CN118017178A - 宽带无源矢量合成移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基宽带无源矢量合成移相器，包括：宽带IQ信号发生器、I路0°/180°幅度加权网络、Q路0°/180°幅度加权网络和LC集总参数型功分器2。其中，宽带IQ信号发生器由LC集总参数型功分器1和全通网络90°移相器级联构成；I路0°/180°幅度加权网络包括Marchand Balun1、开关阵列1和Marchand Balun2；Q路0°/180°幅度加权网络包括Marchand Balun3、开关阵列2和Marchand Balun4。输入信号经宽带IQ信号发生器形成一组I/Q信号；I/Q路信号分别通过I/Q路0°/180°幅度加权网络，实现I/Q路信号0°/180°共四种相位下的幅度调制；调制后的信号经LC集总参数型功分器2进行合成，实现0°～360°移相。本发明公开的宽带无源矢量合成移相器，工作频带宽、移相精度高、寄生调幅小，适用于高动态范围的相控阵系统或者无线通信系统中。
Description
技术领域
本发明属于射频与微波集成电路设计领域，具体涉及一种宽带无源矢量合成移相器。
背景技术
在电子通讯系统中，数控移相器主要用于需要相位控制功能的微波通信系统，如相控阵系统、空间通信收发机系统等。移相器是一种二端口网络，主要用于对射频和微波传输信号的相位进行控制。主要技术指标有：工作频带、移相范围、移相精度、寄生调幅、插入损耗、电压驻波比、功率容量、功耗、噪声等。
数控移相器可分为开关选择型和矢量合成型。开关选择型移相器受管芯寄生参量影响大，且不便于后期配置码值，不利于高精度设计；矢量合成移相器则可通过编码来实现高精度设计。矢量合成型移相器依幅度加权网络类型可分为有源矢量合成移相器和无源矢量合成移相器。有源矢量合成移相器使用放大管实现幅度加权，无源矢量合成移相器则使用开关阵列实现幅度加权，相比有源矢量合成移相器，无源矢量合成移相器的线性度更高、移相精度温漂更小、可双向使用且无功耗。
现已发表的无源矢量合成移相器论文中，开关阵列为宽带幅度调制电路，故而无源矢量合成移相器的工作频带主要受限于无源电路，尤其受限于IQ信号发生器和balun的带宽。
发明内容
发明目的：本发明提供一种宽带无源矢量合成移相器，从拓宽无源电路工作频段的角度对传统无源矢量合成移相器进行优化。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
宽带无源矢量合成移相器包括：宽带IQ信号发生器、I路0°/180°幅度加权网络、Q路0°/180°幅度加权网络和第二LC集总参数型功分器。输入信号经宽带IQ信号发生器形成一组I/Q信号；I/Q路信号分别通过I/Q路0°/180°幅度加权网络，实现I/Q路信号0°/180°共四种相位下的幅度调制；调制后的信号经第二LC集总参数型功分器进行合成，实现0°～360°移相。
所述宽带IQ信号发生器，其输入端口接移相器输入端口，其输出端口分别接入I路0°/180°幅度加权网络和Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口，所述宽带IQ信号发生器用于将输入移相器的单端信号转换为一组正交信号。
所述I路0°/180°幅度加权网络的输入端口接宽带IQ信号发生器的输出端口，所述I路0°/180°幅度加权网络的输出端口接第二LC集总参数型功分器的输入端口，用于实现对I路信号0°/180°相位翻转，以及两种相位下信号的幅度加权。
所述Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口接宽带IQ信号发生器的输出端口，所述Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口接第二LC集总参数型功分器的输入端口，用于实现对Q路信号0°/180°相位翻转，以及两种相位下信号的幅度加权。
所述第二LC集总参数型功分器的输入端口分别接I路0°/180°幅度加权网络和Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口，所述第二LC集总参数型功分器的输出端口接移相器输出端口，实现信号合成，同时实现电路输出阻抗匹配。
进一步的，所述宽带IQ信号发生器由第一LC集总参数型功分器和全通网络90°移相器级联构成；宽带IQ信号发生器的输入端口接第一LC集总参数型功分器的输入端口，第一LC集总参数型功分器的输出端口一接全通网络90°移相器参考态的输入端口，第一LC集总参数型功分器的输出端口二接全通网络90°移相器移相态的输入端口，全通网络90°移相器参考态的输出端口接宽带IQ信号发生器的I路输出端口，全通网络90°移相器移相态的输出端口接宽带IQ信号发生器的Q路输出端口。
进一步的，所述I路0°/180°幅度加权网络包括Marchand Balun1、第一开关阵列和Marchand Balun2，所述Q路0°/180°幅度加权网络包括Marchand Balun3、第二开关阵列和Marchand Balun4；I路0°/180°幅度加权网络的输入端口接Marchand Balun1的不平衡输入端口，Marchand Balun1的平衡输出端口一接第一开关阵列的输入端口一，MarchandBalun1的平衡输出端口二接第一开关阵列的输入端口二，第一开关阵列的输出端口一接Marchand Balun2的平衡输入端口一，第一开关阵列的输出端口二接Marchand Balun2的平衡输入端口二，Marchand Balun2的不平衡输出端口接I路0°/180°幅度加权网络的输出端口；Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口接Marchand Balun3的不平衡输入端口，MarchandBalun3的平衡输出端口一接第二开关阵列的输入端口一，Marchand Balun3的平衡输出端口二接第二开关阵列的输入端口二，第二开关阵列的输出端口一接Marchand Balun4的平衡输入端口一，第二开关阵列的输出端口二接Marchand Balun4的平衡输入端口二，Marchand Balun4的不平衡输出端口接Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口。
进一步的，所述第一开关阵列和所述第二开关阵列，开关管芯尺寸和数目一致，控制位不同。
进一步的，所述Marchand Balun1、Marchand Balun2、Marchand Balun3和Marchand Balun4均为宽带巴伦。
进一步的，所述第一LC集总参数型功分器和第二LC集总参数型功分器均为宽带功分器，选用一级及一级以上LC型电路拓扑。
进一步的，所述宽带IQ信号发生器和所述第二LC集总参数型功分器交换在移相器电路中输入/输出端口的位置，即该移相器属于互易网络，双向使用。
进一步的，所述第一开关阵列和第二开关阵列使用MOS管或者HBT管，且管芯数目、尺寸根据所需移相步进改变。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
本发明在现有无源矢量合成移相器的基础上，通过全通网络90°移相器、Marchandbalun和LC集总参数功分器等宽带无源电路的引入，来实现无源矢量合成移相器的宽带高精度设计。
宽带IQ信号发生器输出信号的相位正交性和幅度一致性优于传统的叠层耦合器和Lange耦合器，相比Lange耦合器，宽带IQ信号发生器射频端口布版也更灵活；Marchandbalun输出的差分信号幅相平衡度优于传统的变压器balun，且工作频带更宽；LC集总参数功分器的输出信号幅相一致性佳，电路尺寸小于传统wilkson功分器。
上述无源电路幅相特性的改进，结合宽带开关阵列，可以有效地拓宽现有无源矢量合成移相器的工作频带。
附图说明
图1为本发明所示无源矢量合成移相器的电路结构框图。
图2为宽带IQ信号发生器电路拓扑图。
图3是Marchand Balun的原理图。
图4是LC集总参数型功分器的电路拓扑图。
图5为本发明实施例中开关阵列的电路结构框图。
图6为本发明实施例中0°/180°幅度调制网络的电路拓扑图。
图7为CMOS工艺下本发明实施例中移相器的移相量仿真结果。
图8为CMOS工艺下本发明实施例中移相器的移相精度RMS仿真结果。
图9为CMOS工艺下本发明实施例中移相器的寄生调幅仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明申请文件之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请权利要求所限定的范围。
本发明所述的宽带无源矢量合成移相器，采用LC集总参数型功分器1和全通网络90°移相器级联构成宽带IQ信号发生器，输入信号经宽带IQ信号发生器输出一组I/Q信号，该组I/Q信号的相位正交性和幅度一致性，均优于传统Lange或是叠层耦合器产生的I/Q信号；采用Marchand Balun将单端信号转为差分信号，该组差分信号的幅相平衡度亦优于传统变压器Balun，且工作频带更宽；采用LC集总参数型功分器2进行信号合成，该功分器也是宽带电路，性能优于Wilkerson功分器，且电路面积小。
实施例：如图1所示，LC集总参数型功分器1、Marchand Balun1、Marchand Balun2、Marchand Balun3、Marchand Balun4、开关阵列1、开关阵列2和LC集总参数型功分器2一起构成一个无源矢量合成移相器。无源矢量合成移相器的输入信号由输入端进入，通过LC集总参数型功分器1后输出一组等幅同相的信号；等幅同相信号输入全通网络90°移相器后输出一组I/Q信号；I路信号经过Marchand Balun1、开关阵列1和Marchand Balun1，产生幅度加权后的I+/I-信号；Q路信号经过Marchand Balun3、开关阵列2和Marchand Balun4，产生幅度加权后的Q+/Q-信号；I+/I-信号和Q+/Q-信号经LC集总参数型功分器2合成后在输出端实现0°～360°移相。其中，子电路模块的说明如下：
宽带IQ信号发生器原理图如图2所示，由LC集总参数型功分器1和全通网络90°移相器构成，LC集总参数型功分器1将输入信号转换为一组等幅同相信号，通过全通网络90°移相器后产生一组IQ信号。宽带IQ信号发生器的输入端口接LC集总参数型功分器1的输入端口，LC集总参数型功分器1的输出端口一接全通网络90°移相器参考态的输入端口，LC集总参数型功分器1的输出端口二接全通网络90°移相器移相态的输入端口，全通网络90°移相器参考态的输出端口接宽带IQ信号发生器的I路输出端口，全通网络90°移相器移相态的输出端口接宽带IQ信号发生器的Q路输出端口。
Marchand Balun原理图如图3所示，射频信号由输入端口IN进入，在输出端口OUT1和OUT2输出一组差分信号，Marchand Balun的第四端口开路。
本实施例的LC集总参数型功分器2原理图如图4所示，射频信号由输入端IN进入，在输出端口OUT1和OUT2输出一组等幅同相信号。
开关阵列原理图如图5所示，包括4组MOS管，每组管芯包括M1、M2、…、M7，控制电平为7组反向信号VC1P/VC1N、VC2P/VC2N、…、VC7P/VC7N，两个开关阵列的MOS管数量和尺寸相同，但控制电平不同，两个开关阵列需要14bit控制码。
0°/180°幅度调制网络如图6所示，包括一个开关阵列加上电路两端的MarchandBalun1和Marchand Balun2，该网络的信号从输入端IN输入Marchand Balun1的单端端口，由Marchand Balun1的差分端口进入开关阵列，开关阵列端接Marchand Balun2的差分端口，由Marchand Balun2的单端端口接输出端OUT输出信号。开关阵列的管芯在14bit控制码下，通过改变不同MOS管的导通与关断，可以实现I/Q信号在0°和180°相位下26种不同的幅度值。
如图1所示，Marchand Balun1、开关阵列1和Marchand Balun2构成I路0°/180°幅度加权网络，Marchand Balun3、开关阵列2和Marchand Balun4构成Q路0°/180°幅度加权网络。I路0°/180°幅度加权网络的输入端口接Marchand Balun1的不平衡输入端口，MarchandBalun1的平衡输出端口一接开关阵列1的输入端口一，Marchand Balun1的平衡输出端口二接开关阵列1的输入端口二，开关阵列1的输出端口一接Marchand Balun2的平衡输入端口一，开关阵列1的输出端口二接Marchand Balun2的平衡输入端口二，Marchand Balun2的不平衡输出端口接I路0°/180°幅度加权网络的输出端口。Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口接Marchand Balun3的不平衡输入端口，Marchand Balun3的平衡输出端口一接开关阵列2的输入端口一，Marchand Balun3的平衡输出端口二接开关阵列2的输入端口二，开关阵列2的输出端口一接Marchand Balun4的平衡输入端口一，开关阵列2的输出端口二接Marchand Balun4的平衡输入端口二，Marchand Balun4的不平衡输出端口接Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口。
依据实施例中的电路拓扑，在CMOS工艺下，可仿真实现4.5～15GHz的无源矢量合成移相器。其中，移相器的移相范围是-360°～0°，如图7所示；移相精度RMS结果约为1°～4°，见图8；移相寄生调幅约小于±0.8dB，如图9所示。
Claims (8)
1.宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，包括宽带IQ信号发生器、I路0°/180°幅度加权网络、Q路0°/180°幅度加权网络和第二LC集总参数型功分器；
所述宽带IQ信号发生器，其输入端口接移相器输入端口，其输出端口分别接入I路0°/180°幅度加权网络和Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口，所述宽带IQ信号发生器用于将输入移相器的单端信号转换为一组正交信号；
所述I路0°/180°幅度加权网络的输入端口接宽带IQ信号发生器的输出端口，所述I路0°/180°幅度加权网络的输出端口接第二LC集总参数型功分器的输入端口，用于实现对I路信号0°/180°相位翻转，以及两种相位下信号的幅度加权；
所述Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口接宽带IQ信号发生器的输出端口，所述Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口接第二LC集总参数型功分器的输入端口，用于实现对Q路信号0°/180°相位翻转，以及两种相位下信号的幅度加权；
所述第二LC集总参数型功分器的输入端口分别接I路0°/180°幅度加权网络和Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口，所述第二LC集总参数型功分器的输出端口接移相器输出端口，实现信号合成，同时实现电路输出阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述宽带IQ信号发生器由第一LC集总参数型功分器和全通网络90°移相器级联构成；
宽带IQ信号发生器的输入端口接第一LC集总参数型功分器的输入端口，第一LC集总参数型功分器的输出端口一接全通网络90°移相器参考态的输入端口，第一LC集总参数型功分器的输出端口二接全通网络90°移相器移相态的输入端口，全通网络90°移相器参考态的输出端口接宽带IQ信号发生器的I路输出端口，全通网络90°移相器移相态的输出端口接宽带IQ信号发生器的Q路输出端口。
3.根据权利要求1或2所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述I路0°/180°幅度加权网络包括Marchand Balun1、第一开关阵列和Marchand Balun2，所述Q路0°/180°幅度加权网络包括Marchand Balun3、第二开关阵列和Marchand Balun4；
I路0°/180°幅度加权网络的输入端口接Marchand Balun1的不平衡输入端口，Marchand Balun1的平衡输出端口一接第一开关阵列的输入端口一，Marchand Balun1的平衡输出端口二接第一开关阵列的输入端口二，第一开关阵列的输出端口一接MarchandBalun2的平衡输入端口一，第一开关阵列的输出端口二接Marchand Balun2的平衡输入端口二，Marchand Balun2的不平衡输出端口接I路0°/180°幅度加权网络的输出端口；
Q路0°/180°幅度加权网络的输入端口接Marchand Balun3的不平衡输入端口，Marchand Balun3的平衡输出端口一接第二开关阵列的输入端口一，Marchand Balun3的平衡输出端口二接第二开关阵列的输入端口二，第二开关阵列的输出端口一接MarchandBalun4的平衡输入端口一，第二开关阵列的输出端口二接Marchand Balun4的平衡输入端口二，Marchand Balun4的不平衡输出端口接Q路0°/180°幅度加权网络的输出端口。
4.根据权利要求3所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述第一开关阵列和所述第二开关阵列，开关管芯尺寸和数目一致，控制位不同。
5.根据权利要求3所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述MarchandBalun1、Marchand Balun2、Marchand Balun3和Marchand Balun4均为宽带巴伦。
6.根据权利要求2所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述第一LC集总参数型功分器和第二LC集总参数型功分器均为宽带功分器，选用一级及一级以上LC型电路拓扑。
7.根据权利要求1或2或6所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述宽带IQ信号发生器和所述第二LC集总参数型功分器交换在移相器电路中输入/输出端口的位置，即该移相器属于互易网络，双向使用。
8.根据权利要求3所述的宽带无源矢量合成移相器，其特征在于，所述第一开关阵列和第二开关阵列使用MOS管或者HBT管，且管芯数目、尺寸根据所需移相步进改变。
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