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CN117060882A - 一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器 - Google Patents

一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器 Download PDF

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CN117060882A
CN117060882A CN202311212905.0A CN202311212905A CN117060882A CN 117060882 A CN117060882 A CN 117060882A CN 202311212905 A CN202311212905 A CN 202311212905A CN 117060882 A CN117060882 A CN 117060882A
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CN
China
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resistor
tube
radio frequency
amplifying tube
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CN202311212905.0A
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张钰英
梁晓新
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Kunshan Hongyong Microwave Technology Co ltd
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Kunshan Hongyong Microwave Technology Co ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/66—Phase shifters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
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  • Acoustics & Sound (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器，属于雷达射频集成电路技术领域，包括射频有源巴伦、射频开关和输入匹配电路和输出匹配电路；输入匹配电路的输入端和输出端分别与射频输入端RFIN、射频有源巴伦的输入端电连接，输出匹配电路的输入端和输出端分别与射频有源巴伦的输出端、射频开关的输入端电连接，射频开关的输出端与射频输出端RFOUT电连接。通过上述方式，本发明射频有源巴伦采用改进的共源/共栅巴伦，并在射频有源巴伦的输入输出进行了有耗匹配技术来扩展工作频率带宽，由此改善两平衡输出端口之间的移相精度，进而实现了移相器较高的相移精度和工作带宽。

Description

一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器
技术领域
本发明涉及雷达射频集成电路技术领域，具体涉及一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器。
背景技术
移相器是射频前端中的一个重要组件，是无线通信、相控阵系统、PAM4接收机发射机等系统中的关键模块，其功能是调整天线的信号相位来弥补自由空间的路径损失，根据移相器的相位调节功能，来完成天线波束的扫描过程，达到快速探测目标和跟踪空中目标运动轨迹的目的。有源数控移相器以其接口方便、移相精度高、响应速度快、一致性好等优点，已广泛应用于相控阵雷达系统和通信系统等中。
在移相器中，相移精度比较好的大相位移相单元可以有效的优化整体移相器的移相均方根误差，也会使移相器的性能得到改善。而在现代通信系统中，人们对无线收发系统的性能要求越来越高。移相器的移相均方根误差将会直接影响整个相控阵系统对目标的搜索能力，在一定程度上决定了整个无线收发系统的性能表现。因此研究大相位超宽带高精度移相电路具有非常重要的意义。
基于此，本发明设计了一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器，包括射频有源巴伦、射频开关和输入匹配电路和输出匹配电路；输入匹配电路的输入端和输出端分别与射频输入端RFIN、射频有源巴伦的输入端电连接，输出匹配电路的输入端和输出端分别与射频有源巴伦的输出端、射频开关的输入端电连接，射频开关的输出端与射频输出端RFOUT电连接。
更进一步的，所述射频有源巴伦包括放大管M1、放大管M2和放大管M3，放大管M1和放大管M2构成共源共栅放大器；放大管M1和放大管M3构成两级共源放大器。
更进一步的，放大管M1的栅端与输入匹配电路连接，放大管M1的源端接地，放大管M1的漏端分别与放大管M2的源端和放大管M3的栅端相连，放大管M2的栅端通过电阻分压与电源VDD相连，放大管M2的漏端与电阻R8和输出匹配电路相连；放大管M3的漏端与电阻R12和输出匹配电路相连，放大管M3的源端接地。
更进一步的，还包括负反馈电路，负反馈电路包括串联的电容C2和电阻R9，以及串联的电容C3和电阻R13；电容C2一端和电阻R9一端分别与放大管M2的栅端和漏端连接；电容C3一端和电阻R13一端分别与放大管M3的栅端和漏端连接；
更进一步的，还包括电源分压电路，电源分压电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R10和电阻R11。
更进一步的，放大管M1的漏端通过电阻R3与电源VDD相连，放大管M1的漏端通过电阻R4接地；放大管M2的漏端连接有电阻R7，电阻R7通过电阻R5与电源VDD相连，电阻R7通过电阻R6接地；电容C2与放大管M2栅端的连接处位于电阻R7与放大管M2栅端之间；放大管M3的漏端通过电阻R10与电源VDD相连，放大管M3的漏端通过电阻R11接地。
更进一步的，所述射频开关采用由开关管M4、开关管M5、开关管M6、开关管M7、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电阻R21组成的单刀双掷开关电路；输出匹配电路包括第一条输出匹配网络和第二条输出匹配网络；开关管M4的栅端与电阻R18相连，电阻R18另一端与电源输入端V1相连；开关管M4的源端接地；开关管M4的漏端与第一条输出匹配网络输出端和开关管M5的漏端相连，开关管M5的源端与射频信号输出端和开关管M7的漏端相连；开关管M5的栅端与电阻R19相连，电阻R19另一端与电源输入端V2相连；开关管M7的栅端与电阻R21相连，电阻R21另一端与电源输入端V1相连，开关管M7的源端与第二条输出匹配网络输出端和开关管M6的漏端相连，开关管M6的栅端与电阻R20相连；电阻R20另一端与电源输入端V2相连；开关管M6的源端接地。
更进一步的，所述输入匹配电路采用由电感L1、电阻R1、电阻R2和电容C1组成的有耗匹配网络；电感L1一端与电阻R2一端和射频信号输入端相连，电感L1另一端与电阻R1相连，电阻R1另一端接地；电阻R2另一端与电容C1一端相连，电容C1另一端与放大管M1的栅端相连。
更进一步的，所述第一条输出匹配网络采用由电感L2、电阻R14、电阻R15和电容C4组成的有耗匹配网络；电容C4一端与放大管M2的漏端相连，电容C4另一端与电阻R14一端相连，电阻R14另一端分别与电感L2和开关管M4的漏端、开关管M5的漏端相连，电感L2另一端通过电阻R15接地。
更进一步的，所述第二条输出匹配网络采用由电感L3、电阻R16、电阻R17和电容C5组成的有耗匹配网络；电容C5一端与放大管M3的漏端相连，电容C5另一端与电阻R16相连，电阻R16另一端分别与电感L3、开关管M7的源端、开关管M6的漏端相连；电感L3另一端通过电阻R17接地。
有益效果
本发明通过放大管M1和放大管M2构成共源共栅放大器，用于扩展工作频率带宽，同时改善两平衡输出端口之间的移相精度；放大管M1和放大管M3构成两级共源放大器，用于改善有源巴伦电路的幅度平衡性；
本发明通过改善移相器的输入输出匹配网络，可以优化移相器输入输出端口的阻抗匹配，使得移相器的回波损耗得到改善，同时输出网络匹配也提高了移相器的移相精度；
本发明的射频开关采用单刀双掷开关来切换输出状态稳定的相对移相量，射频有源巴伦采用改进的共源/共栅巴伦，并在射频有源巴伦的输入输出进行了有耗匹配技术来扩展工作频率带宽，由此改善两平衡输出端口之间的移相精度，进而实现了移相器较高的相移精度和工作带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的具有大相位超宽带高精度的有源移相器的电路结构原理图；
图2为本发明的具有大相位超宽带高精度的有源移相器的电路结构图；
图3为本发明中射频有源巴伦的电路结构图；
图4为本发明中有耗匹配网络的电路结构图；
图5为本发明中插入损耗的仿真结果图；
图6为本发明中输入输出回波损耗的仿真结果图；
图7为本发明中移相精度的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
请参阅说明书附图1，一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器，包括射频有源巴伦、射频开关和输入匹配电路和输出匹配电路；输入匹配电路的输入端和输出端分别与射频输入端RFIN、射频有源巴伦的输入端电连接，输出匹配电路的输入端和输出端分别与射频有源巴伦的输出端、射频开关的输入端电连接，射频开关的输出端与射频输出端RFOUT电连接；
射频信号从输入匹配电路进入到射频有源巴伦，将单端信号转化为差分信号之后作用于输出匹配电路；通过输出匹配电路后从射频开关的开启与关断进行选取一条支路信号进行输出；
请参阅说明书附图2-3，所述射频有源巴伦包括放大管M1、放大管M2和放大管M3，放大管M1和放大管M2构成共源共栅放大器，用于扩展工作频率带宽，同时改善两平衡输出端口之间的移相精度；放大管M1和放大管M3构成两级共源放大器，用于改善有源巴伦电路的幅度平衡性；
放大管M1的栅端与输入匹配电路连接，放大管M1的源端接地，放大管M1的漏端分别与放大管M2的源端和放大管M3的栅端相连，放大管M2的栅端通过电阻分压与电源VDD相连，放大管M2的漏端与电阻R8和输出匹配电路相连；放大管M3的漏端与电阻R12和输出匹配电路相连，放大管M3的源端接地；
优选的，还包括负反馈电路，负反馈电路包括串联的电容C2和电阻R9，以及串联的电容C3和电阻R13；电容C2一端和电阻R9一端分别与放大管M2的栅端和漏端连接；电容C3一端和电阻R13一端分别与放大管M3的栅端和漏端连接；
优选的，还包括电源分压电路，电源分压电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R10和电阻R11；
放大管M1的漏端通过电阻R3与电源VDD相连，放大管M1的漏端通过电阻R4接地；
放大管M2的漏端连接有电阻R7，电阻R7通过电阻R5与电源VDD相连，电阻R7通过电阻R6接地；电容C2与放大管M2栅端的连接处位于电阻R7与放大管M2栅端之间；
放大管M3的漏端通过电阻R10与电源VDD相连，放大管M3的漏端通过电阻R11接地；
负反馈电路可以优化端口驻波，同时也提高电路了稳定性；
电源分压使放大管M1、放大管M2、放大管M3工作稳定；
本发明采用改进的有源巴伦，即上述的射频有源巴伦，在共源/共栅巴伦的基础上在信号输入端再加入一个放大管，其有两个射频通路；晶体管M1为两通路共用的输入放大级，通路一是由晶体管M1和M2构成共源共栅放大路；通路二是由晶体管M1和M3构成两级共源级联放大级；
不考虑二级效应的条件下，那么共源共栅放大级增益可简化为：
Av1＝-gm1R2
两级共源放大级增益可简化为：
Av2＝gm1gm3R3
式中AV1代表共源共栅放大级的增益，AV2代表两级共源放大级的增益，gm1和gm3分别代表晶体管M1的跨导和M3的跨导；
晶体管M1、M2组成的共源共栅放大级，和两晶体管之间的匹配电路用于扩展工作频率带宽，同时改善两平衡输出端口之间的相位平衡性；晶体管M1、M3尺寸及该通路中匹配电路元器件值的大小，主要用于改善有源巴伦电路的幅度平衡性；
请参阅说明书附图2-3，所述射频开关采用由开关管M4、开关管M5、开关管M6、开关管M7、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电阻R21组成的单刀双掷开关电路；输出匹配电路包括第一条输出匹配网络和第二条输出匹配网络；开关管M4的栅端与电阻R18相连，电阻R18另一端与电源输入端V1相连；开关管M4的源端接地；开关管M4的漏端与第一条输出匹配网络输出端和开关管M5的漏端相连，开关管M5的源端与射频信号输出端和开关管M7的漏端相连；开关管M5的栅端与电阻R19相连，电阻R19另一端与电源输入端V2相连；开关管M7的栅端与电阻R21相连，电阻R21另一端与电源输入端V1相连，开关管M7的源端与第二条输出匹配网络输出端和开关管M6的漏端相连，开关管M6的栅端与电阻R20相连；电阻R20另一端与电源输入端V2相连；开关管M6的源端接地；
请参阅说明书附图2-4，所述输入匹配电路采用由电感L1、电阻R1、电阻R2和电容C1组成的有耗匹配网络；电感L1一端与电阻R2一端和射频信号输入端相连，电感L1另一端与电阻R1相连，电阻R1另一端接地；电阻R2另一端与电容C1一端相连，电容C1另一端与放大管M1的栅端相连；
请参阅说明书附图2-3，所述第一条输出匹配网络采用由电感L2、电阻R14、电阻R15和电容C4组成的有耗匹配网络；电容C4一端与放大管M2的漏端相连，电容C4另一端与电阻R14一端相连，电阻R14另一端分别与电感L2和开关管M4的漏端、开关管M5的漏端相连，电感L2另一端通过电阻R15接地；
请参阅说明书附图2-3，所述第二条输出匹配网络采用由电感L3、电阻R16、电阻R17和电容C5组成的有耗匹配网络；电容C5一端与放大管M3的漏端相连，电容C5另一端与电阻R16相连，电阻R16另一端分别与电感L3、开关管M7的源端、开关管M6的漏端相连；电感L3另一端通过电阻R17接地；
如图5所示，本发明移相器在超宽带上具有较好的插入损耗；
如图6所示，本发明移相器在超宽带上具有优良的回波损耗；
本发明通过改善移相器的输入输出匹配网络，可以优化移相器输入输出端口的阻抗匹配，使得移相器的回波损耗得到改善，同时输出网络匹配也提高了移相器的移相精度；
如图7所示，本发明移相电路具有较高的移相精度；本发明通过优化射频有源巴伦的相位平衡来优化了移相器的移相精度。
需要注意的是，射频有源巴伦中所有的放大管需采用不同的参数。射频信号从输入匹配电路进入到射频有源巴伦，将单端信号转化为差分信号之后作用于输出匹配电路；通过输出匹配电路后从射频开关的开启与关断进行选取一条支路信号进行输出；此结构的优点在于：晶体管M1、M2组成的共源共栅放大级，和两晶体管之间的匹配电路用于扩展工作频率带宽，同时改善两平衡输出端口之间的相位平衡性；晶体管M1、M3尺寸及该通路中匹配电路元器件值的大小，主要用于改善有源巴伦电路的幅度平衡性；
本发明的射频开关采用单刀双掷开关来切换输出状态稳定的相对移相量，射频有源巴伦采用改进的共源/共栅巴伦，并在射频有源巴伦的输入输出进行了有耗匹配技术来扩展工作频率带宽，由此改善两平衡输出端口之间的移相精度，进而实现了移相器较高的相移精度和工作带宽。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，包括射频有源巴伦、射频开关和输入匹配电路和输出匹配电路；输入匹配电路的输入端和输出端分别与射频输入端RFIN、射频有源巴伦的输入端电连接，输出匹配电路的输入端和输出端分别与射频有源巴伦的输出端、射频开关的输入端电连接，射频开关的输出端与射频输出端RFOUT电连接。
2.根据权利要求1所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，所述射频有源巴伦包括放大管M1、放大管M2和放大管M3，放大管M1和放大管M2构成共源共栅放大器；放大管M1和放大管M3构成两级共源放大器。
3.根据权利要求2所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，放大管M1的栅端与输入匹配电路连接，放大管M1的源端接地，放大管M1的漏端分别与放大管M2的源端和放大管M3的栅端相连，放大管M2的栅端通过电阻分压与电源VDD相连，放大管M2的漏端与电阻R8和输出匹配电路相连；放大管M3的漏端与电阻R12和输出匹配电路相连，放大管M3的源端接地。
4.根据权利要求3所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，还包括负反馈电路，负反馈电路包括串联的电容C2和电阻R9，以及串联的电容C3和电阻R13；电容C2一端和电阻R9一端分别与放大管M2的栅端和漏端连接；电容C3一端和电阻R13一端分别与放大管M3的栅端和漏端连接。
5.根据权利要求4所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，还包括电源分压电路，电源分压电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R10和电阻R11。
6.根据权利要求5所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，放大管M1的漏端通过电阻R3与电源VDD相连，放大管M1的漏端通过电阻R4接地；放大管M2的漏端连接有电阻R7，电阻R7通过电阻R5与电源VDD相连，电阻R7通过电阻R6接地；电容C2与放大管M2栅端的连接处位于电阻R7与放大管M2栅端之间；放大管M3的漏端通过电阻R10与电源VDD相连，放大管M3的漏端通过电阻R11接地。
7.根据权利要求6所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，所述射频开关采用由开关管M4、开关管M5、开关管M6、开关管M7、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电阻R21组成的单刀双掷开关电路；输出匹配电路包括第一条输出匹配网络和第二条输出匹配网络；开关管M4的栅端与电阻R18相连，电阻R18另一端与电源输入端V1相连；开关管M4的源端接地；开关管M4的漏端与第一条输出匹配网络输出端和开关管M5的漏端相连，开关管M5的源端与射频信号输出端和开关管M7的漏端相连；开关管M5的栅端与电阻R19相连，电阻R19另一端与电源输入端V2相连；开关管M7的栅端与电阻R21相连，电阻R21另一端与电源输入端V1相连，开关管M7的源端与第二条输出匹配网络输出端和开关管M6的漏端相连，开关管M6的栅端与电阻R20相连；电阻R20另一端与电源输入端V2相连；开关管M6的源端接地。
8.根据权利要求7所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，所述输入匹配电路采用由电感L1、电阻R1、电阻R2和电容C1组成的有耗匹配网络；电感L1一端与电阻R2一端和射频信号输入端相连，电感L1另一端与电阻R1相连，电阻R1另一端接地；电阻R2另一端与电容C1一端相连，电容C1另一端与放大管M1的栅端相连。
9.根据权利要求8所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，所述第一条输出匹配网络采用由电感L2、电阻R14、电阻R15和电容C4组成的有耗匹配网络；电容C4一端与放大管M2的漏端相连，电容C4另一端与电阻R14一端相连，电阻R14另一端分别与电感L2和开关管M4的漏端、开关管M5的漏端相连，电感L2另一端通过电阻R15接地。
10.根据权利要求9所述具有大相位超宽带高精度的有源移相器，其特征在于，所述第二条输出匹配网络采用由电感L3、电阻R16、电阻R17和电容C5组成的有耗匹配网络；电容C5一端与放大管M3的漏端相连，电容C5另一端与电阻R16相连，电阻R16另一端分别与电感L3、开关管M7的源端、开关管M6的漏端相连；电感L3另一端通过电阻R17接地。
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