CN217445328U - 一种单端输入差分输出射频有源移相器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单端输入差分输出射频有源移相器，涉及射频收发、相控阵等电子系统，尤其适用于宽带有源、高精度相控阵领域。本实用新型由耦合线构成正交耦合器；由共栅极NMOS晶体管阵列构成幅度调整模块，通过数字控制单元阵列实现移相功能；由共栅极NMOS晶体管阵列构成有源电感模块，实现相位微调同时，实现输入匹配；由电感、电阻网络构成输出模块，实现宽带匹配。本实用新型适用于CMOS工艺，消除了有源移相器固定数字算法造成的相位精度误差，同时实现输入端匹配，降低了功率传输反射。最终实现360°相位调整、6bit相移、可以进行精度矫正、高宽带的有源射频移相器。

Description

一种单端输入差分输出射频有源移相器

技术领域

本实用新型属于射频集成电路领域，涉及一种单端输入差分输出射频有源移相器，尤其涉及高精度相控阵系统技术领域。

背景技术

在成本、集成度和功耗等方面因素的推动下CMOS工艺技术突飞猛进。CMOS晶体管截止频率能够满足几GHz以上频段的集成电路设计。随着5G相控阵技术的发展，有源移相器因为设计灵活、移相精度高、方便校准等优势受到广泛关注。随着多阵列天线与波束赋形技术成为5G通信的关键技术，相控阵通信体系得到飞速发展。

移相器作为相控阵系统的关键模块，它通过相控阵阵列单元的天线收发信号的相位来实现电子波束扫描功能。随着用户对插入损耗与移相精度的更高要求，对集成度与系统面积的要求，有源移相器得到长足的发展。有源移相器通常包括正交网络，幅度控阵单元，矢量合成加法器三部分构成。射频集成电路，尤其毫米波集成电路，一般采用化合物实现。但是化合物工艺造价昂贵，很难实现复杂逻辑控制单元，无法与CMOS工艺兼容。在未来5G移动通信、车载、无人机载雷达等民用市场，对小体积、高精度、低成本需求，催生出表现优异的硅基有源移相器。

目前对于较高频段，多采用开关阵列技术来实现正交信号的幅度，从而实现移相的目的，但是目前的技术主要存在以下几个问题：①开关的非理想特性在微波频段的漏电流会导致正交信号幅度的偏差，从而引起附加移相，造成移相精度的下降。②在矢量合成加法器中，电感、电容器件的抗性随着频率变化而变化，从而导致系统增益随着频率改变，这将导致用户指向性功率随着频率发生变化，从而导致波束功率或者相角随着工作频率变化发生偏移。③一般做法是通过采用变压器将移相器变成单端输出，后级驱动放大器设计成单端，进行级联匹配，这种设计方法会牺牲芯片面积。④矢量网络通常采用差分方式实现，因此对于单端输入，通常采用巴伦变换成差分信号，后级采用双变压器转换成两对正交差分信号(如专利CN110212887A所述)，而双变压器正交网络在微波段互相耦合造成设计十分困难，设计几乎靠电磁仿真软件的精度保证。⑤目前采用阵列电流微调技术会提升移相精度，同时在矢量加法器输入端引入的寄生电容会恶化输入匹配，同时限制移向精度的大幅度提升。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述技术不足，本实用新型提供一种适用于CMOS工艺的、360°移相范围、6bit移相、单端输入、差分输出、高增益平坦度、高精度有源移相器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种单端输入差分输出射频有源移相器，所述射频有源移相器包括正交耦合器与巴伦网络100、分别控制正交两路信号幅度的晶体管阵列构成的第一幅度控制模块200和第二幅度控制模块300、分别进行相位微调的晶体管阵列构成的第一有源电感模块500和第二有源电感模块600以及输出负载匹配网络400；输入信号连接正交耦合器与巴伦网络100的信号输入端，正交耦合器与巴伦网络100的正交差分信号输出端分别连接第一有源电感模块500、第一幅度控制模块200、第二有源电感模块600与第二幅度控制模块300的信号输入端；第一有源电感模块500、第一幅度控制模块200、第二有源电感模块600与第二幅度控制模块300的信号输出端分别连接输出负载匹配网络400的信号输入端。

进一步的，所述的正交耦合器与巴伦网络100包括第一正交耦合器101、第一变压器102、第二变压器103、第一晶体管104、第二晶体管105和第一电阻106；

第一正交耦合器101的输入端连接信号RF_IN，隔离端连接第一电阻106，耦合端连接第一变压器102的原线圈一端，直通端连接第二变压器103的原线圈一端；第一变压器102的原线圈另一端接地，副线圈一端连接VIN+，另一端连接VIN-，中心抽头连接第一晶体管104的漏极；第二变压器103的原线圈另一端接地，副线圈一端连接VQN+，另一端连接VQN-，中心抽头连接第二晶体管105的漏极；第一晶体管104和第二晶体管105的源极分别接地，栅极同时连接偏置电压V_bias。

进一步的，第一幅度控制模块200和第二幅度控制模块300分别包括20个并联的共栅晶体管阵列单元，每个共栅晶体管阵列单元包括第三晶体管201、第四晶体管202、第五晶体管203、第六晶体管204、第一反相器205、第二反相器206、第二电阻207和第三电阻208；

第三晶体管201和第四晶体管202的源极共同连接差分信号输入端正端；第五晶体管203和第六晶体管204的源极共同连接差分信号输入端负端；第一反相器205的输入端连接数字控制信号，输出端连接第二电阻207的一端，第二电阻207的另一端连接第二反相器206的输入端，第二反相器206的输入端同时连接第三晶体管201与第六晶体管204的栅极；第二反相器206的输出端连接第三电阻208的一端，第三电阻208的另一端连接第四晶体管202与第五晶体管203的栅极；第三晶体管201与第五晶体管203的漏极共同连接VOUT+，第四晶体管202与第六晶体管204的漏极共同连接VOUT-。

进一步的，第一有源电感模块500和第二有源电感模块600分别包括20个开关控制的共栅晶体管阵列单元；每个共栅晶体管阵列单元包括第七晶体管501、第八晶体管502、第三反相器503和第四电阻504；

第三反相器503的输入端连接数字控制信号，输出端连接第四电阻504的一端，第四电阻504的另一端分别连接第七晶体管501和第八晶体管502的栅极；第七晶体管501和第八晶体管502的漏极分别连接电源电压，第七晶体管501的源极连接差分信号输入端正端，第八晶体管502的源极连接差分信号输入端负端。

进一步的，第四电阻504为工艺中射频电阻，第三反相器503的输出端为高电平时，第七晶体管501、第八晶体管502、第三反相器503和第四电阻504构成有源电感。

进一步的，输出负载匹配网络400包括第一电感401、第二电感402、第五电阻403、第六电阻404、第三电感405和第四电感406；第一电感401、第五电阻403和第三电感405以及第二电感402、第六电阻404和第四电感406分别构成差分负载；第一电感401和第二电感402的一端同时连接电源VDD，另一端分别对应连接第五电阻403的一端和第六电阻404的一端；第五电阻403和第六电阻404的另一端分别对应连接输出信号端VoutP和VoutN；输出信号端VoutP和VoutN分别连接第三电感405和第四电感406的一端，第三电感405和第四电感406的另一端分别对应连接VOUT-和VOUT+。

通过本实用新型的新型移相器结构，有效提高了移相精度精度，同时提升了增益平坦度。在8Ghz-12Ghz，移相精度优于3°，移相幅度调制小于0.5dB。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是本实用新型提出的有源移相器电路原理图；

图2是相位微调的晶体管阵列单元的有源电感等效电路；

图3是本实用新型提出的有源移相器64态移相仿真结果；

图4是本实用新型提出的有源移相器64态移相均方根误差仿真结果；

图5是本实用新型提出的有源移相器移相移相幅度调制仿真结果。

具体实施方式

为了进一步说明本实用新型公开的技术方案，下面结合说明书附图与具体实施例作详细阐述。本领域的技术人员应知，在不违背实用新型精神前提下做出的优化设计与改进方法均落入本实用新型的保护范围，对于本领域的惯用技术在本具体实施例中不再做详细说明。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供的单端输入差分输出射频有源移相器，由正交耦合器与巴伦网络100、分别控制正交两路信号幅度的晶体管阵列构成第一幅度控制模块200和第二幅度控制模块300、分别进行相位微调的晶体管阵列构成第一有源电感模块500和第二有源电感模块600以及输出负载匹配网络400构成。

上述正交耦合器与巴伦网络100包括第一正交耦合器101、第一变压器102、第二变压器103、第一晶体管104、第二晶体管105和第一电阻106。第一正交耦合器101的输入端连接信号RF_IN，隔离端连接第一电阻106，耦合端连接第一变压器102的原线圈一端，直通端连接第二变压器103的原线圈一端；第一变压器102的原线圈另一端接地，副线圈一端连接VIN+，另一端连接VIN-，中心抽头连接第一晶体管104的漏极；第二变压器103的原线圈另一端接地，副线圈一端连接VQN+，另一端连接VQN-，中心抽头连接第二晶体管105的漏极；第一晶体管104和第二晶体管105的源极分别接地，栅极同时连接偏置电压V_bias。

分别控制正交两路信号幅度的晶体管阵列构成第一幅度控制模块200和第二幅度控制模块300分别包括20个并联的共栅晶体管阵列单元。每个共栅晶体管阵列单元包括第三晶体管201、第四晶体管202、第五晶体管203、第六晶体管204、第一反相器205、第二反相器206、第二电阻207和第三电阻208；第三晶体管201和第四晶体管202的源极共同连接差分信号输入端正端；第五晶体管203和第六晶体管204的源极共同连接差分信号输入端负端；第一反相器205的输入端连接数字控制信号，输出端连接第二电阻207的一端，第二电阻207的另一端连接第二反相器206的输入端，第二反相器206的输入端同时连接第三晶体管201与第六晶体管204的栅极；第二反相器206的输出端连接第三电阻208的一端，第三电阻208的另一端连接第四晶体管202与第五晶体管203的栅极；第三晶体管201与第五晶体管203的漏极共同连接VOUT+，第四晶体管202与第六晶体管204的漏极共同连接VOUT-。

进一步的本实用新型有63个移相态。可以实现360°移相，步进精度为5.625°。通过控制第一幅度控制模块200和第二幅度控制模块300开关晶体管的数字，可以实现正交信号的幅度变化，经过矢量加法器的矢量求和从而产生不同的移相态。以第一幅度控制模块的一个阵列单元为例，当连接第一反相器的数字控制位是高电平，单位电流数目为1；当连接第一反相器的数字控制位是低电平，单位电流数目为-1。该幅度控制模块电流数目就是阵列电流的矢量和。同时通过控制第一幅度控制模块和第二幅度控制模块开关的正反向，很容易实现正交信号在坐标轴的正负，而正切与余切函数互补，因此这里只给出第一象限0°～45°相位变换时第一幅度控制模块、和第二幅度控制模块电流数目，其它相位角度很容易得到。

表1电流数目与实现的相位角度

进行相位微调的晶体管阵列构成第一有源电感模块500和第二有源电感模块600分别包括20个开关控制的共栅晶体管阵列单元。每个共栅晶体管阵列单元包括第七晶体管501、第八晶体管502、第三反相器503和第四电阻504；第三反相器503的输入端连接数字控制信号，输出端连接第四电阻504的一端，第四电阻504的另一端分别连接第七晶体管501和第八晶体管502的栅极；第七晶体管501和第八晶体管502的漏极分别连接电源电压，第七晶体管501的源极连接差分信号输入端正端，第八晶体管502的源极连接差分信号输入端负端。I路VIN+、VIN-与第一有源电感模块500、第一幅度控制模块200以及Q路VQN+、VQN-与第二有源电感模块600、第二幅度控制模块300连接关系保持一致。当连接第一反相器的信号输入端的数字控制信号为低电平时，该有源电感模块分流第一幅度控制模块、和第二幅度控制模块，从而导致幅度控制模块的输出正交信号幅度改变，从而微弱影响移相精度。与一般幅度校准单元相比，该单元同时形成有源电感，与寄生电容相抵消。有源电感网络导通时，相位微调的晶体管阵列单元的半边电路在系统中的等效电路如图2所示。

从图2标注的VIN+向上看，得到的输入阻抗

其中，R_s表示电阻504的阻值，c_gs表示晶体管501的栅源电容，g_m表示晶体管501的跨导值，V₁表示晶体管501的栅源电压。在低频情况下，Z_out近似等于1/g_m；在高频处，Z_out近似等于R_s。一般情况取1/g_m<R_s。因此相位微调的晶体管阵列单元显示电感特性。

当该电感值与阵列晶体管寄生电容相等时，阵列晶体管寄生表现为不随频率变化的阻性，该技术保证幅度控制模块的输入端良好的宽带匹配特性，同时实现相位的微调。

上述输出负载匹配网络400包括第一电感401、第二电感402、第五电阻403、第六电阻404、第三电感405和第四电感406；第一电感401、第五电阻403和第三电感405以及第二电感402、第六电阻404和第四电感406分别构成差分负载；第一电感401和第二电感402的一端同时连接电源VDD，另一端分别对应连接第五电阻403的一端和第六电阻404的一端；第五电阻403和第六电阻404的另一端分别对应连接输出信号端VoutP和VoutN；输出信号端VoutP和VoutN分别连接第三电感405和第四电感406的一端，第三电感405和第四电感406的另一端分别对应连接VOUT-和VOUT+。

输出端采用并联电感谐振技术，流过负载电阻的电流由于电感401/402的作用而被延长，这可以降低负载电容的充电速率。电感405/406的作用进一步推迟了电流流入其它网络的时间，从而提高系统带宽。这里我们只给出最后的推导结论：

上式中L表示401/402/403/404的值，R代表电阻403/404的值，C_l表示输出端负载电容。k是参考系数，k值影响系统的最大平坦度延时，一般k在0.5左右。

图1中的NMOS和PMOS晶体管均采用CMOS工艺所支持的射频管，栅长选工艺能够支持的最小尺寸；电感采用普通的片上平面螺旋结构，电阻为多晶硅电阻，电容为MOM电容。表2列出了图1对应实施例中关键器件的参数值。

表2.有源移相器实施例器件参数

如图3-图5所示分别为本实用新型提出的有源移相器64态移相仿真结果；有源移相器64态移相均方根误差仿真结果；有源移相器移相移相幅度调制仿真结果。

Claims (5)

1.一种单端输入差分输出射频有源移相器，其特征在于：所述射频有源移相器包括正交耦合器与巴伦网络(100)、分别控制正交两路信号幅度的晶体管阵列构成的第一幅度控制模块(200)和第二幅度控制模块(300)、分别进行相位微调的晶体管阵列构成的第一有源电感模块(500)和第二有源电感模块(600)以及输出负载匹配网络(400)；输入信号连接正交耦合器与巴伦网络(100)的信号输入端，正交耦合器与巴伦网络(100)的正交差分信号输出端分别连接第一有源电感模块(500)、第一幅度控制模块(200)、第二有源电感模块(600)与第二幅度控制模块(300)的信号输入端；第一有源电感模块(500)、第一幅度控制模块(200)、第二有源电感模块(600)与第二幅度控制模块(300)的信号输出端分别连接输出负载匹配网络(400)的信号输入端；

其中，所述的正交耦合器与巴伦网络(100)包括第一正交耦合器(101)、第一变压器(102)、第二变压器(103)、第一晶体管(104)、第二晶体管(105)和第一电阻(106)；

第一正交耦合器(101)的输入端连接信号RF_IN，隔离端连接第一电阻(106)，耦合端连接第一变压器(102)的原线圈一端，直通端连接第二变压器(103)的原线圈一端；第一变压器(102)的原线圈另一端接地，副线圈一端连接VIN+，另一端连接VIN-，中心抽头连接第一晶体管(104)的漏极；第二变压器(103)的原线圈另一端接地，副线圈一端连接VQN+，另一端连接VQN-，中心抽头连接第二晶体管(105)的漏极；第一晶体管(104)和第二晶体管(105)的源极分别接地，栅极同时连接偏置电压V_bias。

2.根据权利要求1所述的一种单端输入差分输出射频有源移相器，其特征在于：第一幅度控制模块(200)和第二幅度控制模块(300)分别包括20个并联的共栅晶体管阵列单元，每个共栅晶体管阵列单元包括第三晶体管(201)、第四晶体管(202)、第五晶体管(203)、第六晶体管(204)、第一反相器(205)、第二反相器(206)、第二电阻(207)和第三电阻(208)；

第三晶体管(201)和第四晶体管(202)的源极共同连接差分信号输入端正端；第五晶体管(203)和第六晶体管(204)的源极共同连接差分信号输入端负端；第一反相器(205)的输入端连接数字控制信号，输出端连接第二电阻(207)的一端，第二电阻(207)的另一端连接第二反相器(206)的输入端，第二反相器(206)的输入端同时连接第三晶体管(201)与第六晶体管(204)的栅极；第二反相器(206)的输出端连接第三电阻(208)的一端，第三电阻(208)的另一端连接第四晶体管(202)与第五晶体管(203)的栅极；第三晶体管(201)与第五晶体管(203)的漏极共同连接VOUT+，第四晶体管(202)与第六晶体管(204)的漏极共同连接VOUT-。

3.根据权利要求1所述的一种单端输入差分输出射频有源移相器，其特征在于：第一有源电感模块(500)和第二有源电感模块(600)分别包括20个开关控制的共栅晶体管阵列单元；每个共栅晶体管阵列单元包括第七晶体管(501)、第八晶体管(502)、第三反相器(503)和第四电阻(504)；

第三反相器(503)的输入端连接数字控制信号，输出端连接第四电阻(504)的一端，第四电阻(504)的另一端分别连接第七晶体管(501)和第八晶体管(502)的栅极；第七晶体管(501)和第八晶体管(502)的漏极分别连接电源电压，第七晶体管(501)的源极连接差分信号输入端正极，第八晶体管(502)的源极连接差分信号输入端负端。

4.根据权利要求3所述的一种单端输入差分输出射频有源移相器，其特征在于：第四电阻(504)为工艺中射频电阻，第三反相器(503)的输出端为高电平时，第七晶体管(501)、第八晶体管(502)、第三反相器(503)和第四电阻(504)构成有源电感。

5.根据权利要求1所述的一种单端输入差分输出射频有源移相器，其特征在于：输出负载匹配网络(400)包括第一电感(401)、第二电感(402)、第五电阻(403)、第六电阻(404)、第三电感(405)和第四电感(406)；第一电感(401)、第五电阻(403)和第三电感(405)以及第二电感(402)、第六电阻(404)和第四电感(406)分别构成差分负载；第一电感(401)和第二电感(402)的一端同时连接电源VDD，另一端分别对应连接第五电阻(403)的一端和第六电阻(404)的一端；第五电阻(403)和第六电阻(404)的另一端分别对应连接输出信号端VoutP和VoutN；输出信号端VoutP和VoutN分别连接第三电感(405)和第四电感(406)的一端，第三电感(405)和第四电感(406)的另一端分别对应连接VOUT-和VOUT+。

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