CN118041298A - 一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，包括：衰减器电路、附加相位误差消除电路和数字控制电路；附加相位误差消除电路与衰减器电路的RF信号的输出端连接；数字控制电路用于根据检测到的附加相位误差结果，产生衰减器控制码和相位控制码；衰减器电路用于基于来自数字控制电路的衰减器控制码，调节衰减器的衰减输出幅度；附加相位误差消除电路用于基于来自数字控制电路的相位控制码，进行相位补偿；本发明将附加相位误差消除电路放置于衰减器电路之外，并和数字控制电路配合，解决了传统数字衰减器参考状态和衰减状态之间引入的附加相位误差较大的问题，且不会因为附加相位误差消除电路导致衰减器的衰减精度和信号插损恶化。
Description
技术领域
本发明属于电子电路设计技术领域，具体涉及一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统。
背景技术
无线数字通信的发展使得手机、WIFI、路由等通信方式成为主流。无线通信摒弃传统有线通信的诸多弊端，比如复杂的布线、数据保密度低等，无线通信已经成为通信研究的热点。其中无线通信的射频收发机一直是无线通信的核心模组。而射频(RF)衰减器更是其中的关键电路。射频衰减器可用于控制电子信号的振幅，进而控制整个射频系统的增益。
射频衰减器用以控制(衰减)射频信号的幅度，保证在任何通信场景射频系统的信号强度恒定。所以，射频衰减器的性能对整个射频系统起着至关重要的作用。在射频系统中，为保证幅度控制的范围足够大，一般情况会要求10多dB到30多dB的衰减范围，并可根据系统要求选择衰减值。例如，31dB衰减范围，则可根据系统需求，选择衰减0dB，1dB一直到31dB。按照衰减是否可以连续可调，衰减器器通常可以分为模拟式以及数字式两种。模拟式衰减器通过控制模拟电压，可以得到0～31dB中的任意衰减量。但模拟信号易受干扰，受到外部影环境响较大。数字式通过开关不同的衰减模块，可以按数字方式控制衰减量，但衰减精度只能是步进式的。数字式衰减器由于其具有工作稳定，不受外部环境影响等优点，在射频系统中得到广泛应用。
射频衰减器必然会引入附加相位误差，附加相位误差是指在被切换至衰减状态或非衰减参考状态(也被称为旁路状态)时，射频衰减器在其衰减状态和参考状态下具有不同的相位特性，同时随着施加至射频衰减器的RF信号的频率增加，相移量也增加，简言之，衰减器操作导致信号发生预期的幅度(或者说信号)衰减的同时，其相位也发生变化，使得不同衰减状态下输出信号的相位不同。理论分析，衰减器最小衰减误差、最小附加相位误差和最小插损三者不能在某一固定频率下同时获得。如果优先保证衰减精度，必然要牺牲信号插损或者附加相位误差。这是因为，幅度变化动会改变信号的相对强度，从而影响信号的相位。图1以8-dB Pi型衰减器为例，说明传统衰减器结构的电路及相位变化。图1中的(d)示出衰减器的参考态相位和衰减态相位分别呈现低通和高通特性，导致产生大的附加相位误差。如图2所示，以传统8-dB Pi型衰减器结构图为例说明。理论分析，现有Pi型或者T型衰减器的参考态和衰减态，其对应的相位传输函数的特性不同，具体表现为，参考态为低通函数，衰减态为高通函数，导致衰减器在参考态和衰减态的相位会有很大变化。图2中的(d)示出的仿真结果证明理论分析正确，参考态和衰减态相位呈现明显呈现高通(相位曲线随频率增加，向上)和低通特性(相位曲线随频率减低，向下)，导致衰减器在参考态和衰减态有很大的相位变化。
衰减精度和信号插损是通信系统的重要指标，而附加相位误差是系统不需要的，过大的附加相位误差会带来系统性能的严重下降，需要在保证衰减精度和信号插损的前提下尽量减小。
同时，在射频衰减器级联时，各级衰减单元的衰减状态和参考状态，会对其前后级造成干扰，导致不同输出信号的相位不同，这些不同衰减状态的相位减去参考状态产生附加相位误差，使系统整体性能下降；为了提高系统整体性能，在传统方案中，一般会在衰减器各级中间增加电感。如图3所示，其原理在于通过感性器件谐振掉容性器件，使得衰减器传输函数(θ(a+bi)＝actan(b/a))中的虚部bi变小，从而减小附加相位误差。但该传统方案需要L1～Ln多个螺旋电感，极大占用了面积。以及在集成电路应用中，片上螺旋电感的品质因数(Q值)极低，引入了大的不需要的信号损失。
发明内容
发明目的：为解决因附加相位误差导致的相控阵系统性能下降的问题，本发明提出了一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，用于相控阵系统中的衰减器设计。
技术方案：一种新型低相移射频衰减器电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第一电容和第二电容；所述第三电阻的一端与RF信号的输入端连接，第三电阻的另一端与RF信号的输出端连接；所述第一场效应晶体管的源极与RF信号的输入端连接，第一场效应晶体管的漏极与RF信号的输出端连接，第一场效应晶体管M1的栅极接入外界电压；第一电阻的一端与RF信号的输入端连接，第一电阻的另一端与第二场效应晶体管的漏极连接，第二场效应晶体管的源极接地，第二电阻的一端与RF信号的输出端连接，第二电阻的另一端与第三场效应晶体管的漏极连接，第三场效应晶体管的源极接地，第二场效应晶体管的栅极与第三场效应晶体管的栅极均接入外界电压；所述第一电容并联在第一电阻的两端，第二电容并联在第二电阻的两端。
本发明还公开了一种附加相位误差消除电路结构，包括2个串联的第四电阻和多条并联的接地支路，每条所述接地支路均包括一支路电容和一第四场效应晶体管，所述支路电容的一端接入两个第四电阻的连接点，该支路电容的另一端与第四场效应晶体管的漏极连接，第四场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的栅极用于接收外部控制信号。
本发明还公开了一种附加相位误差消除电路结构，包括2个串联的第五电阻和接地支路，所述接地支路包括一可变电容，所述可变电容的一端接入两个第五电阻的连接点，该可变电容的另一端接地。
本发明还公开了一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，包括：衰减器电路、附加相位误差消除电路和数字控制电路；所述附加相位误差消除电路与衰减器电路的RF信号的输出端连接；
所述数字控制电路用于根据检测到的附加相位误差结果，产生衰减器控制码和相位控制码；
所述衰减器电路用于基于来自数字控制电路的衰减器控制码，调节衰减器的衰减输出幅度；
所述附加相位误差消除电路用于基于来自数字控制电路的相位控制码，进行相位补偿。
进一步的，所述衰减器电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第一电容和第二电容；所述第三电阻的一端与RF信号的输入端连接，第三电阻的另一端与RF信号的输出端连接；所述第一场效应晶体管的源极与RF信号的输入端连接，第一场效应晶体管的漏极与RF信号的输出端连接，第一场效应晶体管M1的栅极接入外界电压；第一电阻的一端与RF信号的输入端连接，第一电阻的另一端与第二场效应晶体管的漏极连接，第二场效应晶体管的源极接地，第二电阻的一端与RF信号的输出端连接，第二电阻的另一端与第三场效应晶体管的漏极连接，第三场效应晶体管的源极接地，第二场效应晶体管的栅极与第三场效应晶体管的栅极均接入外界电压；所述第一电容并联在第一电阻的两端，第二电容并联在第二电阻的两端。
进一步的，所述附加相位误差消除电路包括：2个串联的第四电阻和多条并联的接地支路，每条所述接地支路均包括一支路电容和一第四场效应晶体管，所述支路电容的一端接入两个第四电阻的连接点，该支路电容的另一端与第四场效应晶体管的漏极连接，第四场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的栅极用于接收外部控制信号。
进一步的，所述附加相位误差消除电路包括：2个串联的第五电阻和接地支路，所述接地支路包括一可变电容，所述可变电容的一端接入两个第五电阻的连接点，该可变电容的另一端接地。
进一步的，所述数字控制电路为数字查询表，所述数字查询表预存储有附加相位误差结果、衰减器控制码和相位控制码的对应关系。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)理论上，附加相位误差是不可避免的，因为它是衰减操作的必然结果，但采用本发明提出的一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，降低附加相位误差的影响；
(2)本发明提出的一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，涉及的应用领域包括：卫星通信、5G通信、相控阵系统等，将附加相位误差消除电路放置于衰减器电路之外，并和数字控制电路配合，解决了传统数字衰减器参考状态和衰减状态之间引入的附加相位误差较大的问题，且不会因为附加相位误差消除电路导致衰减器的衰减精度和信号插损恶化，本发明提出的系统适用于任何频率的射频系统的衰减器设计。
附图说明
图1为射频数字步进多比特衰减器结构示意图；
图2为8-dB Pi型衰减器的结构及相位变化示意图；其中，图2中的(a)为8dB-Pi型衰减器电路图，图2中的(b)为参考状态等效电路图，图2中的(c)为衰减状态等效电路图，图2中的(d)为参考态和衰减态相位仿真结果图；
图3为传统衰减器附加相位消除电路示意图；
图4为实施例1提出的8-dB Pi型衰减器的结构及相位变化示意图；其中，图4中的(a)为本发明提出的8-dB Pi型衰减器电路图，图4中的(b)为参考状态等效电路图，图4中的(c)为衰减状态等效电路图，图4中的(d)为参考态和衰减态相位仿真结果图；
图5为实施例2提出的附加相位误差消除电路图；
图6为实施例3提出的附加相位误差消除电路图；
图7为附加相位误差消除电路效果示意图；
图8为衰减器及附加相位误差消除电路系统框图；
图9为数字型衰减器及附加相位误差消除电路图；
图10为射频数字步进多比特衰减器结构示意图；
图11为数字查询表。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
以下本实施例中提及的衰减器除非另有说明，均指射频数字步进多比特衰减器，射频数字步进多比特衰减器(DSA,digital-step-attenuators)的基本原理如图1所示。
实施例1：
本实施例提出了一种新型低相移射频衰减器电路，如图4所示，包括第一电阻Rp1、第二电阻Rp2、第三电阻RS、第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、第三场效应晶体管M3、第一电容Cc1和第二电容Cc2；第三电阻RS的一端与RF信号的输入端RFIN连接，第三电阻RS的另一端与RF信号的输出端RFOUT连接，第一场效应晶体管M1的源极与RF信号的输入端RFIN连接，第一场效应晶体管M1的漏极与RF信号的输出端RFOUT连接，第一场效应晶体管M1的栅极接入外界电压Vg；第一电阻Rp1的一端与RF信号的输入端RFIN连接，第一电阻Rp1的另一端与第二场效应晶体管M2的漏极连接，第二场效应晶体管M2的源极接地，第二电阻Rp2的一端与RF信号的输出端RFOUT连接，第二电阻Rp2的另一端与第三场效应晶体管M3的漏极连接，第三场效应晶体管M3的源极接地，第二场效应晶体管M2的栅极与第三场效应晶体管M3的栅极均接入接入外界电压-Vg，第一电容Cc1并联在第一电阻Rp1的两端，第二电容Cc2并联在第二电阻Rp2的两端。
本实施例提出的衰减器电路通过在衰减器的衰减态增加容性器件，为衰减器的衰减态提供相位低通路径，可以有效减小衰减状态和参考状态间的相位误差。该容性器件在参考态不会影响信号，从而保证衰减器的参考态和衰减态相位有相同的频率响应，尽可能减小附加相位误差。
实施例2：
本实施例提出了一种附加相位误差消除电路结构，解决传统数字衰减器参考状态和衰减状态之间引入较大的附加相位误差问题。如图5所示，其主要包括2个串联的第四电阻601和多条并联的接地支路，每条接地支路均包括支路电容602(在图5的附图标记为C1……Cn)和第四场效应晶体管603，支路电容602的一端接入两个第四电阻601的连接点，该支路电容602的另一端与第四场效应晶体管603的漏极连接，第四场效应晶体管603的源极接地。
如图7所示，通过改变支路电容的电容值，可以产生2.5°～4.5°的相位变化以补偿衰减器自身的附加相位误差，且幅度误差只有0.08dB以下，因此采用本实施例提出的附加相位误差消除电路结构，不会导致衰减器精度恶化。
实施例3：
本实施例提出了一种附加相位误差消除电路结构，解决传统数字衰减器参考状态和衰减状态之间引入较大的附加相位误差问题。如图6所示，其主要包括2个串联的第五电阻701和接地支路，接地支路包括可变电容702，可变电容702的一端接入两个第五电阻701的连接点，可变电容702的另一端接地。
如图7所示，通过改变可变电容702的电容值，可以产生2.5°～4.5°的相位变化以补偿衰减器自身的附加相位误差，且幅度误差只有0.08dB以下，因此采用本实施例提出的附加相位误差消除电路结构，不会导致衰减器精度恶化。
实施例4：
针对传统统结构在多比特衰减单元级联时，各级衰减单元的衰减状态和参考状态下会对其前后级造成干扰，导致不同输出信号间相位不同，这些相位之间的差值叫做衰减器附加相位误差，导致系统整体性能下降的问题，本实施例提出了一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，用来控制附加相位误差消除电路与衰减状态和参考状态因阻抗变化产生的附加相位误差，提高衰减器性能。主要的，本实施例提出的系统将附加相位误差消除电路放置于多比特衰减器电路之外，并和数字控制电路配合，解决了传统数字衰减器参考状态和衰减状态之间引入的附加相位误差较大的问题，且不会因为附加相位误差消除电路导致衰减器的衰减精度和信号插损恶化，本实施例适用于任何频率的射频系统的衰减器设计。
本实施例采用单端电路作为说明，但本领域技术人员应当理解，差分结构、单端结构及不违背本发明精神前提下，对差分结构或者单端结构所做出的优选、改进和等同替换均落入本发明的保护范围。
如图8所示，本实施例的具有附加相位误差消除功能的衰减器系统主要包括：多比特衰减器电路100、附加相位误差消除电路200和数字控制电路；采用实施例1公开的低相移射频衰减器电路作为多比特衰减器电路100，采用实施例2或实施例3公开的附加相位误差消除电路作为附加相位误差消除电路200，数字控制电路也可以由数字查询表300替换。将多比特衰减器电路100、附加相位误差消除电路200和数字控制电路以任意方式进行连接得到本实施例公开的系统，本实施例将附加相位误差消除电路200放置于多比特衰减器电路100之外，与多比特衰减器电路100配合。
其中，多比特衰减器电路100在优先保证衰减精度和信号插损的前提下，极大的减小衰减器附加相位误差，附加相位误差消除电路200实现相位补偿，数字控制电路300基于控制码字产生控制方式，根据输入衰减状态，自动调整该衰减状态下的输出信号相位，利用附加相位误差消除电路和数字控制电路配合，再次最小化衰减器附加相位误差。
具体操作为：根据实际测试或者通信系统检测到的附加相位误差结果，将该附加相位误差结果反馈给数字控制电路，通过预先配置在数字控制电路或数字查询表中的对应关系，将需要的相位控制码提供给附加相位误差消除电路，该相位控制码可以导通或者关闭不同的MOSFET场效应晶体管单元，进而控制不同的电容阵列。不同的相位控制码可以改变电容的值，从而改变电路的相位，将不同衰减状态的输入信号进行不同的相位补偿，最终使得所有的输出信号的相位尽量相同，最大程度减小附加相位误差值。
实施例5：
本实施例在实施例4的基础上，以图1示出的射频数字步进多比特衰减器为例，当发生精确8dB衰减时的附加移相误差大于6°。本实施例仅为一级移相的理论分析，考虑实际电路和多级移相单元级联会更加恶化，图9示出了一种单片集成电路衰减器，其由1dB衰减电路101、2dB衰减电路102、4dB衰减电路103、8dB衰减电路104和16dB衰减电路105以任意串联形式连接构成。
本实施例将附加相位误差消除电路和射频数字步进多比特衰减器分离，附加相位误差消除电路的幅度改变不会影响射频数字步进多比特衰减器的精度和性能，再通过仔细设计电容和场效应晶体管的大小和尺寸，使得射频数字步进多比特衰减器的相位改变能力和范围足以覆盖附加相位误差范围而不引入误差。
图11所示，数字控制电路将附加移相幅度误差存储在数字查询表中，并将数字查询表中的衰减器控制码A(0)～A(N)提供给射频数字步进多比特衰减器，相位控制码C(0)～C(m)提供给附加相位误差消除电路。其中，衰减器控制码A(0)～A(N)可以控制衰减器产生不同的衰减状态，根据不同的移相状态，动态调整不同衰减输出的幅度。尽量减小不同衰减状态时相位差，进而消除附加相位误差。
输入码、衰减器控制码和附加相位误差控制码是根据芯片第一次自动测试结果生成，并将该表格烧入到芯片内存中。以上所有动作，均在芯片出厂测试完成。芯片送到客户后，正常芯片上电，存储在芯片内存中的该表格会自动加载到芯片电路中，方便应用。
Claims (8)
1.一种新型低相移射频衰减器电路，其特征在于：包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第一电容和第二电容；所述第三电阻的一端与RF信号的输入端连接，第三电阻的另一端与RF信号的输出端连接；所述第一场效应晶体管的源极与RF信号的输入端连接，第一场效应晶体管的漏极与RF信号的输出端连接，第一场效应晶体管M1的栅极接入外界电压；第一电阻的一端与RF信号的输入端连接，第一电阻的另一端与第二场效应晶体管的漏极连接，第二场效应晶体管的源极接地，第二电阻的一端与RF信号的输出端连接，第二电阻的另一端与第三场效应晶体管的漏极连接，第三场效应晶体管的源极接地，第二场效应晶体管的栅极与第三场效应晶体管的栅极均接入外界电压；所述第一电容并联在第一电阻的两端，第二电容并联在第二电阻的两端。
2.一种附加相位误差消除电路结构，其特征在于：包括2个串联的第四电阻和多条并联的接地支路，每条所述接地支路均包括一支路电容和一第四场效应晶体管，所述支路电容的一端接入两个第四电阻的连接点，该支路电容的另一端与第四场效应晶体管的漏极连接，第四场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的栅极用于接收外部控制信号。
3.一种附加相位误差消除电路结构，其特征在于：包括2个串联的第五电阻和接地支路，所述接地支路包括一可变电容，所述可变电容的一端接入两个第五电阻的连接点，该可变电容的另一端接地。
4.一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，其特征在于：包括：衰减器电路、附加相位误差消除电路和数字控制电路；所述附加相位误差消除电路与衰减器电路的RF信号的输出端连接；
所述数字控制电路用于根据检测到的附加相位误差结果，产生衰减器控制码和相位控制码；
所述衰减器电路用于基于来自数字控制电路的衰减器控制码，调节衰减器的衰减输出幅度；
所述附加相位误差消除电路用于基于来自数字控制电路的相位控制码，进行相位补偿。
5.根据权利要求4所述的一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，其特征在于：所述衰减器电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第一电容和第二电容；所述第三电阻的一端与RF信号的输入端连接，第三电阻的另一端与RF信号的输出端连接；所述第一场效应晶体管的源极与RF信号的输入端连接，第一场效应晶体管的漏极与RF信号的输出端连接，第一场效应晶体管M1的栅极接入外界电压；第一电阻的一端与RF信号的输入端连接，第一电阻的另一端与第二场效应晶体管的漏极连接，第二场效应晶体管的源极接地，第二电阻的一端与RF信号的输出端连接，第二电阻的另一端与第三场效应晶体管的漏极连接，第三场效应晶体管的源极接地，第二场效应晶体管的栅极与第三场效应晶体管的栅极均接入外界电压；所述第一电容并联在第一电阻的两端，第二电容并联在第二电阻的两端。
6.根据权利要求4所述的一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，其特征在于：所述附加相位误差消除电路包括：2个串联的第四电阻和多条并联的接地支路，每条所述接地支路均包括一支路电容和一第四场效应晶体管，所述支路电容的一端接入两个第四电阻的连接点，该支路电容的另一端与第四场效应晶体管的漏极连接，第四场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的栅极用于接收外部控制信号。
7.根据权利要求4所述的一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，其特征在于：所述附加相位误差消除电路包括：2个串联的第五电阻和接地支路，所述接地支路包括一可变电容，所述可变电容的一端接入两个第五电阻的连接点，该可变电容的另一端接地。
8.根据权利要求4所述的一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，其特征在于：所述数字控制电路为数字查询表，所述数字查询表预存储有附加相位误差结果、衰减器控制码和相位控制码的对应关系。
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