CN219227572U - 一种六位数控移相器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种六位数控移相器，包括依次串行连接的5.625°移相单元、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元；5.625°移相单元的输出端与11.25°移相单元的输入端相连接，11.25°移相单元的输出端与45°移相单元的输入端相连接，45°移相单元的输出端与22.5°移相单元的输入端相连接，22.5°移相单元的输出端与180°移相单元的输入端相连接，180°移相单元的输出端与90°移相单元的输入端相连接。本实用新型六个移相单元的级联结构，减少了输入输出端口的反射及整体尺寸，改善了级间匹配，提高了移相精度。

Description

一种六位数控移相器

技术领域

本实用新型涉及移相器技术领域，特别涉及一种六位数控移相器。

背景技术

数控移相器是相控阵雷达系统、微波毫米波通信等电子通信系统的重要组成部分。作为有源相控阵发射/接收组件的核心模块，数控移相器控制阵列上每个辐射单元的相位变化，直接影响着相控阵系统的波束扫描功能。因此，宽带、高性能、成本低的数控移相器有着极高的重要意义。

随着5G Sub-6/mmW无线通信的发展以及蓝牙、WiFi等应用产品更新迭代，宽带相控阵系统正朝着高性能、低成本和集成化的方向发展。移相器是相控阵系统的重要组成部分，面临着带宽窄、难以小型化、匹配度和移相精度不够高的问题。现有的数字移相器采用如申请号为201010555904.2的结构，其包括依次级联的5.625°相移电路、11.25°相移电路、22.5°相移电路、45°相移电路、90°相移电路和180°相移电路，采用该种结构的移相器，其匹配度仅能达到-8db，匹配度不高。此外，传统的数控移相器，通常采用T型滤波器结构或嵌入式开关高通-低通滤波器结构。T型滤波器结构及其变型具有结构简单优点，但仅适用于小相移量，移相器的带宽会随着移相量的增大而变差。嵌入式开关高通-低通滤波器结构能在较大的移相量范围内保持良好的匹配，工作频带较宽，但该结构插入损耗较大，且占用面积较多，不利于小型化设计。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种六位数控移相器，减少了输入输出端口的反射及整体尺寸，改善了级间匹配，提高了移相精度。

本实用新型采用如下技术方案：

一种六位数控移相器，包括依次串行连接的5.625°移相单元、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元；5.625°移相单元的输出端与11.25°移相单元的输入端相连接，11.25°移相单元的输出端与45°移相单元的输入端相连接，45°移相单元的输出端与22.5°移相单元的输入端相连接，22.5°移相单元的输出端与180°移相单元的输入端相连接，180°移相单元的输出端与90°移相单元的输入端相连接。

优选的，所述5.625°移相单元、11.25°移相单元和22.5°移相单元均采用包括LC型结构的第一移相单元电路；所述第一移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第一控制端和用于将第一控制端信号反转180°的反相结构。

优选的，所述22.5°移相单元由两个11.25°移相单元级联组成。

优选的，所述第一移相单元电路，具体包括：第一场效应管、第二场效应管、第一电感、第一电容和第一反相器；所述第一场效应管的栅极与第一控制端相连接，所述第一控制端经第一反相器后与第二场效应管的栅极相连接；所述第一场效应管的漏极作为第一移相单元电路的输入端，所述第二场效应管的源极作为第一移相单元电路的输出端；所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极相连接；所述第一电感设置在第一场效应管的漏极与源极之间；所述第一电容设置在第二场效应管的漏极与源极之间。

优选的，所述45°移相单元和90°移相单元均采用包括三阶高通-低通滤波器型结构的第二移相单元电路；所述第二移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第二控制端和用于将第二控制端信号反转180°的反相结构。

优选的，所述第二移相单元电路，具体包括：第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第二电感、第三电感、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和第二反相器；所述第三场效应管的栅极和第四场效应管的栅极分别与第二控制端相连接；所述第二控制端经第二反相器后与第五场效应管的栅极和第六场效应管的栅极分别相连接；所述第三场效应管的漏极和第五场效应管的漏极作为第二移相单元电路的输入端，所述第四场效应管的源极和第六场效应管的源极作为第二移相单元电路的输出端；所述第二电感、第二电容和第三电容组成的三阶π型低通滤波网络设置在第三场效应管的源极和第四场效应管的漏极之间；所述第三电感、第四电容和第五电容组成的三阶T型高通滤波网络设置在第五场效应管的源极和第六场效应管的漏极之间。

优选的，所述180°移相单元采用包括五阶高通-低通滤波器型结构的第三移相单元电路；所述第三移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第三控制端和用于将第三控制端信号反转180°的反相结构。

优选的，所述第三移相单元电路，具体包括：第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容和第三反相器；所述第七场效应管的栅极和第八场效应管的栅极分别与第三控制端相连接；所述第三控制端经第三反相器后与第九场效应管的栅极和第十场效应管的栅极分别相连接；所述第七场效应管的漏极和第九场效应管的漏极作为第三移相单元电路的输入端，所述第八场效应管的源极和第十场效应管的源极作为第三移相单元电路的输出端；所述第四电感、第五电感、第六电容、第七电容、第八电容组成的五阶π型低通滤波网络设置在第七场效应管的源极和第八场效应管的漏极之间；所述第六电感、第七电感、第九电容、第十电容、第十一电容组成的五阶T型高通滤波网络设置在第九场效应管的源极和第十场效应管的漏极之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型的六位数控移相器中的5.625°移相单元、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元依次级联，采用该结构可以减少输入输出端口的反射，改善级间匹配，提高移相精度，及减少占用面积；

(2)本实用新型的每个移相单元内部均集成了用于将控制端信号反转180°的反相器，提高了移相器的集成度，减少了对外控制端口的数量，节约成本并方便使用；

(3)本实用新型的5.625°移相单元、11.25°移相单元和22.5°移相单元均采用LC型结构，与采用T型网络或π型网络实现的小移相位单元电路相比，本实用新型的移相器的小移相单元电路具有结构简单，易于集成，结构紧凑的优点；

(4)本实用新型的六位数控移相器，在3～6GHz范围内(相对带宽66.7％)，回波损耗大于13dB，整体电路插入损耗小于8dB，性能指标优于采用传统高低通滤波网络结构的移相器。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本实用新型的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本实用新型的具体实施方式。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

图1为本实用新型实施例的六位数控移相器的级联结构图；

图2为本实用新型实施例的第一移相单元电路的电路图；

图3为本实用新型实施例的22.5°移相单元的电路图；

图4为本实用新型实施例的第二移相单元电路的电路图；

图5为本实用新型实施例的第三移相单元电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参见图1所示，本实用新型一种六位数控移相器，包括依次串行连接的5.625°移相单元1、11.25°移相单元2、45°移相单元3、22.5°移相单元4、180°移相单元5和90°移相单元6；其中，5.625°移相单元1的输出端与11.25°移相单元2的输入端相连接，11.25°移相单元2的输出端与45°移相单元3的输入端相连接，45°移相单元3的输出端与22.5°移相单元4的输入端相连接，22.5°移相单元4的输出端与180°移相单元5的输入端相连接，180°移相单元5的输出端与90°移相单元6的输入端相连接。

六位数控移相器采用5.625°移相单元1、11.25°移相单元2、45°移相单元3、22.5°移相单元4、180°移相单元5和90°移相单元6依次级联的结构可以减少输入输出端口的反射，改善级间匹配，提高移相精度，及减少占用面积。

具体的，在每个独立移相单元电路(5.625°移相单元1、11.25°移相单元2、22.5°移相单元4、45°移相单元3、90°移相单元6和180°移相单元5)设计完成后，考虑到端口反射以及级间匹配的问题，本实用新型将端口反射最小的5.625°移相单元1放在移相器的输入端口，将90°移相单元6放在移相器的输出端口，其余移相单元根据端口间反射及布局面积优化等方面进行布局，最终确定六个移相单元的级联顺序为5.625°移相单元1、11.25°移相单元2、45°移相单元3、22.5°移相单元4、180°移相单元5和90°移相单元6，以改善级间匹配，提高移相精度，及减少占用面积。

本实施例中，所述5.625°移相单元1、11.25°移相单元2和22.5°移相单元4均采用包括LC型结构的第一移相单元电路；所述第一移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第一控制端和用于将第一控制端信号反转180°的反相结构。

具体的，参见图2所示，所述第一移相单元电路，具体包括：第一场效应管M1、第二场效应管M2、第一电感L1、第一电容C1和第一反相器INV1；所述第一场效应管M1的栅极与第一控制端相连接，所述第一控制端经第一反相器后与第二场效应管M2的栅极相连接；所述第一场效应管M1的漏极作为第一移相单元电路的输入端IN1，所述第二场效应管M2的源极作为第一移相单元电路的输出端OUT1；所述第一场效应管M1的源极与所述第二场效应管M2的漏极相连接；所述第一电感L1设置在第一场效应管M1的漏极与源极之间；所述第一电容C1设置在第二场效应管M2的漏极与源极之间。

通过改变第一控制端的输入电压V_A(如电压在电平-5V和0V之间进行切换)，第一场效应管M1和第二场效应管M2的工作状态就会发生相应的改变。当第一控制端输入0V电压时，第一场效应管M1会导通，第一控制端的输入电压V_A经第一反相器INV1反相后，输出给第二场效应管M2的栅极电压为-5V，此时第二场效应管M2会关断。在该电压的控制下，射频信号IN1从第一场效应管M1的漏极输入，从第一场效应管M1的源极输出，再从第一电容C1的一端进入，从第一电容C1的另一端输出OUT1。由于射频信号IN1流经第一电容C1，此时射频信号IN1相位超前，记为

与之相反，当第一控制端V_A输入-5V电压时，第一场效应管M1会关断，第一控制端的输入电压V_A经第一反相器反相后，输出给第二场效应管M2的栅极电压为0V，此时第二场效应管M2就会导通。在该电压控制下，射频信号IN1从第一电感L1的一端输入，从第一电感L1的另一端输出，再从第二场效应管M2的漏极进入，从第二场效应管M2的源极输出。由于射频信号IN1流经过第一电感L1，此时射频信号IN1相位滞后，记为/>

过第一控制端控制两种不同电压的切换，能够使得射频信号IN1的相位改变量/>

参见图3所示，所述22.5°移相单元4由两个11.25°移相单元2级联组成。

所述5.625°移相单元1、11.25°移相单元2和22.5°移相单元4均采用LC型结构，与采用T型网络或π型网络实现的小移相位单元电路相比，本实用新型的移相器的小移相单元电路具有结构简单，易于集成，结构紧凑的优点。

本实施例中，所述45°移相单元3和90°移相单元6均采用包括三阶高通-低通滤波器型结构的第二移相单元电路；所述第二移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第二控制端和用于将第二控制端信号反转180°的反相结构。

具体的，参见图4所示，所述第二移相单元电路，具体包括：第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第二电感L2、第三电感L3、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第二反相器INV2；所述第三场效应管M3的栅极和第四场效应管M4的栅极分别与第二控制端相连接；所述第二控制端经第二反相器INV2后与第五场效应管M5的栅极和第六场效应管M6的栅极分别相连接；所述第三场效应管M3的漏极和第五场效应管M5的漏极分别作为第二移相单元电路的输入端IN2，所述第四场效应管M4的源极和第六场效应管M6的源极作为第二移相单元电路的输出端OUT2；所述第二电感L2、第二电容C2和第三电容C3组成的三阶π型低通滤波网络设置在第三场效应管M3的源极和第四场效应管M4的漏极之间；所述第三电感L3、第四电容C4和第五电容C5组成的三阶T型高通滤波网络设置在第五场效应管M5的源极和第六场效应管M6的漏极之间。

当第二控制端的输入电压V_B为-5V时，第五场效应管M5和第六场效应管M6导通，第三场效应管M3和第四场效应管M4关断，射频信号IN2流经三阶T型高通网络，从第六场效应管M6的源极输出OUT2，信号相位超前，记为

当第二控制端的输入电压V_B为0V时，第三场效应管M3和第四场效应管M4导通，第五场效应管M5和第六场效应管M6关断，射频信号IN2流经三阶π型低通网络，从第四场效应管M4的源极输出OUT2，信号相位滞后，记为/>

通过第二控制端控制两种不同电压的切换，能够使得射频信号IN2的相位改变量/>

本实施例中，所述180°移相单元5采用包括五阶高通-低通滤波器型结构的第三移相单元电路；所述第三移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第三控制端和用于将第三控制端信号反转180°的反相结构。

具体的，参见图5所示，所述第三移相单元电路，具体包括：第七场效应管M7、第八场效应管M8、第九场效应管M9、第十场效应管M10、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第七电感L7、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11和第三反相器INV3；所述第七场效应管M7的栅极和第八场效应管M8的栅极分别与第三控制端相连接；所述第三控制端经第三反相器INV3后与第九场效应管M9的栅极和第十场效应管M10的栅极分别相连接；所述第七场效应管M7的漏极和第九场效应管M9的漏极作为第三移相单元电路的输入端IN3，所述第八场效应管M8的源极和第十场效应管M10的源极作为第三移相单元电路的输出端OUT3；所述第四电感L4、第五电感L5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8组成的五阶π型低通滤波网络设置在第七场效应管M7的源极和第八场效应管M8的漏极之间；所述第六电感L6、第七电感L7、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11组成的五阶T型高通滤波网络设置在第九场效应管M9的源极和第十场效应管M10的漏极之间。

当第三控制端的输入电压V_C为-5V时，第九场效应管M9和第十场效应管M10导通，第七场效应管M7和第八场效应管M8关断，射频信号IN3流经五阶T型高通网络，从第十场效应管M10的源极输出OUT3，信号相位超前，记为

当第三控制端的输入电压V_C为0V时，第七场效应管M7和第八场效应管M8导通，第九场效应管M9和第十场效应管M10关断，射频信号IN3流经五阶π型低通网络，从第八场效应管M8的源极输出OUT3，信号相位滞后，记为/>

通过第三控制端控制两种不同电压的切换，能够使得射频信号IN3的相位改变量/>

本实施例中，所述第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8、第九场效应管M9、第十场效应管M10可以包括结型场效应管(junction FET—JFET)和金属-氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET)，具体的可选用GaAs pHEMT耗尽型双栅极场效应管，该耗尽型双栅极场效应管在导通时可等效为一个阻值非常小的电阻，在关断时等效为一个容值非常小的电容，且该场效应管能承受较大功率。当然，还可以是其他类型的场效应管，本实施例不对场效应管的类型做具体限制。

综上，本实用新型的六位数控移相器，在3～6GHz范围内(相对带宽66.7％)，回波损耗大于13dB，整体电路插入损耗小于8dB，性能指标优于采用传统高低通滤波网络结构的移相器。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种六位数控移相器，其特征在于，包括依次串行连接的5.625°移相单元、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元；5.625°移相单元的输出端与11.25°移相单元的输入端相连接，11.25°移相单元的输出端与45°移相单元的输入端相连接，45°移相单元的输出端与22.5°移相单元的输入端相连接，22.5°移相单元的输出端与180°移相单元的输入端相连接，180°移相单元的输出端与90°移相单元的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的六位数控移相器，其特征在于，所述5.625°移相单元、11.25°移相单元和22.5°移相单元均采用包括LC型结构的第一移相单元电路；所述第一移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第一控制端和用于将第一控制端信号反转180°的反相结构。

3.根据权利要求2所述的六位数控移相器，其特征在于，所述22.5°移相单元由两个11.25°移相单元级联组成。

4.根据权利要求2所述的六位数控移相器，其特征在于，所述第一移相单元电路，具体包括：第一场效应管、第二场效应管、第一电感、第一电容和第一反相器；所述第一场效应管的栅极与第一控制端相连接，所述第一控制端经第一反相器后与第二场效应管的栅极相连接；所述第一场效应管的漏极作为第一移相单元电路的输入端，所述第二场效应管的源极作为第一移相单元电路的输出端；所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极相连接；所述第一电感设置在第一场效应管的漏极与源极之间；所述第一电容设置在第二场效应管的漏极与源极之间。

5.根据权利要求1所述的六位数控移相器，其特征在于，所述45°移相单元和90°移相单元均采用包括三阶高通-低通滤波器型结构的第二移相单元电路；所述第二移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第二控制端和用于将第二控制端信号反转180°的反相结构。

6.根据权利要求5所述的六位数控移相器，其特征在于，所述第二移相单元电路，具体包括：第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第二电感、第三电感、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和第二反相器；所述第三场效应管的栅极和第四场效应管的栅极分别与第二控制端相连接；所述第二控制端经第二反相器后与第五场效应管的栅极和第六场效应管的栅极分别相连接；所述第三场效应管的漏极和第五场效应管的漏极作为第二移相单元电路的输入端，所述第四场效应管的源极和第六场效应管的源极作为第二移相单元电路的输出端；所述第二电感、第二电容和第三电容组成的三阶π型低通滤波网络设置在第三场效应管的源极和第四场效应管的漏极之间；所述第三电感、第四电容和第五电容组成的三阶T型高通滤波网络设置在第五场效应管的源极和第六场效应管的漏极之间。

7.根据权利要求1所述的六位数控移相器，其特征在于，所述180°移相单元采用包括五阶高通-低通滤波器型结构的第三移相单元电路；所述第三移相单元电路还包括用于控制场效应管通断的第三控制端和用于将第三控制端信号反转180°的反相结构。

8.根据权利要求7所述的六位数控移相器，其特征在于，所述第三移相单元电路，具体包括：第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容和第三反相器；所述第七场效应管的栅极和第八场效应管的栅极分别与第三控制端相连接；所述第三控制端经第三反相器后与第九场效应管的栅极和第十场效应管的栅极分别相连接；所述第七场效应管的漏极和第九场效应管的漏极作为第三移相单元电路的输入端，所述第八场效应管的源极和第十场效应管的源极作为第三移相单元电路的输出端；所述第四电感、第五电感、第六电容、第七电容、第八电容组成的五阶π型低通滤波网络设置在第七场效应管的源极和第八场效应管的漏极之间；所述第六电感、第七电感、第九电容、第十电容、第十一电容组成的五阶T型高通滤波网络设置在第九场效应管的源极和第十场效应管的漏极之间。

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