WO2017091944A1

WO2017091944A1 - 微带开关型移相器及应用其的移相模块

Info

Publication number: WO2017091944A1
Application number: PCT/CN2015/095983
Authority: WO
Inventors: 李志强; 黄健欧; 张海英
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2018-05-30

Abstract

本发明提供了一种微带开关型移相器及应用其的移相模块。该微带开关型移相器包括：参考分支电路、相移分支电路、第一路径选择开关和第二路径选择开关，其中：参考分支电路包括：第一微带传输线；相移分支电路包括：串联的第二微带传输线和第三微带传输线，以及连接于两者之间的节点和地电平之间的第四微带传输线；第一路径选择开关的前端连接至信号输入端，第二路径选择开关的后端连接至信号输出端，两者受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。本发明采用连续微带线和简单拓扑结构，减少了由于微带线不连续所引入的寄生参量，能够应用于高频场景下，同时，经由仿真和实验证明，在中心频率附近有非常平坦的相移特性，移相精度高。

Description

微带开关型移相器及应用其的移相模块

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种微带开关型移相器及应用其的移相模块。

背景技术

随着智能手机、平板电脑等大量智能终端的普及，当下对高速移动数据业务的需求量与日俱增。以目前对通信容量需求的增长速率，预计在2020年左右时，总的移动数据量将实现千倍增长，这对下一代移动通信系统提出了严峻挑战。相较于3GHz以下日益耗尽的频谱，毫米波频段拥有十分丰富的频谱资源，可以满足未来高速宽带移动通信的需要。另外，在毫米波频段，空分多址和波束组合能够与时分或频分多址技术结合大大提高系统容量和频谱利用率，能够满足人们对高速数据业务的需求。因而，未来的5G系统与4G相比最大的不同很可能为5G将使用频率更高的毫米波频段，并在接收和发送端都使用方向性很好的波束可调的相控阵天线，其骨干网络将采用毫米波无线连接，这将使5G系统具有更低的能耗，更低的掉话率以及更高的比特速率。由于其巨大潜力，毫米波移动通信已成为当下研究的热点，具有非常好的前景。

相控阵收发机是毫米波移动通信系统中的关键组件，而移相器是相控阵收发机中的重要电路模块，也是整个收发机的设计难点之一。用于毫米波移动通信系统的移相器具有以下难点：

1、频率高(30GHz附近或更高)；

2、相移精度高；

3、低成本，相控阵收发机中需要大量移相器，若移相器价格高将使得通信设备造价昂贵，而这是民用移动通信无法接受的。

目前，业内亟待开发一种频率高、相移精度高，同时低成本的移相器，以满足毫米波移动通信的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种微带开关型移相器及应用其的移相模块，以满足毫米波移动通信系统对频率高、相移精度高、低成本的移相器的需求。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种微带开关型移相器。该微带开关型移相器包括：参考分支电路、相移分支电路、第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2，其中：参考分支电路包括：第一微带传输线L1；相移分支电路包括：串联的第二微带传输线L2和第三微带传输线L3，以及连接于两者之间的节点A和地电平之间的第四微带传输线L4；第一路径选择开关S1的前端连接至信号输入端，第二路径选择开关S2的后端连接至信号输出端，两者受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种移相模块。该移相模块包括：功率分配器，其将信号分为N路；N个移相器串，每一移相器串的前端连接功率分配器的一路输出，其末端作为移相模块的一个输出，其中，N≥2；其中，N个移相器串中的每一个移相器串中包括串联的M个如上所述的微带开关型移相器，M≥1。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明微带开关型移相器及应用其的移相模块具有以下有益效果：

(1)采用连续微带线和简单拓扑结构，减少了由于微带线不连续处，如弯折、宽度变化等，所引入的寄生参量，使该微带开关型移相器能够应用于高频场景下；

(2)经由仿真和实验证明，在中心频率附近有非常平坦的相移特性，移相精度高；

(3)结构简单，制造容易，成本低，非常适合于民用通信。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例微带开关型移相器的结构示意图；

图2A～图2D为根据本发明第二实施例移相模块的结构示意图；

图3为根据本发明第三实施例移相模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明微带开关型移相器中，通过开关选择不同的信号路径，可以使移相器的不同输出间得到所需的相对相移。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种用于毫米波移动通信的微带开关型移相器。如图1所示，本实施例微带开关型移相器包括：第一路径选择开关S1、第二路径选择开关S2、参考分支电路和相移分支电路。其中，第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2协同工作以选择参考分支电路和相移分支电路其中之一作为信号传输通路。

请参照图1，参考分支电路包括第一微带传输线L1。相移分支电路包括：第二微带传输线L2、第三微带传输线L3和第四微带传输线L4，其中，第二微带传输线L2和第三微带传输线L3串联，第四微带传输线L4连接至第二微带传输线和第三微带传输线之间的节点A和地电平之间。

在参考分支电路中，第一微带传输线L1的特征阻抗和系统特征阻抗相同，为Z₀；在中心频率ω₀处其电长度为θ_r。此处，特征阻抗指的是与该微带开关型移相器相连接的其他器件的输入或输出阻抗，中心频率ω₀为该微带开关型移相器在设计阶段给出的工作频段的中心频率。

在相移分支电路中，第二微带传输线L2和第三微带传输线L3的特征阻抗均为Z₂，第四微带传输线L4的特征阻抗为Z₁。而第二微带传输线L2、第三微带传输线L3、第四微带传输线L4在中心频率ω₀处电长度均为90°。

本实施例中，四微带传输线L1～L4均为沿一个方向延伸的，宽度恒定的连续传输线，由于减少了由于微带线不连续处，如弯折、宽度变化等，所引入的寄生参量，使本实施例微带开关型移相器能够应用于高频场景下。

同样，请参照图1，第一路径选择开关S1的前端连接至信号输入端(IN)，第二路径选择开关S2的后端连接至信号输出端(OUT)，第一路径选择开关S1的后端和第二路径选择开关S2的前端受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。

从上述结构可以看出，本实施例微带开关型移相器结构简单，制造容易，成本低，因此非常适合于民用通信。

该第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2均为单刀双掷开关，两者协同工作，用于选择信号传输路径。信号通过参考分支电路和相移分支电路有不同的插入相位，二者间的相位差即为相对相移。相移分支电路在中心频率ω₀处的插入相位固定为-π，与Z₁和Z₂无关，因而改变参考分支电路中第一微带传输线L1的电长度θ_r可在中心频率ω₀处获得所需要的相对相移。并且，改变Z₁和Z₂的值可以改变相对相移随频率的变化情况。本实施例微带开关型移相器中各个参数的计算方法如下：

利用传输矩阵可计算出相移分支电路的插入相位：

其中：

为归一化频率，

和

为归一化特征阻抗，

由(1)可以看出相移分支电路的插入相位在中心频率处为-π。

设

为中心频率ω₀处所需的相对相移，则参考分支电路中第一微带传输线L1的电长度

进而参考分支电路的插入相位为：

由(1)和(2)，可得到相对相移

的表达式：

为了在中心频率附近得到最小的相位误差，

应该满足下列方程组：

其中n＝1，2…，并尽可能大。

和

可通过解方程组(4)得出。当n＝1时：

由于

则有

又因

故限制条件可简化为：

当n＝2时，(4)恒成立，故考虑n＝3时的情况：

联立(5)，(6)和(7)便可解出

和

当n＝4时，(4)也恒成立，即(4)中的n最大可以取到4，因而由上述方法解出的

和

能够使得相对相移在中心频率处对频率有直到四阶的0导数，即相对相移在中心频率附近非常平坦，该解即为本实施例所取的最佳解，对应该解的微带开关型移相器十分适用于高频场合。

至此，本发明第一实施例微带开关型移相器介绍完毕。

在本发明的第二个示例性实施例中，提出了一种移相模块。如图2A～图2D所示，该移相模块包括：功率分配器和2个第一实施例所给出的移相器-第一移相器PS1和第二移相器PS2。该两个移相器单元PS1和PS2在中心频率ω₀处所需的相对相移也都为φ₁。

该移相模块在工作时，信号由功率分配器分为两路，分别输入第一移相器PS1和第二移相器PS2。以下是该移相模块的四个工作状态：

状态1：

请参照图2A，在第一移相器PS1中，第一路径选择开关S1、第二路径选择开关S2均连接至参考分支电路，即选择参考分支电路作为信号传输路径，其输出第一路信号；在第二移相器PS2中，第一路径选择开关S1、第二路径选择开关S2均连接至相移分支电路，即选择相移分支电路作为信号传输路径，其输出第二路信号；第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差

状态2：

请参照图2B，在第一移相器PS1中，选择相移分支电路作为信号传输路径，其输出第一路信号；在第二移相器PS2中，选择参考分支电路作为信号传输路径，其输出第二路信号；第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差

如图2B所示。

状态3：

请参照图2C，在第一移相器PS1中，选择相移分支电路作为信号传输路径，其输出第一路信号；在第二移相器PS2中，选择相移分支电路作为信号传输路径，其输出第二路信号；第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差0。

状态4：

请参照图2D，在第一移相器PS1中，选择参考分支电路作为信号传输路径，其输出第一路信号；在第二移相器PS2中，选择参考分支电路作为信号传输路径，其输出第二路信号；第一路信号和第二路信号之间产生了所需的相位差0。

需要说明的是，第一移相器和第二移相器中参考分支电路的特征阻抗和功率分配器的特征阻抗一致，即为系统特征阻抗。关于第一移相器和第二移相器的详细内容，可参照第一实施例的相关说明，此处不再重述。

至此，本发明第二实施例移相模块介绍完毕。

在本发明的第三个示例性实施例中，提出了一种移相模块。如图3所示，该移相模块包括：功率分配器和4个第一实施例所给出的移相器-第一移相器PS1、第二移相器PS2、第三移相器PS3和第四移相器PS4。其中，第一移相器PS1和第二移相器PS2完全相同，它们在中心频率ω₀处所需的相对相移为

两者组成第一移相器串；第三移相器PS3和第四移相器PS4完全相同，它们在中心频率ω₀处所需的相对相移为

两者组成第二移相器串。其中，两移相器串的前端连接至功率分配器的两路输出，后端分别作为移相模块的一输出端。

在移相模块中，信号由一功率分配器分为两路，通过各开关选择不同信号路径实现两个输出间的多种相位差，具体工作方式如下表所示：

其中，输出1和输出2间的相位差即为输出2的相位减去输出1的相位的差。

需要说明的是，4个移相器中参考分支电路的特征阻抗和功率分配器的特征阻抗一致，即为系统特征阻抗。关于各移相器的详细内容，可参照第一实施例的相关说明，此处不再重述。

此外，本实施例由2路移相器串，并且每1路移相器串具有2个移相器为例进行说明，但在本发明其他实施例移相模块中，还可以是N路的移相器串，每一路移相器串包括M个串联的移相器，移相器串的末端作为移相模块的一个输出。为了设计方便，一般设计为N个移相器串中的第m个移相器为相同的移相器，m＝1，2，……，M。其中，N≥2，M≥1。

至此，本发明第三实施例移相模块介绍完毕。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明微带开关型移相器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)关于第四微带线L4的接地方式，其可以采用金属过孔接地、金丝键合接地等；

(2)关于第一路径选择开关S1和第二路径选择开关S2，其可以采用PIN二极管开关，也可以采用晶体管开关等；

(3)该微带开关型移相器除了应用于毫米波移动通信领域之外，还可以用于雷达等行业中。

综上所述，本发明提供了一种微带开关型移相器，其通过开关选择不同的信号路径，可以使移相器的不同输出间得到所需的相对相移。该微带开关型移相器基于微带线，易于制造、成本低且结构简单，尽可能减小了高频率下的寄生参数；另外其相对相移在中心频率处对频率有直到四阶的0导数，这表明相对相移在中心频率附近非常平坦，因而十分适用于高频场合，具有较好的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

一种微带开关型移相器，其特征在于，包括：参考分支电路、相移分支电路、第一路径选择开关(S1)和第二路径选择开关(S2)，其中：

所述参考分支电路包括：第一微带传输线(L1)；

所述相移分支电路包括：串联的第二微带传输线(L2)和第三微带传输线(L3)，以及连接于两者之间的节点A和地电平之间的第四微带传输线(L4)；

所述第一路径选择开关(S1)的前端连接至信号输入端，第二路径选择开关(S2)的后端连接至信号输出端，两者受控地同时连接至参考分支电路和相移分支电路。
根据权利要求1所述的微带开关型移相器，其特征在于，所述第一路径选择开关(S1)和第二路径选择开关(S2)均为单刀双掷开关，两者协同工作以选择参考分支电路和相移分支电路其中之一作为信号传输路径。
根据权利要求2所述的微带开关型移相器，其特征在于，所述第一路径选择开关(S1)和第二路径选择开关(S2)为PIN二极管开关或晶体管开关。
根据权利要求1所述的微带开关型移相器，其特征在于，所述第一微带传输线(L1)、第二微带传输线(L2)、第三微带传输线(L3)和第四微带传输线(L4)为沿一个方向延伸的，宽度恒定的连续传输线。
根据权利要求4所述的微带开关型移相器，其特征在于，所述第一微带传输线(L1)、第二微带传输线(L2)、第三微带传输线(L3)和第四微带传输线(L4)满足：

其中，
为中心频率ω₀处所需的相对相移；

和
为归一化特征阻抗，Z₁为第四微带传输线(L4)的特征阻抗，Z₂为第二微带传输线(L2)和第三微带传输线(L3)的特征阻抗，Z₀为系统特征阻抗；

第一微带传输线(L1)的特征阻抗和系统特征阻抗相同，第二微带传输线(L2)、第三微带传输线(L3)、第四微带传输线(L4)在中心频率ω₀处电长度均为90°。
根据权利要求1至5中任一项所述的微带开关型移相器，其特征在于，所述第四微带传输线(L4)通过金属过孔接地或金丝键合接地的方式连接至地电平。
一种移相模块，其特征在于，包括：

功率分配器，其将信号分为N路；

N个移相器串，每一移相器串的前端连接所述功率分配器的一路输出，其末端作为移相模块的一个输出，其中，N≥2；

其中，所述N个移相器串中的每一个移相器串中包括串联的M个如权利要求1至6中任一项所述的微带开关型移相器，M≥1。
根据权利要求7所述的移相模块，其特征在于，所述N个移相器串中每一移相器串的第m个微带开关型移相器为相同的微带开关型移相器，其中心频率ω₀处的相对相移相同，m＝l，2，……，M。