TWI594493B - Full phase wideband phase shifter and its operation method - Google Patents

Description

全相域寬頻相移器及其操作方法

本發明係有關於電子可調式相移器，特別係有關於一種全相域寬頻相移器。

電子可調式相移器已經被廣泛應用在相位控制陣列天線、雷達、與相位調變通訊系統。第1圖繪示一種習知切換微帶線線長相移器100，其內部串聯連接有複數個相移器，由輸入端至輸出端，依序包含一22.5度相移器110、一180度相移器120、一90度相移器130以及一45度相移器140，每一相移器具有並聯之基準線(reference line)與延遲線(delay line)，即該22.5度相移器110係具有並聯之一第一基準線111與一第一延遲線112，該180度相移器120係具有並聯之一第二基準線121與一第二延遲線122，該90度相移器130係具有並聯之一第三基準線131與一第三延遲線132，該45度相移器140係具有並聯之一第四基準線141與一第四延遲線142，採取切換微帶線線長的方式達到可調式相移。第2圖繪示一種習知高通/低通相移器200，包含切換高通及低通濾波器，其係在Ka頻段具有比較小的電路尺寸、簡單的電路和佈局設計等優點。第3圖繪示一種習知電晶體切換高通/低通相移器300，利用電晶體開關時的等效電容效應，則可簡化切換高通/低通相移器的設計。

為了進一步實現相移器寬頻性能，除了上述既有設計之外，常見亦有如第4圖所示之反射式負載相移器400以及如第5圖所示之利用IQ相位合成的相移器500等架構設計。其中，該反射式負載相移器400係包含一3dB混成耦合器(3dB hybrid coupler)410，在其兩個非輸入/輸出點各連接有一反射型終止電路(reflective terminating circuit)420、430。

然而，無論是如第1圖所示之切換微帶線線長相移器100使用傳統切換微帶線線長的方式，還是如第2、3圖所示之高通/低通相移器200以及切換高通及低通濾波器的相移器300，皆有操作頻寬受限的問題。利用電晶體開關時的等效電容效應所設計的相移器，則需要精準的電晶體模型與線路設計。如第4圖所示之反射式負載相移器400，若要360度全相域相移器，則需要串聯多組才能做到，會影響電路的佈局過大或過長。如第5圖所示利用IQ相位合成的相移器500係以僅兩組電源控制，其操作電壓對相位變化相當敏感，具有不易控制的缺點。此外，在既有的180度大幅度的相移器架構中，為了要維持相同的功率輸出並且獲得在寬頻準確的相對相移範圍，幾乎是所有相移器設計目前遭遇到最大的困難與挑戰。

現有習知相移器皆有頻寬使用限制問題，本發明之主要目的係在於提供一種全相域寬頻相移器，同時使用相移與向量合成技術實現360度全相域相移器操作功效，此功能對行動通訊 技術應用，亦將有顯著之特性提升。

本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。本發明揭示一種全相域寬頻相移器，包含一第一3dB混成耦合器、一第二3dB混成耦合器、一第一衰減器、一第二衰減器、一第一連續相移器以及一第二連續相移器。該第一3dB混成耦合器係具有一訊號輸入端、一第一接地電阻、一第一串聯起始端以及一第二串聯起始端，用以在一第一串聯路徑經由該第一串聯起始端輸出一第一分配訊號，在一第二串聯路徑經由該第二串聯起始端輸出一第二分配訊號。該第二3dB混成耦合器係具有一訊號輸出端、一第二接地電阻、一第一串聯終止端以及一第二串聯終止端，用以向量合成該第一分配訊號與該第二分配訊號。該第一衰減器係連接在該第一串聯起始端與該第一串聯終止端之間的該第一串聯路徑中，用以衰減與截止該第一分配訊號。該第二衰減器係連接在該第二串聯起始端與該第二串聯終止端之間的該第二串聯路徑中，用以衰減與截止該第二分配訊號。該第一連續相移器係連接在該第一串聯起始端與該第一串聯終止端之間的該第一串聯路徑中，用以連續與非連續調整該第一分配訊號之相位。該第二連續相移器係連接在該第二串聯起始端與該第二串聯終止端之間的該第二串聯路徑中，用以連續與非連續調整該第二分配訊號之相位。其中，藉由IQ相位合成與連續相移變化之四象限分區模式產生全相域相移。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術 措施進一步實現。

在前述全相域寬頻相移器中，該第一連續相移器與該第二連續相移器係具體地具有0~90度的連續調控角度。

在前述全相域寬頻相移器中，具體地在第一象限的連續相移模式中，該第一衰減器係截止該第一分配訊號，該第二連續相移器係調整該第二分配訊號之相位0~90度；在第三象限的連續相移模式中，該第二衰減器係截止該第二分配訊號，該第一連續相移器係調整該第一分配訊號之相位0~90度；在第二象限的連續相移模式中，該第一連續相移器係固定該第一分配訊號之相位在90度並以該第一衰減器予以衰減調整，該第二連續相移器係固定該第二分配訊號之相位在0度並以該第二衰減器予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器；在第四象限的連續相移模式中，該第一連續相移器係固定該第一分配訊號之相位在0度並以該第一衰減器予以衰減調整，該第二連續相移器係固定該第二分配訊號之相位在90度並以該第二衰減器予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器。

藉由上述的技術手段，本發明可能夠實現寬頻相移器之功效，本發明提出之全相域寬頻相移器係利用兩組3dB混成耦合器，獲得0/180度寬頻的相移效果，在兩耦合器之間作平行向串聯結合兩組90度相移器與兩組衰減器，進而利用連續90度相移器與衰減器控制，獲得360度全相域相移器操作功效，故所構成之具獨創性相移器架構能同時利用IQ相位合成與0~90度連續相移器兩 種方式進行全相域寬頻相移器之操作方式。

φ‧‧‧相位角度

P1‧‧‧第一分配訊號

P2‧‧‧第二分配訊號

P_out‧‧‧輸出訊號

100‧‧‧切換微帶線線長相移器

110‧‧‧22.5度相移器

111‧‧‧第一基準線

112‧‧‧第一延遲線

120‧‧‧180度相移器

121‧‧‧第二基準線

122‧‧‧第二延遲線

130‧‧‧90度相移器

131‧‧‧第三基準線

132‧‧‧第三延遲線

140‧‧‧45度相移器

141‧‧‧第四基準線

142‧‧‧第四延遲線

200‧‧‧高通/低通相移器

300‧‧‧電晶體切換高通/低通相移器

400‧‧‧反射式負載相移器

410‧‧‧3dB混成耦合器

420、430‧‧‧反射型終止電路

500‧‧‧IQ相位合成的相移器

600‧‧‧全相域寬頻相移器

601‧‧‧第一串聯路徑

602‧‧‧第二串聯路徑

610‧‧‧第一3dB混成耦合器

611‧‧‧訊號輸入端

612‧‧‧第一接地電阻

613‧‧‧第一串聯起始端

614‧‧‧第二串聯起始端

620‧‧‧第二3dB混成耦合器

621‧‧‧訊號輸出端

622‧‧‧第二接地電阻

623‧‧‧第一串聯終止端

624‧‧‧第二串聯終止端

631‧‧‧第一衰減器

632‧‧‧第二衰減器

641‧‧‧第一連續相移器

642‧‧‧第二連續相移器

第1圖：習知切換微帶線線長相移器之線路架構示意圖。

第2圖：習知切換高通/低通相移器之線路架構示意圖。

第3圖：習知電晶體切換高通/低通相移器之線路架構示意圖。

第4圖：習知反射式負載相移器之線路架構示意圖。

第5圖：習知IQ相位合成的相移器之線路架構示意圖。

第6圖：依據本發明之一具體實施例，一種全相域寬頻相移器之架構示意圖。

第7圖：依據本發明之一具體實施例，該全相域寬頻相移器在四象限中的相位操作模式之示意圖。

第8圖：依據本發明之一具體實施例，該全相域寬頻相移器在適當操作頻率下插入損失之比對圖。

第9圖：依據本發明之一具體實施例，該全相域寬頻相移器在適當操作頻率下相移器相位變化圖。

以下將配合所附圖式詳細說明本發明之實施例，然應注意的是，該些圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方法來說明本發明之基本架構或實施方法，故僅顯示與本案有關之元件與組合關係，圖中所顯示之元件並非以實際實施之數目、形狀、尺寸做等比例繪製，某些尺寸比例與其他相關尺寸比例或已誇張或是 簡化處理，以提供更清楚的描述。實際實施之數目、形狀及尺寸比例為一種選置性之設計，詳細之元件佈局可能更為複雜。

依據本發明之一具體實施例，一種全相域寬頻相移器600舉例說明於第6圖之架構示意圖以及第7圖之在四象限中的相位操作模式之示意圖。一種全相域寬頻相移器600係包含一第一3dB混成耦合器610、一第二3dB混成耦合器620、一第一衰減器631、一第二衰減器632、一第一連續相移器641以及一第二連續相移器642。

該第一3dB混成耦合器610係具有一訊號輸入端611、一第一接地電阻612、一第一串聯起始端613以及一第二串聯起始端614，用以在一第一串聯路徑601經由該第一串聯起始端613輸出一第一分配訊號P1，在一第二串聯路徑602經由該第二串聯起始端614輸出一第二分配訊號P2。該第二3dB混成耦合器620係具有一訊號輸出端621、一第二接地電阻622、一第一串聯終止端623以及一第二串聯終止端624，用以向量合成該第一分配訊號P1與該第二分配訊號P2。而該第二3dB混成耦合器620在該訊號輸出端621輸出之一輸出訊號P_out，在不同象限中可等同為該第一分配訊號P1之相位變化、該第二分配訊號P2之相位變化或該第一分配訊號P1與該第二分配訊號P2固定相位下之衰減後向量合成(如第7圖所示)。

該第一衰減器631係連接在該第一串聯起始端613與該第一串聯終止端623之間的該第一串聯路徑601中，用以衰減 與截止該第一分配訊號P1。該第二衰減器632係連接在該第二串聯起始端614與該第二串聯終止端624之間的該第二串聯路徑602中，用以衰減與截止該第二分配訊號P2。

該第一連續相移器641係連接在該第一串聯起始端613與該第一串聯終止端623之間的該第一串聯路徑601中，用以連續與非連續調整該第一分配訊號P1之相位。該第二連續相移器642係連接在該第二串聯起始端614與該第二串聯終止端624之間的該第二串聯路徑602中，用以連續與非連續調整該第二分配訊號P2之相位。其中，具體地該第一連續相移器641與該第二連續相移器642係具體地具有0~90度的連續調控角度，如第6圖所示之相位角度φ可變化調整在0~90°的範圍。

其中，藉由IQ相位合成與連續相移變化之四象限分區模式產生全相域相移。

配合參閱第7圖，在第一象限的連續相移模式中，該第一衰減器631係截止該第一分配訊號P1，該第二連續相移器642係調整該第二分配訊號P2之相位0~90度，即該第二分配訊號P2之相位角度φ介於0~90度並作為輸出訊號P_out。在第三象限的連續相移模式中，該第二衰減器632係截止該第二分配訊號P2，該第一連續相移器641係調整該第一分配訊號P1之相位0~90度，即該第一分配訊號P1之相位角度φ介於0~90度並作為輸出訊號P_out。在第二象限的連續相移模式中，該第一連續相移器641係固定該第一分配訊號P1之相位在90度並以該第一衰減器631予以衰 減調整，該第二連續相移器642係固定該第二分配訊號P2之相位在0度並以該第二衰減器632予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器620，即該第一分配訊號P1之相位角度固定在90度，該第二分配訊號P2之相位角度固定在0度，並使得輸出訊號P_out為該第一分配訊號P1與該第二分配訊號P2衰減後之向量合成。在第四象限的連續相移模式中，該第一連續相移器641係固定該第一分配訊號P1之相位在0度並以該第一衰減器631予以衰減調整，該第二連續相移器642係固定該第二分配訊號P2之相位在90度並以該第二衰減器632予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器620，該第一分配訊號P1之相位角度固定在0度，該第二分配訊號P2之相位角度固定在90度，並使得輸出訊號P_out為該第一分配訊號P1與該第二分配訊號P2衰減後之向量合成。

因此，再如第6圖所示，本發明所構成的全相域寬頻相移器600係同時利用IQ相位合成與0~90度連續相移器之操作方式，當第二衰減器632將第二分配訊號P2截止，第一分配訊號P1則可連續操作作0~90度變化(φ=0~90°)，如第7圖在第三象限中之操作模式。反之，當第一衰減器631將第一分配訊號P1截止，第二分配訊號P2則可連續操作0~90度變化(φ=0~90°)，如第7圖在第一象限中之操作模式。當第一分配訊號P1操作在90度，第二分配訊號P2操作在0度時，分別控制第一分配訊號P1與第二分配訊號P2的訊號衰減，再利用向量合成，輸出訊號P_out則可獲得如第7圖在第二象 限中0~90度的連續相移效果。相同原理，當第一分配訊號P1操作在0度，第二分配訊號P2操作在90度時，分別控制第一分配訊號P1與第二分配訊號P2的訊號衰減，再利用向量合成，則可獲得如第7圖在第四象限中0~90度的連續相移效果。

如第8圖所示，利用本案所提供之創新相移器架構，設計同時利用IQ相位合成與0~90度連續相移器之晶片設計，其模擬360度5bit操作模式時，在38GHz插入損失約-8.8~-10.9dB。如第9圖所示，操作頻率在38GHz頻寬在4GHz範圍內，最大相位誤差約5~6度。

因此，本發明提供一種全相域寬頻相移器，同時使用相移與向量合成技術實現360度全相域相移器操作功效，此功能對行動通訊技術應用，亦將有顯著之特性提升。

以上所揭露的僅為本發明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。

φ‧‧‧相位角度

P1‧‧‧第一分配訊號

P2‧‧‧第二分配訊號

600‧‧‧全相域寬頻相移器

601‧‧‧第一串聯路徑

602‧‧‧第二串聯路徑

610‧‧‧第一3dB混成耦合器

611‧‧‧訊號輸入端

612‧‧‧第一接地電阻

613‧‧‧第一串聯起始端

614‧‧‧第二串聯起始端

620‧‧‧第二3dB混成耦合器

621‧‧‧訊號輸出端

622‧‧‧第二接地電阻

623‧‧‧第一串聯終止端

624‧‧‧第二串聯終止端

631‧‧‧第一衰減器

632‧‧‧第二衰減器

641‧‧‧第一連續相移器

642‧‧‧第二連續相移器

Claims (5)

1. 一種全相域寬頻相移器，包含：一第一3dB混成耦合器，係具有一訊號輸入端、一第一接地電阻、一第一串聯起始端以及一第二串聯起始端，用以在一第一串聯路徑經由該第一串聯起始端輸出一第一分配訊號，在一第二串聯路徑經由該第二串聯起始端輸出一第二分配訊號；一第二3dB混成耦合器，係具有一訊號輸出端、一第二接地電阻、一第一串聯終止端以及一第二串聯終止端，用以向量合成該第一分配訊號與該第二分配訊號；一第一衰減器，係連接在該第一串聯起始端與該第一串聯終止端之間的該第一串聯路徑中，用以衰減與截止該第一分配訊號；一第二衰減器，係連接在該第二串聯起始端與該第二串聯終止端之間的該第二串聯路徑中，用以衰減與截止該第二分配訊號；一第一連續相移器，係連接在該第一串聯起始端與該第一串聯終止端之間的該第一串聯路徑中，用以連續與非連續調整該第一分配訊號之相位；以及一第二連續相移器，係連接在該第二串聯起始端與該第二串聯終止端之間的該第二串聯路徑中，用以連續與非連續調整該第二分配訊號之相位；其中，藉由IQ相位合成與連續相移變化之四象限分區模式產生全相域相移。
2. 如申請專利範圍第1項所述之全相域寬頻相移器，其中該第一連續相移器與該第二連續相移器係具有0~90度的連續調控角度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之全相域寬頻相移器，其中在第一象 限的連續相移模式中，該第一衰減器係截止該第一分配訊號，該第二連續相移器係調整該第二分配訊號之相位0~90度；在第三象限的連續相移模式中，該第二衰減器係截止該第二分配訊號，該第一連續相移器係調整該第一分配訊號之相位0~90度；在第二象限的連續相移模式中，該第一連續相移器係固定該第一分配訊號之相位在90度並以該第一衰減器予以衰減調整，該第二連續相移器係固定該第二分配訊號之相位在0度並以該第二衰減器予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器；在第四象限的連續相移模式中，該第一連續相移器係固定該第一分配訊號之相位在0度並以該第一衰減器予以衰減調整，該第二連續相移器係固定該第二分配訊號之相位在90度並以該第二衰減器予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器。
4. 一種全相域寬頻相移器之操作方法，包含：提供一全相域寬頻相移器，包含：一第一3dB混成耦合器，係具有一訊號輸入端、一第一接地電阻、一第一串聯起始端以及一第二串聯起始端，用以在一第一串聯路徑經由該第一串聯起始端輸出一第一分配訊號，在一第二串聯路徑經由該第二串聯起始端輸出一第二分配訊號；一第二3dB混成耦合器，係具有一訊號輸出端、一第二接地電阻、一第一串聯終止端以及一第二串聯終止端，用以向量合成該第一分配訊號與該第二分配訊號；一第一衰減器，係連接在該第一串聯起始端與該第一串聯終止端之間的該第一串聯路徑中，用以衰減與截止該第一分配訊 號；一第二衰減器，係連接在該第二串聯起始端與該第二串聯終止端之間的該第二串聯路徑中，用以衰減與截止該第二分配訊號；一第一連續相移器，係連接在該第一串聯起始端與該第一串聯終止端之間的該第一串聯路徑中，用以連續與非連續調整該第一分配訊號之相位；以及一第二連續相移器，係連接在該第二串聯起始端與該第二串聯終止端之間的該第二串聯路徑中，用以連續與非連續調整該第二分配訊號之相位；以及執行一相移程序，其係藉由IQ相位合成與連續相移變化之四象限分區模式產生全相域相移。
5. 如申請專利範圍第4項所述之全相域寬頻相移器之操作方法，其中該第一連續相移器與該第二連續相移器係具有0~90度的連續調控角度，其中該相移程序包含：進行一第一象限的連續相移模式，該第一衰減器係截止該第一分配訊號，該第二連續相移器係調整該第二分配訊號之相位0~90度；進行一第三象限的連續相移模式，該第二衰減器係截止該第二分配訊號，該第一連續相移器係調整該第一分配訊號之相位0~90度；進行一第二象限的連續相移模式，該第一連續相移器係固定該第一分配訊號之相位在90度並以該第一衰減器予以衰減調整，該第二連續相移器係固定該第二分配訊號之相位在0度並以該第 二衰減器予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器；以及進行一第四象限的連續相移模式，該第一連續相移器係固定該第一分配訊號之相位在0度並以該第一衰減器予以衰減調整，該第二連續相移器係固定該第二分配訊號之相位在90度並以該第二衰減器予以衰減調整，最終向量合成於該第二3dB混成耦合器。