WO2017080263A1 - 超宽带数字移相器 - Google Patents
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Abstract
一种超宽带数字移相器，该移相器包括耦合器、第一和第二阻抗网络；耦合器由螺旋形电感耦合单元级联而成；每级螺旋形电感耦合单元包括相互耦合的第一螺旋电感（L11）和第二螺旋电感（L12）；各螺旋形电感耦合单元之间通过各级的第一螺旋电感（L11）串联和各级的第二螺旋电感（L12）串联实现多级级联；从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减；所述阻抗网络采用LC电路以及开关元件实现，用开关切换阻抗网络的状态，从而产生相移，结构合理，易于实现；本移相器结构紧凑，占用面积小，宽带特性良好，在集成芯片应用中具有较大优势和应用空间。
Description
本发明涉及一种移相器，具体涉及一种数字移相器。
随着宽带有源相控阵雷达的不断发展，人们对天线波束控制的需求不断提高，对控制电路的研究也更加深入。
移相器作为波束控制的关键器件，由于其工作状态及技术指标较多，占用面积大，性能要求高，设计和制作难度大，一直是天线收发组件中关键的器件之一。相控阵雷达的发展对移相器的带宽，移相精度和集成面积等方面提出了更高的要求，因此，对宽带以及超宽带高性能移相器的研究具有重要的意义及实际应用价值。
反射型移相器广泛应用于宽带移相器设计中，其中传统的3dB耦合器如兰格耦合器等面积较大，不利于集成，也增加了电路成本；传统的反射电路很难满足超宽带的频带要求。
因此十分有必要研究出一种兼具拓宽带宽和减小电路面积的紧凑的超宽带数字移相器。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足，本专利提供一种超宽带数字移相器。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的超宽带数字移相器包括耦合器、第一阻抗网络和第二阻抗网络；
所述耦合器由螺旋形电感耦合单元级联而成；每级螺旋形电感耦合单元包括相互耦合的第一螺旋电感和第二螺旋电感；各螺旋形电感耦合单元之间通过各级的第一螺旋电感串联和各级的第二螺旋电感串联实现多级级联；
所述耦合器中级联连接的第一级螺旋形电感耦合单元中第一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的输入端，同时作为移相器的输入端，第二螺旋电感位于外侧的一端为耦合器与第一阻抗网络连接的耦合端；该耦合器中最后一级螺旋形电感耦合单元中的第一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器与第二阻抗网络连接的直通端，第二螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的隔离端，同时作为移相器的输出端；
从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减。
优选的，所述第一阻抗网络和第二阻抗网络结构相同；当目标相移为180度时，所
述各阻抗网络为与耦合器的对应连接端端接的一并联结构，该并联结构中一路通过第一电感串联第一开关接地，另一路通过第二电容串联第二开关接地。进一步优选的，所述第一阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相同，第二阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相同。
优选的，所述第一阻抗网络和第二阻抗网络结构相同；当目标相移为非180度时，所述各阻抗网络为与耦合器的对应连接端端接的第二电感串联一并联结构，该并联结构中一路通过第一电感串联第一开关接地，另一路通过第二电容串联第二开关接地。进一步优选的，所述第一阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相反，第二阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相反。
作为优选的，所述螺旋形电感耦合单元通过第一螺旋电感和第二螺旋电感位于同层金属并采用边际耦合实现相互耦合，或所述螺旋形电感耦合单元通过第一螺旋电感和第二螺旋电感位于不同层金属，结合边际耦合和上下层耦合实现相互耦合。
优选的，所述各螺旋形电感耦合单元的第一、第二螺旋电感位于同一侧的端口之间跨接有跨接电容，所述跨接电容的两端分别通过接地电容接地。
优选的，所述耦合器的电路结构左右对称，上下对称。
优选的，所述移相器中元件均为集总元件。
有益效果：本发明提供的超宽带数字移相器，其具有如下优点：
1、由多个螺旋形电感耦合单元级联而成的耦合器，结构紧凑，加工简单，功率容量大，插入损耗低，与传统的耦合器相比，能够实现更宽的工作带宽，在带宽上有着突出的优势；
2、阻抗网络采用LC电路以及开关元件实现，用开关切换阻抗网络的状态，从而产生相移，结构合理，易于实现，相比于传统阻抗网络，能够以更少的元件与开关个数在超宽带频率范围内提供稳定的相移；阻抗网络与耦合器联接之后，可通过调节优化各组成部分的元件值实现移相器整体更加良好的宽带特性。
3、进一步的，本发明提供的移相器其元件全部采用集总元件，相较于传统的宽带反射型移相器，大大减少了电路面积，整体结构紧凑，面积小，成本低，耦合器与阻抗网络基于超宽带需求设计，可以将移相器的带宽拓宽至4倍频及以上，宽带特性好，在集成芯片应用中具有较大优势和应用空间，可以广泛应用于射频/微波/毫米波频段的无线通信系统当中。
总体而言，本发明提供的超宽带数字移相器，其结构紧凑，占用面积小，在超宽带的频率范围内具有良好的驻波特性，较小的相移波动以及较低的插入损耗，可以很好地作为波束控制器件广泛应用在宽带有源相控阵雷达系统中。
图1为本发明提供的超宽带数字移相器的结构示意框图；
图2为单级螺旋形电感耦合单元的电路示意图；
图3为由4级螺旋形电感耦合单元级联构成的耦合器的电路示意图；
图4为目标相移为180度时移相器的电路示意图；
图5为目标相移为非180度时移相器的电路示意图；
图6为4～16GHz超宽带90度数字移相器在参考态下输入输出回波损耗仿真结果图；
图7为4～16GHz超宽带90度数字移相器在相移态下输入输出回波损耗仿真结果图；
图8为4～16GHz超宽带90度数字移相器在两态下的插入损耗仿真结果图；
图9为4～16GHz超宽带90度数字移相器的相移范围仿真结果图。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以下实施列对本发明不构成限定。
本实施例提供的超宽带数字移相器，可以用较小的电路面积实现较宽的工作带宽，具有良好的相移平稳度。如图1所示，本实施例提供的超宽带数字移相器包括耦合器、第一阻抗网络和第二阻抗网络；所述耦合器包括输入端1、耦合端3、直通端2以及隔离端4，并由一级或两级以上的螺旋形电感耦合单元级联而成。
各螺旋形电感耦合单元的电路结构相同，选取第一级螺旋形电感耦合单元为例来说明，其电路示意图如图2所示，包括该级中相互耦合的第一螺旋电感L11和第二螺旋电感L12，第一、第二螺旋电感同位于左侧的端口之间跨接有跨接电容C1，第一、第二螺旋电感同位于右侧的端口之间跨接有跨接电容C3，所述跨接电容C1的两端分别通过接地电容C01、C02接地，所述跨接电容C3的两端分别通过接地电容C21、C22接地。上下两个紧耦合的螺旋电感(即第一、第二螺旋电感L11、L12)提供电感耦合，在螺旋形电感耦合单元中通过第一螺旋电感和第二螺旋电感位于同层金属并采用边际耦合实现相互耦合，或通过第一螺旋电感和第二螺旋电感位于不同层金属，结合边际耦合和上下层耦合实现相互耦合。四个接地电容C01、C02、C21、C22以及两个螺旋电感间的跨接电容C1、C3用来提供合适的奇偶模阻抗，共同实现耦合功能。图2中1a、3a、
2a、4a端口分别为各螺旋形电感耦合单元的输入端，耦合端，直通端，隔离端。
在该耦合器中，位于第一级的螺旋形电感耦合单元的输入端1a、耦合端3a分别与耦合器的输入端1、耦合端3连通，位于最后一级的螺旋形电感耦合单元的直通端2a、隔离端4a分别与耦合器的直通端2、隔离端4连通。即耦合器中级联连接的第一级螺旋形电感耦合单元中第一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的输入端，同时作为移相器的输入端，第二螺旋电感位于外侧的一端为耦合器与第一阻抗网络连接的耦合端；该耦合器中最后一级螺旋形电感耦合单元中的第一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器与第二阻抗网络连接的直通端，第二螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的隔离端，同时作为移相器的输出端。
如图1所示，各螺旋形电感耦合单元之间通过各级的第一螺旋电感串联和各级的第二螺旋电感串联实现多级级联。此处以一个由4个螺旋形电感耦合单元构成的超宽带耦合器为例，如图3所示，介绍其具体实施方式：
为拓宽带宽，将4个螺旋形电感耦合单元级联构成如附图3中所示的超宽带耦合器，1、2、3、4端口分别为该超宽带耦合器的输入端，直通端，耦合端，隔离端，从左往右记分别为第一、第二、第三、第四级螺旋形电感耦合单元，各螺旋形电感耦合单元之间通过各级的第一螺旋电感串联和各级的第二螺旋电感串联实现多级级联，前后两级之间共用跨接电容及位于跨接电容两端的接地电容。该耦合器电路结构上下对称，左右对称，即：第一、第二、第三、第四级螺旋形电感耦合单元结构上以水平中心线和垂直中心线对称，图3中C01＝C02＝C01′＝C02′，C1＝C1′；C21＝C22＝C21′＝C22′，C3＝C3′；C41＝C42；L11＝L12＝L11′＝L12′；L21＝L22＝L21′＝L22′；M1、M2、M2′、M1′分别表示第一、第二、第三、第四级螺旋形电感耦合单元中两个紧耦合的螺旋电感的耦合系数，因为电路结构的对称性，所以M1＝M1′，M2＝M2′。耦合器在整个移相器中的功能主要是实现输入输出信号的隔离以及反映阻抗网络在两种状态下的相移。
同时，本例中位于外部的两个螺旋形电感耦合单元，即第一、第四螺旋形电感耦合单元中相互耦合的两个螺旋电感的间距较大，耦合系数较小，而相对位于中心内部的两个螺旋形电感耦合单元，即第二、第三螺旋形电感耦合单元中相互耦合的两个螺旋电感的间距较小，实现紧密耦合，耦合系数较大，从而有M1＝M1′<M2＝M2′。这种耦合器结构，从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距逐渐递减，实现了耦合系数由外部到内部的渐变，从而实现耦合器的超宽带耦合。
当然，上述仅仅为本发明的举例，本发明提供的超宽带数字移相器中的超宽带耦合器可以根据实际需要，由多级螺旋形电感耦合单元级联而成，如5级、6级、7级甚至更多，从外部到内部，各级螺旋形电感耦合单元的耦合系数可通过各自相互耦合的两个螺旋电感的耦合间距或微带线宽实现渐变可调，本发明中从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减。
在本发明提供的超宽带数字移相器的结构上，通过电磁仿真优化各螺旋形电感耦合单元的耦合间距以及电容容值，即可获得所需的超宽工作频带，直通端与耦合端输出的射频/微波信号频率与输入信号相同，实现3dB功率等分。相位上，直通端口与耦合端口的输出信号相差90度，实现了单端信号与正交信号之间转化的结构。
该超宽带数字移相器中的第一阻抗网络和第二阻抗网络结构相同，分别连接在耦合器的耦合端与直通端，采用LC电路以及开关元件实现。第一、第二阻抗网络结构相同的优点是，可以无损的把阻抗网络的反射相移在移相器输入输出端反映出来，以避免因这两路反射信号的幅度相位不同而在移相器输入输出端产生幅度损耗、造成相位合成计算复杂的问题。阻抗网络采用LC电路以及开关元件实现，用开关切换阻抗网络的状态，从而产生相移，结构合理，易于实现，相比于传统阻抗网络，能够以更少的元件与开关个数在超宽带频率范围内提供稳定的相移。阻抗网络与耦合器联接之后，可通过调节优化各组成部分的元件值实现移相器整体更加良好的宽带特性。
当目标相移为180度时，所述各阻抗网络为与耦合器的对应连接端端接的一并联结构，该并联结构中一路通过第一电感串联第一开关接地，另一路通过第二电容串联第二开关接地。此时移相器的结构如图4所示，第一阻抗网络为与耦合器的耦合端端接的一并联结构，该并联结构中一路通过该阻抗网络中的第一电感L1串联第一开关S1接地，另一路通过该阻抗网络中的第二电容C2串联第二开关S2接地。第二阻抗网络为与耦合器的直通端端接的一并联结构，该并联结构中一路通过该阻抗网络中的第一电感L1′串联第一开关S1′接地，另一路通过该阻抗网络中的第二电容C2′串联第二开关S2′接地。第一、第二阻抗网络中的第一、第二开关在栅极控制电压V或V′为正时“开”，此时开关可等效为一个小电阻Ron；开关在栅极控制电压V或V′为负时“关”，此时开关可等效为一个小电容Coff。用开关切换阻抗网络的状态，从而产生相移。各阻抗网络中各用到两个开关，每个阻抗网络中，两个开关的工作状态相同，即第一阻抗网络中的第一开关S1和第二开关S2工作状态相同，第二阻抗网络中的第一开关S1′和第二开
关S2′工作状态相同。
当目标相移为非180度时，所述各阻抗网络为与耦合器的对应连接端端接的第二电感串联一并联结构，该并联结构中一路通过第一电感串联第一开关接地，另一路通过第二电容串联第二开关接地。此时移相器的结构如图5所示，第一阻抗网络为与耦合器的耦合端端接的该阻抗网络中的第二电感L2串联一并联结构，该并联结构中一路通过该阻抗网络中的第一电感L1串联第一开关S1接地，另一路通过该阻抗网络中的第二电容C2串联第二开关S2接地。第二阻抗网络为与耦合器的直通端端接的该阻抗网络中的第二电感L2′串联一并联结构，该并联结构中一路通过该阻抗网络中的第一电感L1′串联第一开关S1′接地，另一路通过该阻抗网络中的第二电容C2′串联第二开关S2′接地。第一、第二阻抗网络中的第一、第二开关在栅极控制电压V或V′为正时“开”，此时开关可等效为一个小电阻Ron；开关在栅极控制电压V或V′为负时“关”，此时开关可等效为一个小电容Coff。用开关切换阻抗网络的状态，从而产生相移。各阻抗网络中用到两个开关，每个阻抗网络中，两个开关的工作状态相反，即第一阻抗网络中的第一开关S1和第二开关S2工作状态相反，第二阻抗网络中的第一开关S1′和第二开关S2′工作状态相反。图5中V表示与V工作状态相反，V′表示与V′工作状态相反。
开关的两个不同状态决定移相器的两种工作状态，分别是参考态和相移态，阻抗网络由LC元件及开关构成，在开关Ron忽略不计的情况下，阻抗网络可等效为四种单元结构：单电感L、单电容C、串联LC单元以及并联LC单元的组合，开关的不同状态使得阻抗网络的等效结构产生不同，两态下阻抗网络反射系数的相移即为移相器的相移。
以当目标相移为180度时的第一阻抗网络为例，设定第一开关S1开，第二开关S2开为参考态，第一开关S1关，第二开关S2关为相移态。参考态下，开关S1、S2等效为Ron1、Ron2,Ron1、Ron2很小可忽略不计，阻抗网络电路等效为第二电容C2并联第一电感L1；相移态下，开关S1、S2等效为Coff1、Coff2，开关S2支路中第二电容C2串联Coff2，该支路等效电容小于Coff2，可忽略不计，阻抗网络电路等效为电容Coff1串联第一电感L1。第二阻抗网络与第一阻抗网络完全相同，相移态与参考态下，通过第一、第二阻抗网络反射对应在移相器输入输出端口产生的相位差的变化，即本移相器的相移180度。Ron、Coff取决于开关特性，电路中的各电感的电感值或电容的电容值可根据具体目标频段如4倍频的4～16GHz频段设定并优化而成。
当目标相移非180度时，以目标相移为90度时的第一阻抗网络为例，设定第一开
关S1开，第二开关S2关为参考态，第一开关S1关，第二开关S2开为相移态。参考态下，开关S1、S2分别等效为Ron1、Coff2，开关S1支路Ron1可忽略不计，开关S2支路中，第二电容C2与Coff2串联，该支路等效电容小于Coff2，可忽略不计，阻抗网络电路等效为第一电感L1串联第二电感L2；相移态下，开关S1、S2分别等效为Coff1、Ron2，当目标相移为90度时，第一电感L1远小于第二电感L2，开关S1支路中第一电感L1与Coff1可忽略不计，开关S2支路Ron2可忽略不计，阻抗网络电路等效为第二电感L2串联第二电容C2。第二阻抗网络与第一阻抗网络完全相同，相移态与参考态下，通过第一、第二阻抗网络反射对应在移相器输入输出端口产生的相位差的变化，即本移相器的相移90度。Ron、Coff取决于开关特性，电路中各电感的电感值或电容的电容值可根据具体目标频段如4倍频的4～16GHz频段设定并优化而成。相移为非180度的其他度数情况与90度类似，根据目标相移与具体频段通过调节阻抗网络电感电容元件的值可实现非180度其他度数的移相功能。
本发明中上述实施例提供的移相器中的元件全部采用集总元件，相较于传统的宽带反射型移相器，大大减少了电路面积，整体结构紧凑，面积小，成本低，耦合器与阻抗网络基于超宽带需求设计，可以将移相器的带宽拓宽至4倍频及以上，宽带特性好，在集成芯片应用中具有较大优势和应用空间，可以广泛应用于射频/微波/毫米波频段的无线通信系统当中。
通过电磁仿真本发明提供的超宽带90度数字移相器在所需工作带宽4-16GHz内的性能，如图6～9所示。如图6所示，参考态下的输入及输出回波损耗大于14dB。如图7所示，相移态下的输入及输出回波损耗大于14dB，回波特性良好，同时也有利于多级移相器的级联。如图8所示，两态的插入损耗为4.6dB±1.2dB。如图9所示，相移范围为90°±6°，由此可见，本发明在4倍频的超宽带范围内具有良好的相移稳定性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
- 一种超宽带数字移相器，其特征在于：包括耦合器、第一阻抗网络和第二阻抗网络；所述耦合器由螺旋形电感耦合单元级联而成；每级螺旋形电感耦合单元包括相互耦合的第一螺旋电感和第二螺旋电感；各螺旋形电感耦合单元之间通过各级的第一螺旋电感串联和各级的第二螺旋电感串联实现多级级联；所述耦合器中级联连接的第一级螺旋形电感耦合单元中第一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的输入端，同时作为移相器的输入端，第二螺旋电感位于外侧的一端为耦合器与第一阻抗网络连接的耦合端；该耦合器中最后一级螺旋形电感耦合单元中的第一螺旋电感位于外侧的一端为耦合器与第二阻抗网络连接的直通端，第二螺旋电感位于外侧的一端为耦合器的隔离端，同时作为移相器的输出端；从外部到内部耦合器中各螺旋形电感耦合单元的耦合间距或微带线宽逐渐递减。
- 根据权利要求1所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述第一阻抗网络和第二阻抗网络结构相同；当目标相移为180度时，所述各阻抗网络为与耦合器的对应连接端端接的一并联结构，该并联结构中一路通过第一电感串联第一开关接地，另一路通过第二电容串联第二开关接地。
- 根据权利要求1所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述第一阻抗网络和第二阻抗网络结构相同；当目标相移为非180度时，所述各阻抗网络为与耦合器的对应连接端端接的第二电感串联一并联结构，该并联结构中一路通过第一电感串联第一开关接地，另一路通过第二电容串联第二开关接地。
- 根据权利要求2所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述第一阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相同，第二阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相同。
- 根据权利要求3所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述第一阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相反，第二阻抗网络中的第一开关和第二开关工作状态相反。
- 根据权利要求1所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述螺旋形电感耦合单元通过第一螺旋电感和第二螺旋电感位于同层金属并采用边际耦合实现相互耦合，或所述螺旋形电感耦合单元通过第一螺旋电感和第二螺旋电感位于不同层金属，结合边际耦合和上下层耦合实现相互耦合。
- 根据权利要求1所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述各螺旋形电感耦 合单元的第一、第二螺旋电感位于同一侧的端口之间跨接有跨接电容，所述跨接电容的两端分别通过接地电容接地。
- 根据权利要求1所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述耦合器的电路结构左右对称，上下对称。
- 根据权利要求1所述的超宽带数字移相器，其特征在于：所述移相器中元件均为集总元件。
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