CN214125257U - 一种开关数字移相器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关数字移相器，属于电子电路设计技术领域。本实用新型的开关数字移相器，采用串联的双极型晶体管构造180°移相单元的开关电路，改善180°移相单元的线性度，使得180°移相单元可以布置在移相器的第一级别，其余移相单元也采用双极型晶体管作为开关，可以按照任意顺序级联于180°移相单元之后，并且在其余移相单元之间级联隔离器，能够降低干扰，在面向卫星通信、5G通信、相控阵系统等应用领域时，能够显著改善高频移相损耗高、移相单元线性度差以及互相干扰等缺陷。

Description

一种开关数字移相器

技术领域

本实用新型属于电子电路设计技术领域，更具体地，涉及一种开关数字移相器。

背景技术

相控阵技术在无线通信以及雷达中的应用越来越广泛，已经成为该领域研究的热点。移相器是相控阵雷达中的关键电路，其性能对整个雷达系统起着至关重要的作用。

按照相位是否可以连续可调，移相器通常可以分为模拟式以及数字式两种。数字式由于其具有工作稳定，不受外部环境影响等优点，在相控阵雷达中得到广泛应用。相比于成本高昂的砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等工艺， BiCMOS(Bipolar CMOS)工艺具有低成本、低功耗、高良率、可大规模生产、可利用CMOS数字电路集成等优势，特别适用于移动通信中低成本、低功耗的应用，因此研究基于BiCMOS工艺的移相器设计有着非常重要的意义。

现有技术中，数字移相器基本分为：反射移相器，矢量合成移相器，开关移相器。其中，反射移相器存在不易实现360°移相，而且随着移相范围变大，输出信号变化大的问题。矢量合成移相器可以应用在宽带电路中，但一般会使用有源可变增益放大器(VideoGraphics Array，VGA)来改变I路和Q路的型号幅度，由于VGA较差的线性度，极大地损害了移相器的线性度。开关型移相器由多个不同的移相单元构成，例如：5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°等，其结构简单、线性度良好，普遍用于单片集成电路中。但是现有的开关型移相器仍存在以下缺点：

(1)多比特移相单元级联时，各级的移相路径和参考路径的开关态会改变阻抗，对前后级造成干扰，导致移相器性能下降；

(2)移相器中，各移相单元均包含开关器件，且均为无源有损耗电路；在标准CMOS工艺或其他传统工艺中，多使用场效应晶体管作为开关，例如 MOS管。因此存在开关损耗大问题，多级级联后不利于大规模相控阵系统的低功耗设计；

(3)180°移相单元的线性度差，为获得好的线性度，必须放在整体移相器的最后级；造成移相器中各个移相级排布策略的灵活性变差，不利于减小各级间干扰。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术所存在的不足，而提出了一种开关数字移相器，采用串联的双极型晶体管构造180°移相单元的开关电路，改善 180°移相单元的线性度，使得180°移相单元可以布置在移相器的第一级别，其余移相单元也采用双极型晶体管作为开关，可以按照任意顺序级联于180°移相单元之后，并且在其余移相单元之间级联隔离器，能够降低干扰，在面向卫星通信、5G通信、相控阵系统等应用领域时，能够显著改善高频移相损耗高、移相单元线性度差以及互相干扰等缺陷。

本实用新型提出如下技术方案。

一种开关数字移相器，包括：180°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元和n个隔离器；

180°移相单元布置在开关数字移相器的输入端；

5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元按照任意顺序级联并且连接于180°移相单元之后；

任意一个隔离器均级联于180°移相单元之后，并且任意一个隔离器按照任意顺序级联在5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°相移单元和 90°相移单元之间。

优选地，

180°移相单元采用象限开关结构，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

180°移相单元包括：第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管、第四双极型晶体管、第五双极型晶体管、第六双极型晶体管、第七双极型晶体管和第八双极型晶体管；

180°移相单元第一输入端口接第一双极型晶体管的集电极和第三双极型晶体管的集电极，第一双极型晶体管的发射极接第二双极型晶体管的集电极，第三双极型晶体管的发射极接第四双极型晶体管的集电极，第二双极型晶体管的发射极接第一输出端口，第四双极型晶体管的发射极接第二输出端口；

180°移相单元第二输入端口接第七双极型晶体管的集电极和第五双极型晶体管的集电极，第五双极型晶体管的发射极接第六双极型晶体管的集电极，第七双极型晶体管的发射极接第八双极型晶体管的集电极，第六双极型晶体管的发射极接第一输出端口，第八双极型晶体管的发射极接第二输出端口。

优选地，

5.625°移相单元采用对称T型结构，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

5.625°移相单元包括：第九双极型晶体管、第十双极型晶体管、第十一双极型晶体管、第十二双极型晶体管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感；

第一输入端连接第一电感的一端，第一电感的另一端与第二电感的一端连接，第二电感的另一端与第一输出端连接；

第一电感的另一端同时与第九双极型晶体管的集电极、第一电容器的一端连接，第九双极型晶体管的发射极同时与第一电容器的另一端、第三电感的一端、第二电容器的一端、第十双极型晶体管的集电极连接，第三电感的另一端、第二电容器的另一端、第十双极型晶体管的发射极同时接地；

布置在第二输入端与第二输出端之间的、由第四电感、第五电感、第六电感、第十一双极型晶体管、第十二双极型晶体管、第三电容器、第四电容器构成的T 型电路，与布置在第一输入端与第一输出端之间的、由第一电感、第二电感、第三电感、第九双极型晶体管、第十双极型晶体管、第一电容器、第二电容器构成的T型电路，具有相同的电路结构。

优选地，

11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元以及90°移相单元均采用全通网络结构的差分电路；均具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元以及90°移相单元均包括：第十三双极型晶体管、第十四双极型晶体管、第十五双极型晶体管、第十六双极型晶体管、第十七双极型晶体管、第十八双极型晶体管、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感；

第一输入端同时连接第七电感的一端和第十三双极型晶体管的发射极，第七电感的另一端与第八电感的一端连接，第八电感的另一端同时与第一输出端和第十三双极型晶体管的集电极连接；

第七电感的另一端同时与第十四双极型晶体管的集电极、第五电容器的一端连接，第十四双极型晶体管的发射极同时与第五电容器的另一端、第九电感的一端、第六电容器的一端、第十五双极型晶体管的集电极连接，第九电感的另一端、第六电容器的另一端、第十五双极型晶体管的发射极同时接地；

布置在第二输入端与第二输出端之间的、由第十电感、第十一电感、第十二电感、第十六双极型晶体管、第十七双极型晶体管、第十八双极型晶体管、第七电容器、第八电容器构成的T型电路，与布置在第一输入端与第一输出端之间的、由第七电感、第八电感、第九电感、第十三双极型晶体管、第十四双极型晶体管、第十五双极型晶体管、第七电容器、第八电容器构成的T型电路，具有相同的电路结构。

优选地，

隔离器包括：采用对称的Π型电阻衰减网络、采用对称的T型电阻衰减网络。

优选地，

采用对称的Π型电阻衰减网络的隔离器包括：第一Π型电阻支路、第二Π型电阻支路；第一Π型电阻支路连接第一输入端和第一输出端，第二Π型电阻支路连接第二输入端和第二输出端；

第一Π型电阻支路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻；第一输入端同时连接第一电阻的一端和第二电阻的一端，第一输出端同时连接第一电阻的另一端和第三电阻的一端，第二电阻的另一端与第三电阻的另一端同时接地；

第二Π型电阻支路与第一Π型电阻支路具有相同的电路结构。

优选地，

采用对称的T型电阻衰减网络的隔离器包括：第一T型电阻支路、第二T 型电阻支路；第一T型电阻支路连接第一输入端和第一输出端，第二T型电阻支路连接第二输入端和第二输出端；

第一T型电阻支路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻；第一输入端连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端同时连接第五电阻的一端和第六电阻的一端；第一输出端连接第五电阻的另一端，第六电阻的另一端接地；

第二T型电阻支路与第一T型电阻支路具有相同的电路结构。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、180°移相单元采用2个双极型晶体管串联结构，极大提高了线性度，能够在0～360°的范围内实现多比特相移状态；

2、通过在移相单元之间插入隔离器，解决传统的T型或PI型移相结构通常会在参考状态和移相状态之间引入较大的附加损耗和移相精度变化问题；

3、采用双极型晶体管作为移相单元的开关，利用其插损小、关闭态下寄生电容小的优点，可实现低损耗、低移相附加衰减、宽带的移相效果；

4、180°移相单元可以放在输入端，其余移相单元的选取和排列策略更加灵活。

附图说明

图1为本实用新型一种开关数字移相器的原理框图；

图2为本实用新型一种开关数字移相器中180°移相单元的电路原理图；

图3为本实用新型一种开关数字移相器中5.625°移相单元的电路原理图；

图4为本实用新型一种开关数字移相器中11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元和90°移相单元的电路原理图；

图5为本实用新型一种开关数字移相器中第一种隔离器的电路原理图；

图6为本实用新型一种开关数字移相器中第二种隔离器的电路原理图；

图7为本实用新型一种开关数字移相器的均方根移相误差曲线图；

图8为本实用新型一种开关数字移相器的最大移相附加幅度误差曲线图；

图9为本实用新型一种开关数字移相器的1dB输入压缩点曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

一种开关数字移相器，如图1，包括：180°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元和n个隔离器。

180°移相单元布置在开关数字移相器的输入端。

5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元按照任意顺序级联并且连接于180°移相单元之后。

任意一个隔离器均级联于180°移相单元之后，并且任意一个隔离器按照任意顺序级联在5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°相移单元和 90°相移单元之间。

具体地，

180°移相单元采用象限开关结构，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口。

180°移相单元包括：第一双极型晶体管121、第二双极型晶体管122、第三双极型晶体管123、第四双极型晶体管124、第五双极型晶体管125、第六双极型晶体管126、第七双极型晶体管127和第八双极型晶体管128。

180°移相单元第一输入端口接第一双极型晶体管121的集电极和第三双极型晶体管123的集电极，第一双极型晶体管121的发射极接第二双极型晶体管 122的集电极，第三双极型晶体管123的发射极接第四双极型晶体管124的集电极，第二双极型晶体管122的发射极接第一输出端口，第四双极型晶体管124的发射极接第二输出端口。

180°移相单元第二输入端口接第七双极型晶体管127的集电极和第五双极型晶体管125的集电极，第五双极型晶体管125的发射极接第六双极型晶体管 126的集电极，第七双极型晶体管127的发射极接第八双极型晶体管128的集电极，第六双极型晶体管126的发射极接第一输出端口，第八双极型晶体管128的发射极接第二输出端口。

具体地，

如图3，5.625°移相单元200采用对称T型结构，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口。

5.625°移相单元包括：第九双极型晶体管、第十双极型晶体管、第十一双极型晶体管、第十二双极型晶体管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感；

第一输入端连接第一电感201的一端，第一电感201的另一端与第二电感 202的一端连接，第二电感202的另一端与第一输出端连接；

第一电感201的另一端同时与第九双极型晶体管221的集电极、第一电容器 211的一端连接，第九双极型晶体管221的发射极同时与第一电容器211的另一端、第三电感203的一端、第二电容器212的一端、第十双极型晶体管222的集电极连接，第三电感的另一端203、第二电容器212的另一端、第十双极型晶体管222的发射极同时接地；

布置在第二输入端与第二输出端之间的、由第四电感、第五电感、第六电感、第十一双极型晶体管、第十二双极型晶体管、第三电容器、第四电容器构成的T 型电路，与布置在第一输入端与第一输出端之间的、由第一电感、第二电感、第三电感、第九双极型晶体管、第十双极型晶体管、第一电容器、第二电容器构成的T型电路，具有相同的电路结构。

具体地，

如图4，11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元以及90°移相单元均采用全通网络结构的差分电路；均具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元以及90°移相单元均包括：第十三双极型晶体管、第十四双极型晶体管、第十五双极型晶体管、第十六双极型晶体管、第十七双极型晶体管、第十八双极型晶体管、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感；

第一输入端同时连接第七电感501的一端和第十三双极型晶体管521的发射极，第七电感501的另一端与第八电感502的一端连接，第八电感502的另一端同时与第一输出端和第十三双极型晶体管521的集电极连接；

第七电感501的另一端同时与第十四双极型晶体管522的集电极、第五电容器511的一端连接，第十四双极型晶体管522的发射极同时与第五电容器511的另一端、第九电感503的一端、第六电容器512的一端、第十五双极型晶体管 523的集电极连接，第九电感503的另一端、第六电容器512的另一端、第十五双极型晶体管523的发射极同时接地；

布置在第二输入端与第二输出端之间的、由第十电感、第十一电感、第十二电感、第十六双极型晶体管、第十七双极型晶体管、第十八双极型晶体管、第七电容器、第八电容器构成的T型电路，与布置在第一输入端与第一输出端之间的、由第七电感、第八电感、第九电感、第十三双极型晶体管、第十四双极型晶体管、第十五双极型晶体管、第七电容器、第八电容器构成的T型电路，具有相同的电路结构。

具体地，

隔离器包括：如图5所示采用对称的Π型电阻衰减网络、如图6所示采用对称的T型电阻衰减网络。

值得注意的是，本实用新型中隔离器包括但不限于：采用对称的Π型电阻衰减网络、采用对称的T型电阻衰减网络，所属领域技术人员可以根据实际应用需要，在Π型电阻衰减网络、T型电阻衰减网络的基础上优化衰减网络的设计，本实用新型中对隔离器的网络结构的选择是一种非限制性的较优选择。

具体地，

如图5，采用对称的Π型电阻衰减网络的隔离器包括：第一Π型电阻支路、第二Π型电阻支路；第一Π型电阻支路连接第一输入端和第一输出端，第二Π型电阻支路连接第二输入端和第二输出端；

第一Π型电阻支路包括：第一电阻701、第二电阻702、第三电阻703；第一输入端同时连接第一电阻701的一端和第二电阻702的一端，第一输出端同时连接第一电阻701的另一端和第三电阻702的一端，第二电阻702的另一端与第三电阻703的另一端同时接地；

第二Π型电阻支路与第一Π型电阻支路具有相同的电路结构。

具体地，

如图6，采用对称的T型电阻衰减网络的隔离器包括：第一T型电阻支路、第二T型电阻支路；第一T型电阻支路连接第一输入端和第一输出端，第二T 型电阻支路连接第二输入端和第二输出端；

第一T型电阻支路包括：第四电阻704、第五电阻705、第六电阻706；第一输入端连接第四电阻704的一端，第四电阻704的另一端同时连接第五电阻 705的一端和第六电阻706的一端；第一输出端连接第五电阻705的另一端，第六电阻706的另一端接地；

第二T型电阻支路与第一T型电阻支路具有相同的电路结构。

采用本实用新型提出的开关数字移相器之后，在14GHz～18GHz的Ku波段，如图7所示均方根移相误差小于3°，如图8所示最大移相附加幅度误差小于1.5dB，如图9所示1dB输入压缩点大于19dBm，各相指标明显优于传统开关数字移相器。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、180°移相单元采用2个双极型晶体管串联结构，极大提高了线性度，能够在0～360°的范围内实现多比特相移状态；

2、通过在移相单元之间插入隔离器，解决传统的T型或PI型移相结构通常会在参考状态和移相状态之间引入较大的附加损耗和移相精度变化问题；

3、采用双极型晶体管作为移相单元的开关，利用其插损小、关闭态下寄生电容小的优点，可实现低损耗、低移相附加衰减、宽带的移相效果；

4、180°移相单元可以放在输入端，其余移相单元的选取和排列策略更加灵活。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种开关数字移相器，包括180°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元和n个隔离器，其特征在于，

180°移相单元布置在开关数字移相器的输入端；

5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元按照任意顺序级联并且连接于180°移相单元之后；

任意一个隔离器均级联于180°移相单元之后，并且任意一个隔离器按照任意顺序级联在5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°相移单元和90°相移单元之间。

2.根据权利要求1所述的一种开关数字移相器，其特征在于，

180°移相单元采用象限开关结构，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

180°移相单元包括：第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管、第四双极型晶体管、第五双极型晶体管、第六双极型晶体管、第七双极型晶体管和第八双极型晶体管；

180°移相单元第一输入端口接第一双极型晶体管的集电极和第三双极型晶体管的集电极，第一双极型晶体管的发射极接第二双极型晶体管的集电极，第三双极型晶体管的发射极接第四双极型晶体管的集电极，第二双极型晶体管的发射极接第一输出端口，第四双极型晶体管的发射极接第二输出端口；

180°移相单元第二输入端口接第七双极型晶体管的集电极和第五双极型晶体管的集电极，第五双极型晶体管的发射极接第六双极型晶体管的集电极，第七双极型晶体管的发射极接第八双极型晶体管的集电极，第六双极型晶体管的发射极接第一输出端口，第八双极型晶体管的发射极接第二输出端口。

3.根据权利要求1所述的一种开关数字移相器，其特征在于，

5.625°移相单元采用对称T型结构，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

5.625°移相单元包括：第九双极型晶体管、第十双极型晶体管、第十一双极型晶体管、第十二双极型晶体管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感；

第一输入端连接第一电感的一端，第一电感的另一端与第二电感的一端连接，第二电感的另一端与第一输出端连接；

第一电感的另一端同时与第九双极型晶体管的集电极、第一电容器的一端连接，第九双极型晶体管的发射极同时与第一电容器的另一端、第三电感的一端、第二电容器的一端、第十双极型晶体管的集电极连接，第三电感的另一端、第二电容器的另一端、第十双极型晶体管的发射极同时接地；

布置在第二输入端与第二输出端之间的、由第四电感、第五电感、第六电感、第十一双极型晶体管、第十二双极型晶体管、第三电容器、第四电容器构成的T型电路，与布置在第一输入端与第一输出端之间的、由第一电感、第二电感、第三电感、第九双极型晶体管、第十双极型晶体管、第一电容器、第二电容器构成的T型电路，具有相同的电路结构。

4.根据权利要求1所述的一种开关数字移相器，其特征在于，

11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元以及90°移相单元均采用全通网络结构的差分电路；均具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元以及90°移相单元均包括：第十三双极型晶体管、第十四双极型晶体管、第十五双极型晶体管、第十六双极型晶体管、第十七双极型晶体管、第十八双极型晶体管、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感；

第一输入端同时连接第七电感的一端和第十三双极型晶体管的发射极，第七电感的另一端与第八电感的一端连接，第八电感的另一端同时与第一输出端和第十三双极型晶体管的集电极连接；

第七电感的另一端同时与第十四双极型晶体管的集电极、第五电容器的一端连接，第十四双极型晶体管的发射极同时与第五电容器的另一端、第九电感的一端、第六电容器的一端、第十五双极型晶体管的集电极连接，第九电感的另一端、第六电容器的另一端、第十五双极型晶体管的发射极同时接地；

布置在第二输入端与第二输出端之间的、由第十电感、第十一电感、第十二电感、第十六双极型晶体管、第十七双极型晶体管、第十八双极型晶体管、第七电容器、第八电容器构成的T型电路，与布置在第一输入端与第一输出端之间的、由第七电感、第八电感、第九电感、第十三双极型晶体管、第十四双极型晶体管、第十五双极型晶体管、第七电容器、第八电容器构成的T型电路，具有相同的电路结构。

5.根据权利要求1所述的一种开关数字移相器，其特征在于，

隔离器包括：采用对称的Π型电阻衰减网络、采用对称的T型电阻衰减网络。

6.根据权利要求5所述的一种开关数字移相器，其特征在于，

采用对称的Π型电阻衰减网络的隔离器包括：第一Π型电阻支路、第二Π型电阻支路；第一Π型电阻支路连接第一输入端和第一输出端，第二Π型电阻支路连接第二输入端和第二输出端；

第一Π型电阻支路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻；第一输入端同时连接第一电阻的一端和第二电阻的一端，第一输出端同时连接第一电阻的另一端和第三电阻的一端，第二电阻的另一端与第三电阻的另一端同时接地；

第二Π型电阻支路与第一Π型电阻支路具有相同的电路结构。

7.根据权利要求5所述的一种开关数字移相器，其特征在于，

采用对称的T型电阻衰减网络的隔离器包括：第一T型电阻支路、第二T型电阻支路；第一T型电阻支路连接第一输入端和第一输出端，第二T型电阻支路连接第二输入端和第二输出端；

第一T型电阻支路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻；第一输入端连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端同时连接第五电阻的一端和第六电阻的一端；第一输出端连接第五电阻的另一端，第六电阻的另一端接地；

第二T型电阻支路与第一T型电阻支路具有相同的电路结构。

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