的选择来表征移相电路的基态和移相态。该结构通常可以获得较大的相移量，但是会引入较大的损耗，占用较大的电路面积，本发明中45°、90°移相器采用了这种结构。本段中较大是指大于或等于45°的相移量。
图3(a)为串联电容型磁耦合全通网络拓扑结构，该结构通常用于较小相移量的获取，优点是具有较小的损耗，占用更小的电路面积，所以5.625°、11.25°、22.5°移相器本发明中采用这种结构。可变电容由开关管和固定电容的组合实现，如图4所示，利用VG控制开关管的导通与截止来改变整个电路的等效电容，从而实现移相电路的基态和移相态的状态转换。较小是指小于会等于22.5°的移相量。
图3(b)所示的开关选择型磁耦合全通网络拓扑结构中，确定带宽的关键参数磁耦合系数k，可以在-1～1的范围内取值，k绝对值的大小决定耦合强度，极性决定信号通过耦合线圈的方向性，其等效电路如图5(a)所示。其中互感系数M可以用磁耦合系数k和耦合线圈的电感值L进行计算，见公式(1)：
M＝kL (1)
为了便于分析，将等效电路以中间轴为中心线分成左右对称的电路，即奇模等效电路和偶模等效电路，如图5(b)和图5(c)所示。奇模阻抗和偶模导纳可通过公式(2)、(3)获得：
Cp即图3中的并联电容Cp0，Cs即图3中的串联电容Cs0；
其中电路奇偶模反射系数可通过等效的感抗和容抗来获得，见公式(4)、(5)：
其中，Z0表示特征阻抗，Y0表示特征导纳，
因此，磁耦合全通网络的S参数可通过公式(6)、(7)进行提取：
其中，S11表示回波损耗，S21表示插入损耗；
根据公式(4)、(5)可得，在一定的条件下，S11在任意频率处恒为0，这时参数的取值如公式(8)、(9)所示：
bs＝(1+k)x (8)
bp＝(1-k)x (9)
将公式(8)、(9)带入(6)、(7)，可得S21的相位表达式为：
并且此时|S21|＝1。
在180°移相电路设计中，采用了有源电路拓扑，在实现宽带相移的同时提供一定的增益，从而链路指标分配更为合理，整个芯片的功耗水平也得到了大幅度的降低。如图6所示，输入单端信号通过有源巴伦实现单端到差分的转换，再经过高增益差分放大器实现差分信号幅相以及相位平衡性改善和增益补偿，最后通过单刀双掷开关对两路差分信号进行选择输出，从而实现180°移相。该结构在实现超宽带高精度移相的同时，提供较高平坦度的增益和功率输出。
有源互补双模放大电路原理：射频信号由输入端引入(假定输入信号为0°)，分别经过共源极放大器与共栅极放大器，输出相位为180°与0°的信号，二者再分别经过共源极放大反相输出，最后利用单刀双掷开关选择输出。原理图如图7所示：
本发明有效扩展了带宽，并对高频增益的下降起到一定的补偿作用，同时提高了电路的稳定性。最终超宽带移相器的结果如图8、9、10所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，其特征在于，包括：5.625°移相器、11.25°移相器、22.5°移相器、45°移相器、90°移相器、180°移相器、分布式放大器、开关；
180°移相器输入端接开关，180°移相器输出端接45°移相器输入端；
45°移相器输出端接分布式放大器输入端；
分布式放大器输出端接5.625°移相器的输入端，5.625°移相器的输出端接11.25°移相器的输入端，11.25°移相器的输出端接22.5°移相器的输入端，22.5°移相器的输出端接90°移相器的输入端，90°移相器的输出端接开关；
45°移相器、90°移相器采用开关选择型磁耦合全通网络拓扑结构；
5.625°移相器、11.25°移相器、22.5°移相器采用串联电容型磁耦合全通网络拓扑结构；
180°移相器采用有源电路拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，其特征在于，开关选择型磁耦合全通网络拓扑结构，包括第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一全网通网络、第二全网通网络；具体通过单刀双掷开关对两个全通网络的选择来表征移相电路的基态和移相态。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，其特征在于，串联电容型磁耦合全通网络拓扑结构，包括第一可变电容、第二可变电容、第一电感、第二电感；所述第一电感第一端与第一可变电容第一端连接，第一可变电容第二端与第二电感第一端连接，第一电感第二端与第二可变电容第一端连接，第二可变电容第二端接地，第二电感第二端与第二可变电容第二端连接；第一电感第一端作为串联电容型磁耦合全通网络拓扑结构的输入端，第二电感第一端作为串联电容型磁耦合全通网络拓扑结构的输出端；
可变电容由开关管和固定电容的组合实现，如图4所示，利用VG控制开关管的导通与截止来改变整个电路的等效电容，从而实现移相电路的基态和移相态的状态转换。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带GaAs幅相控制收发前端芯片，其特征在于，有源电路拓扑，具体为：输入单端信号通过有源巴伦实现单端到差分的转换，再经过高增益差分放大器实现差分信号幅相以及相位平衡性改善和增益补偿，最后通过单刀双掷开关对两路差分信号进行选择输出，从而实现180°移相。
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| CN117318636A (zh) * | 2023-11-28 | 2023-12-29 | 成都嘉纳海威科技有限责任公司 | 一种高集成度双模放大器芯片 |
| CN117318636B (zh) * | 2023-11-28 | 2024-02-27 | 成都嘉纳海威科技有限责任公司 | 一种高集成度双模放大器芯片 |
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Legal Events
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