CN219843620U - 一种可补偿的数控无源矢量调制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可补偿的数控无源矢量调制器，包括混合器、I路反相器、I路数调衰减器、功合器、Q路反相器和Q路数调衰减器；其中，Q路反相器的功能和实现方式同于I路反相器；Q路数调衰减器的功能和实现方式同于I路数调衰减器；混合器的0°相位与I路反相器连接，混合器的90°相位与Q路反相器连接，将输入的射频信号功分为两路幅度名义相同的信号；I路反相器与I路数调衰减器连接；Q路反相器与Q路数调衰减器连接；I路数调衰减器连接和Q路数调衰减器连接均与功合器连接。本实用新型通过数控电容阵列器件来实现LC相移网络，在选择合适的控制字来降低反相器相位误差的同时，还能补偿I路和Q路的相位不平衡，大幅提高调制精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可补偿的数控无源矢量调制器，属于载波通信技术领域。
背景技术
矢量调制器是一种利用同相基带信号I和正交相基带信号Q来实现输入信号幅度和相位调节的电路模块。因其具有相幅调制精度高、成本低廉、易于集成等优点，已广泛应用于超高频RFID、连续波雷达等自干扰系统中来实现载波泄漏信号的抑制。
根据信号通路上是否使用了放大电路或信号整形电路，矢量调制器可以分为有源和无源两种。有源矢量调制器因信号经过了有源器件，因此会引入额外的相位噪声和幅度噪声。该部分噪声因为和泄漏信号的噪声不相关，在载波泄漏对消后将作为误差信号进入接收链路，从而影响接收机的灵敏度。无源矢量调制因不会引入额外噪声，因此常用于高性能载波对消环路中实现幅度和相位控制。
根据IQ信号的类型又可以分为模拟矢量调制器和数控矢量调制。传统的模拟矢量调制器通常使用PIN二极管技术，因控制信号为模拟信号难以避免控制信号上的噪声也会调制到射频信号上。而数控矢量调制器的控制信号为开关量，不会在信号通道上引入额外的噪声，特别适合自干扰系统高灵敏度接收。现有的数控矢量调制器因为实现器件值的参数的非理想因素，其相位和幅度均存在较大的不平衡，因此调制精度较低，无法实现高抑制比的载波泄漏对消。
在申请号为202111065455.8的中国专利申请中，公开了一种数控矢量调制器。该数控矢量调制器利用0°/180°移相器和数调衰减器实现数控矢量调制器的方案，但无法对实际操作中非理性因素所造成的影响进行解决。另外，在申请号为202110823211.5的中国专利申请中，公开了一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器及其控制方法。但是，该技术方案采用模拟信号控制，存在引入额外噪声的风险。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种可补偿的数控无源矢量调制器。
为实现上述技术目的，本实用新型采用以下的技术方案：
一种可补偿的数控无源矢量调制器，包括混合器、I路反相器、I路数调衰减器、功合器、Q路反相器和Q路数调衰减器；其中，Q路反相器的功能和实现方式同于I路反相器；Q路数调衰减器的功能和实现方式同于I路数调衰减器；
所述混合器的0°相位与I路反相器连接，混合器的90°相位与Q路反相器连接，将输入的射频信号功分为两路幅度名义相同的信号；
I路反相器与I路数调衰减器连接；Q路反相器与Q路数调衰减器连接；
I路数调衰减器连接和Q路数调衰减器连接均与功合器连接。
其中较优地，所述I路反相器包括输入端单刀双掷开关、第一电感、第一电容阵列、第二电感、输出端单刀双掷开关、第三电感、第二电容阵列、第四电感；
其中，由第一电感、第一电容阵列、第二电感组成高通LC移相网络，为PI型结构；由第三电感、第二电容阵列、第四电感组成低通LC移相网络，为T型结构；
其中，输入端单刀双掷开关的第一端口1与混合器的0°相位连接，输入端单刀双掷开关的第二端口与第四电感的一端连接，输入端单刀双掷开关的第三端口分别与第一电感的一端、第一电容阵列连接；第四电感的另一端分别与第二电容阵列的一端、第三电感的一端连接，第二电容阵列的另一端接地，第三电感的另一端与输出端单刀双掷开关的第二端口连接；第一电感的另一端接地；第一电容阵列的另一端分别与第二电感的一端、输出端单刀双掷开关的第三端口连接；第二电感的另一端接地。
与现有技术相比较，本实用新型通过数控电容阵列器件来实现LC相移网络，在选择合适的控制字来降低反相器相位误差的同时，还能补偿I路和Q路的相位不平衡，大幅提高了调制精度。另一方面，本实用新型通过将数调衰减器调整到反相器的后面，提高了矢量调制器的输入功率。
附图说明
图1为本实用新型所提供的数控无源矢量调制器的电路原理图；
图2为本实用新型实施例中，硬件测试平台的示意图；
图3为本实用新型所提供的数控无源矢量调制器的实现方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容进行详细具体的说明。
本实用新型实施例首先提供一种可补偿的数控无源矢量调制器。该矢量调制器可以用于UHF、RFID读写器的载波泄漏消除。以下仅以工作频率为800MHz，输出功率大于20dBm时的工作情景进行说明。
<第一实施例>
如图1所示，本实用新型的第一实施例公开了一种可补偿的数控无源矢量调制器，至少包括混合器1、I路反相器2、I路数调衰减器3、功合器4、Q路反相器5和Q路数调衰减器6。下面，对它们的具体组成和工作原理进行说明：
在本实用新型的第一实施例中，混合器1的0°相位与I路反相器2连接，混合器1的90°相位与Q路反相器5连接。该混合器1的作用在于将输入的射频信号功分为两路幅度名义相同的信号，即相位为0°的I信号、相位为90°的Q信号。
其中，混合器1在本实用新型的第一实施例中使用的是器件XC0900A-03S，引入的幅度偏差为0.2dB，而相位偏差为2°。
在本实用新型的第一实施例中，I路反相器2包括输入端单刀双掷开关201、第一电感202、第一电容阵列203、第二电感204、输出端单刀双掷开关205、第三电感206、第二电容阵列207、第四电感208。其中，由第一电感202、第一电容阵列203、第二电感204组成高通LC移相网络，为PI型结构；由第三电感206、第二电容阵列207、第四电感208组成低通LC移相网络，为T型结构。下面给出两种LC移相网络中各器件的理论计算公式。
T型低通LC移相网络中电容值为：
T型低通LC移相网络中两个电感值为：
PI型高通LC移相网络中电容值为：
PI型高通LC移相网络中两个电感值为：
其中φ为移相网络的相位，ω为信号的角频率，Z0为电路的特征阻抗50欧姆。
其中，输入端单刀双掷开关201的第一端口1与混合器1的0°相位连接，输入端单刀双掷开关201的第二端口2与第四电感208的一端连接，输入端单刀双掷开关201的第三端口3分别与第一电感202的一端、第一电容阵列203连接；第四电感208的另一端分别与第二电容阵列207的一端、第三电感206的一端连接，第二电容阵列207的另一端接地，第三电感206的另一端与输出端单刀双掷开关205的第二端口2连接；第一电感202的另一端接地；第一电容阵列203的另一端分别与第二电感204的一端、输出端单刀双掷开关205的第三端口3连接；第二电感204的另一端接地。
其中，第一电感202、第二电感204在本实用新型第一实施例中使用的器件型号为0201DS-9N6XJE，电感值为9.6nH，容差为3％，根据LC移相网络中各器件的理论计算公式，此处电感值为9.94nH。
其中，第一电容阵列203在本实用新型第一实施例中由并联的数调电容阵列和固定电容构成，根据理论此处电容值为3.94pF。
其中，数调电容阵列型号为PE64906，控制位宽5bits，电容值为0.9～4.6pF，调节步进为119fF；固定电容型号为GJM1555C1H2R0GB01，其容值为2pF，容差2％。
其中，第三电感206、第四电感208在本实用新型第一实施例中使用的器件型号为0201DS-9N6XJE，电感值为9.6nH，容差为3％，根据LC移相网络中各器件的理论计算公式，此处电感值为9.94nH；
其中，第二电容阵列207在本实用新型第一实施例中由并联的数调电容阵列和固定电容构成，根据理论此处电容值为3.94pF。
其中，数调电容阵列型号为PE64906，控制位宽5bits，电容值为0.9～4.6pF，调节步进为119fF；固定电容型号为GJM1555C1H2R0GB01，其容值为2pF，容差2％。
在本实用新型的第一实施例中，I路数调衰减器3的输入端与输出端单刀双掷开关205的第一端口1连接，I路数调衰减器3的输出端与功合器连接。
所述I数调衰减器3通过前述的方式与I路反相器2连接的作用在于获取整体更大的输入功率。
其中，所述I路数调衰减器3在本实用新型第一实施例中使用的器件型号为衰减PE43705，最大衰减量为63.5dB。
在本实用新型的第一实施例中，Q路反相器5的功能和实现方式同于I路反相器2，本实用新型在此不予赘述。
在本实用新型的第一实施例中，Q路数调衰减器6的功能和实现方式同于I路数调衰减器3，本实用新型在此不予赘述。
在本实用新型的第一实施例中，功合器4将I路信号和Q路信号合成1路信号进行输出。
其中，所述功合器4在本实用新型第一实施例中使用的器件型号为ADP-2-4+，该器件的相位不平衡为0.7°，幅度不平衡为0.1dB。
本实用新型所提供的可补偿的数控无源矢量调制器的工作原理说明如下：
混合器1输入的射频信号设为：
Si(t)＝A0Cos(ω0t)
其中，Si(t)为输入时域信号，A0为输入信号的幅度，ω0为信号的角频率，t为时间。经过混合器后分为同相信号I和正交相信号Q，I路的增益为AI，Q路的增益为AQ。
I路的增益幅度通过I路数调衰减器3进行改变，Q路的增益幅度通过Q路数调衰减器6进行改变。
I路的增益的正负符号通过I路反相器2进行改变，Q路的增益的正负符号通过Q路反相器5进行改变。因为混合器1的两个相位输出口存在90°的相位差，所以经过功合器4合成后输出射频信号为：
So(t)＝A0AI cos(ω0t)+A0AQ sin(ω0t)＝kA0 cos(ω0t+θ)
其中：
根据前述公式可知，在射频信号经过矢量调制器后，射频信号的幅度改变了k倍，相位改变了θ。
所以矢量调制器的实际应用中有两个重要的非理性因素，即幅度不平衡、相位不平衡。
其中，幅度不平衡为I路和Q路在相同的控制字情景下，两路的增益不同。其只需要在增益控制字上加一定的偏移量即可实现对其的补偿，具体实现方法为本领域公知技术，本实用新型在此不予赘述。
其中，相位不平衡为I路信号和Q路信号存在相位偏差，在本实用新型的电路中，相位不平衡是由高通LC移相网络、低通LC移相网络中的电感器件本身存在的离散性和容差引起的，所以通过调节与电感器件连接的电容阵列的电容值即可降低电感器件本身存在的离散性和容差对相位的影响，即对I路信号和Q路信号的相位偏差进行补偿。
本实用新型通过电容阵列选择合理的控制字，不仅可以在实现0°到180°相位切换过程中引入较少的相位偏差，还可以用于补偿混合器、衰减器和功合器引入的相位偏差。
本实用新型使用的数控电容阵列器件，仅在高通滤波器中选择了Pi型结构，而在低通滤波器中选择了T型结构，相比于现有技术中使用的电容器件，减少了电容阵列器件使用的数量，大幅节约了成本。
<第二实施例>
如图3所示，本实用新型第二实施例公开了一种可补偿的数控无源矢量调制器的实现方法，包括如下步骤：
S1：搭建I路低通移相网络和Q路低通移相网络。
如图2所示，矢量网络分析仪用于测试数控无源矢量调制器在不同控制字下的相位，其第一端口1与数控无源矢量调制器输入口相连，第二端口2与数控无源矢量调制器输出口相连。控制模块用于产生数衰控制字、反向器控制字和电容阵列控制字，与数控无源矢量调制器相连。
S2：测量I路低通移相网络的初始相位。
将I路开关切至低通移相网络；将I路数调电容阵列控制字设为0X0C(对应电容1.90pF)；将I路数调衰减器设为0dB；将Q路数调衰减器设置为63.5dB，利用矢量网络分析仪测量矢量调制器的相位，该相位为I路低通移相网络的初始相位，记为Phase0(I_L)。
其中，63.5dB为本实用新型第一实施例中所用Q路数调衰减器的最大衰减量。
S3：测量Q路低通移相网络的初始相位。
将Q路开关切至低通移相网络；将Q路数调电容阵列控制字设为0X0C(对应电容1.90pF)；将Q路数调衰减器设为0dB；将I路数调衰减器设置为63.5dB，利用矢量网络分析仪测量矢量调制器的相位，该相位为Q路低通移相网络的初始相位，记为Phase0(Q_L)。
其中，63.5dB为本实用新型第一实施例中所用I路数调衰减器的最大衰减量。
S4：计算I路和Q路的初始相位差ΔPhase0＝Phase0(Q_L)-Phase0(I_L)，判断初始相位差的绝对值|ΔPhase0|是否大于1°。
若是，则进入步骤S5；若否，则记录此时I路数调电容阵列控制字为CCW_I_L、Q路数调电容阵列控制字为CCW_Q_L，进入步骤S7。
S5：调整I路低通移相网络相位，直至其满足要求时，记录CCW_I_L。
将I路开关切至低通移相网络；将I路数调衰减器设为0dB；将Q路数调衰减器设置为63.5dB，调整I路的数调电容整列，直至I路低通网络的相位Phase(I_L)满足Phase0(I_L)+ΔPhase0/2±0.5°，记录此时数调电容阵列控制字为CCW_I_L，进入步骤S6。
S6：调整Q路低通移相网络相位，直至其满足要求时，记录CCW_Q_L。
将Q路开关切至低通移相网络；将Q路数调衰减器设为0dB；将I路数调衰减器设置为63.5dB，调整Q路的数调电容整列，直至Q路低通网络的相位Phase(Q_L)满足Phase0(Q_L)+ΔPhase0/2±0.5°，记录此时数调电容阵列控制字为CCW_Q_L，进入步骤S7。
S7：调整I路高通移相网络相位，直至其满足要求时，记录CCW_I_H。
将I路开关切至高通移相网络；将I路数调衰减器设为0dB；将Q路数调衰减器设置为63.5dB，调整I路的数调电容整列，直至I路高通网络的相位Phase(I_H)满足Phase(I_L)+180°±1°，记录此时数调电容阵列控制字为CCW_I_H，进入步骤S8。
S8：调整Q路高通移相网络相位，直至其满足要求时，记录CCW_Q_H。
将Q路开关切至高通移相网络；将Q路数调衰减器设为0dB；将I路数调衰减器设置为63.5dB，调整Q路的数调电容整列，直至Q路高通网络的相位Phase(Q_H)满足Phase(Q_L)+180°±1°，记录此时数调电容阵列控制字为CCW_Q_H。
S9：保存所有已记录的数调电容阵列控制字，参数校正流程结束。
参数校正的目的是获取补偿数控无源矢量调制器的4个参数，即：
I路LC低通移相网络中数调电容控制字CCW_I_L；
Q路LC低通移相网络中数调电容控制字CCW_Q_L；
I路LC高通移相网络中数调电容控制字CCW_I_H；
Q路LC高通移相网络中数调电容控制字CCW_Q_H；
参数校正完成即数控无源矢量调制器完成了对I路信号和Q路信号的相位偏差的补偿。
与现有技术相比较，本实用新型通过数控电容阵列器件来实现LC相移网络，在选择合适的控制字来降低反相器相位误差的同时，还能补偿I路和Q路的相位不平衡，大幅提高了调制精度。另一方面，本实用新型通过将数调衰减器调整到反相器的后面，提高了矢量调制器的输入功率。
上面对本实用新型所提供的可补偿的数控无源矢量调制器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (5)
1.一种可补偿的数控无源矢量调制器，其特征在于包括混合器、I路反相器、I路数调衰减器、功合器、Q路反相器和Q路数调衰减器；其中，Q路反相器的功能和实现方式同于I路反相器；Q路数调衰减器的功能和实现方式同于I路数调衰减器；
所述混合器的0°相位与I路反相器连接，混合器的90°相位与Q路反相器连接，将输入的射频信号功分为两路幅度名义相同的信号；
I路反相器与I路数调衰减器连接；Q路反相器与Q路数调衰减器连接；
I路数调衰减器连接和Q路数调衰减器连接均与功合器连接。
2.如权利要求1所述的数控无源矢量调制器，其特征在于：
所述I路反相器包括输入端单刀双掷开关、第一电感、第一电容阵列、第二电感、输出端单刀双掷开关、第三电感、第二电容阵列、第四电感。
3.如权利要求2所述的数控无源矢量调制器，其特征在于：
由第一电感、第一电容阵列、第二电感组成高通LC移相网络，为PI型结构。
4.如权利要求2所述的数控无源矢量调制器，其特征在于：
由第三电感、第二电容阵列、第四电感组成低通LC移相网络，为T型结构。
5.如权利要求2所述的数控无源矢量调制器，其特征在于：输入端单刀双掷开关的第一端口与混合器的0°相位连接，输入端单刀双掷开关的第二端口与第四电感的一端连接，输入端单刀双掷开关的第三端口分别与第一电感的一端、第一电容阵列连接；第四电感的另一端分别与第二电容阵列的一端、第三电感的一端连接，第二电容阵列的另一端接地，第三电感的另一端与输出端单刀双掷开关的第二端口连接；第一电感的另一端接地；第一电容阵列的另一端分别与第二电感的一端、输出端单刀双掷开关的第三端口连接；第二电感的另一端接地。
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