一种有源衰减器电路的制作方法

1.本发明涉及电子电路设计的技术领域，尤其涉及适用于相控阵系统中有源衰减器电路设计的技术领域。


背景技术：

2.近年来，由于毫米波频段具有频谱资源丰富的显著优势，即将成为宽带卫星通信技术以及5g移动通信技术发展的黄金频段。对于毫米波频段而言，需要使用相控阵系统来补偿由于大气传播带来的高传播损耗，以解决毫米波通信远距离覆盖的难题。
3.衰减器是相控阵系统中调幅的关键模块之一。在相控阵的收发组件中，衰减器的功能主要有以下两方面：第一是增益补偿，衰减器可以用来补偿由于移相器移相带来的幅度误差；第二是幅度控制，衰减器可以用来抑制相控阵天线的波束旁瓣，以使相控阵系统获得更低的旁瓣电平，实现更好的定向性。另外，为了适应毫米波通信和高性能雷达相关应用，衰减器需要更高的步进精度和更小的附加相移，以减小追踪误差和校准难度。
4.衰减器的实现主要分为无源和有源两种。无源衰减器主要结构是使用无源电阻网络配合电感实现，无源衰减器可以获得较好的线性度并且功耗较低。但由于其本身是无源器件，其插入损耗较大，并且依赖电感进行电路的匹配，这样做十分占用芯片的面积；有源衰减器电路的主要结构为可变增益放大器或可编程增益放大器。有源结构与无源结构相比，具有更高的增益，更低的插入损耗，因而能够获得更大的衰减范围。但同时，有源结构产生的附加相移也相对无源结构的大，并且线性度较差。因此，总体上来说，对相控阵中衰减器的研究还需要更深入的进行。
5.文献“y.yi,d.zhao and x.you,"a ka-band cmos digital-controlled phase-invariant variable gain amplifier with 4-bit tuning range and 0.5-db resolution,"2018 ieee radio frequency integrated circuits symposium(rfic),2018,pp.152-155,doi:10.1109/rfic.2018.8428833.”采用了在共源共栅结构中引入固定电感消除结构内部寄生电容的方法，实现27ghz～42ghz的宽频带下rms附加相移小于3.5
°
。但其使用了140ph的电感占用芯片的面积，并且为了使寄生电容为常量而增加额外功耗。在实现7.5db的衰减范围时，该结构总功耗为15.6ma。
6.文献“高炜涵,赵涤燹,尤肖虎,陈智慧.一种带宽可重构射频衰减器及相控阵系统.四川省：cn113114151a,2021-07-13.”使用了并联的无源晶体管阵列，减小了各衰减档的阻抗变化，使用开关电容调节相位，并具有较好的匹配性能和幅度精度。但其幅度衰减调制模块使用了无源晶体管阵列，因此增益极低，且输入输出端口的隔离度较差，不利于系统的整体性能。


技术实现要素：

7.发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于cmos工艺的、大衰减范围、高步进精度、宽带、低附加相移、低幅度误差的有源衰减器电路。
8.技术方案：本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
9.一种有源衰减器电路，包括输入匹配网络、依据指令对信号进行一定范围衰减的有源幅度衰减调制模块、幅度调节及相位补偿模块、带宽可调的输出匹配网络。
10.所述第一匹配网络100的输入端作为所述有源衰减器电路的输入端，所述第四匹配网络400的输出端作为所述有源衰减器电路的输出端；
11.所述第一匹配网络100用于完成第二有源幅度衰减调制模块200与外接电路阻抗之间的宽带阻抗匹配；
12.所述第二有源幅度衰减调制模块200用于依据第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对双端差分信号进行衰减；
13.所述第三幅度及相位补偿模块300用于对双端差分信号进行幅度调节及相位补偿；
14.所述第四匹配网络400用于完成所述第三幅度及相位补偿模块300等效输出阻抗到外接电路阻抗的宽带阻抗匹配。
15.进一步的是，所述第二有源幅度衰减调制模块200采用差分共源共栅放大器结构，包括共源部分的第一晶体管201以及第二晶体管202、共栅部分的有源晶体管阵列单元、第三晶体管203、第四晶体管204以及第一反相器209、第二反相器2010。
16.所述共源部分的第一晶体管201的栅极连接到所述第一匹配网络100的输出正端，所述共源部分的第二晶体管202的栅极连接到所述第一匹配网络100的输出负端。所述第一晶体管201的源级与所述第二晶体管202的源级连接到地，所述第一晶体管201的漏极连接到所述第三晶体管203、所述第五晶体管205、所述第六晶体管206的源级；所述第二晶体管202的漏极连接到所述第四晶体管204、所述第七晶体管207、所述第八晶体管208的源级；
17.所述共栅部分的有源晶体管阵列单元并联，所述有源晶体管阵列单元包括第五晶体管205、第六晶体管206、第七晶体管207、第八晶体管208以及第一反相器209、第二反相器2010；所述共栅部分晶体管还包括第三晶体管203、第四晶体管204。所述第三晶体管203的漏极、所述第五晶体管205的漏极、所述第七晶体管207的漏极连接到第二有源幅度衰减调制模块200的输出正端，所述第四晶体管204的漏极、所述第六晶体管206的漏极、所述第八晶体管208的漏极连接到第二有源幅度衰减调制模块200的输出负端；所述第三晶体管203的栅极、所述第四晶体管204的栅极连接到直流电源；所述第五晶体管205的栅极、所述第八晶体管208的栅极连接到所述第二反相器2010的输出端；所述第六晶体管206的栅极、所述第七晶体管207的栅极连接到所述第一反相器209的输出端。
18.所述共栅部分的有源晶体管阵列单元中还包括第一反相器209、第二反相器2010；所述第一反相器209用于依据输入的控制逻辑信号切换所述第六晶体管206、所述第七晶体管207的导通状态，所述第二反相器2010用于依据所述第一反相器的逻辑控制信号切换所述第五晶体管205、所述第八晶体管208的导通状态。
19.进一步的是，所述第二有源幅度衰减调制模块200中的有源晶体管阵列单元的数量为n，n为任意正整数。
20.进一步的是，所述第二有源幅度衰减调制模块200中每一个有源晶体管阵列单元中晶体管的归一化尺寸相同；所述共源部分的第一晶体管201与所述第二晶体管202的尺寸相同，所述共栅部分的第三晶体管203与所述第四晶体管204的尺寸相同。
21.进一步的是，所述第三幅度及相位补偿模块(300)包括一个rlc相位补偿网络(301)；所述第三幅度及相位补偿模块(300)的输入正端in 连接到所述第二有源幅度衰减调制模块(200)中共源部分的第一晶体管(201)的漏极，所述第三幅度及相位补偿模块(300)的输入负端in-连接到所述第二有源幅度衰减调制模块(200)中共源部分的第二晶体管(202)的漏极，所述第三幅度及相位补偿模块(300)的输出正端out 连接到第四匹配网络(400)的输入正端和第二有源幅度衰减调制模块(200)的输出正端；所述第三幅度及相位补偿模块(300)的输出负端out-连接到第四匹配网络(400)的输入负端和第二有源幅度衰减调制模块(200)的输出负端；所述第三幅度及相位补偿模块(300)的输入正端、输入负端、输出正端、输出负端分别与所述rlc相位补偿网络(301)的输入正端、输入负端、输出正端、输出负端对应连接。
22.所述rlc相位补偿网络由电阻、电容、电感中的一种元件或多种元件构成；构成rlc相位补偿网络的电阻阻值、电容容值、电感感值可以是固定值，也可以是可调节值；其中，可调电阻通过晶体管实现，也可以通过开关电阻阵列实现；可调电容通过变容管实现，也可以通过开关电容阵列实现；可调电感通过变压器实现，也可以通过开关电感阵列实现。
23.进一步的是，所述rlc相位补偿网络(301)可使用第一固定电容(3017)、第二固定电容(3018)与第一可调电阻(3015)、第二可调电阻(3016)实现。其中，第一可调电阻(3015)、第二可调电阻(3016)通过晶体管实现，通过改变晶体管栅极偏置电压vbias对第一可调电阻(3015)和第二可调电阻(3016)的阻值进行控制；
24.进一步的是，所述第一匹配网络100的输出正端连接于所述第二有源幅度衰减调制模块200中有源部分的第一晶体管201的栅极，所述第一匹配网络100的输出负端连接于所述第二有源幅度衰减调制模块200中有源部分的第二晶体管202的栅极；
25.进一步的是，所述第一匹配网络100包括第一电阻101、第三电容102、第一变压器103、第四电容104以及第二电阻105；所述第一电阻101的两端分别连接于所述第一变压器103的初级线圈的两端，所述第三电容102的两端分别连接于所述第一变压器103的初级线圈的两端，所述第四电容104的两端分别连接于所述第一变压器103的次级线圈的两端，所述第二电阻105的两端分别连接于所述第一变压器103的次级线圈的两端；所述第一变压器102的初级线圈的两端分别作为所述有源衰减器电路的差分输入正端和差分输入负端，所述第一变压器102的次级线圈的两端分别作为所述第一匹配网络100的差分输出正端和差分输出负端。
26.进一步的是，所述第三电容(102)、第四电容(104)设置为固定电容，或者是可调电容。
27.进一步的是，所述第四匹配网络400的输入正端连接于第三幅度及相位补偿模块300的输出正端和第二有源幅度衰减调制模块200的输出正端；所述第四匹配网络400的输入负端连接于第三幅度及相位补偿模块300的输出负端和第二有源幅度衰减调制模块200的输出负端。
28.进一步的是，所述第四匹配网络400包括第三电阻401、第四电阻405、第五电容402、第六电容404以及第二变压器403。
29.所述第三电阻401的两端分别连接于所述第二变压器403的初级线圈的两端，所述第四电阻405的两端分别连接于所述第二变压器403的次级线圈的两端；所述第五电容402
的两端分别连接于所述第二变压器的初级线圈的两端，所述第六电容404的两端分别连接于所述第二变压器的次级线圈的两端。所述第二变压器的初级线圈的中心抽头连接到电源。所述第二变压器403的初级线圈的两端分别作为所述第四匹配网络400的差分输入正端和差分输入负端，所述第二变压器403的次级线圈的两端分别作为所述有源衰减器电路的差分输出正端和差分输出负端。所述第五电容402、第六电容404既可以是固定电容，又可以是可调电容。
30.进一步的是，所述第五电容402、第六电容404既可以是固定电容，又可以是可调电容。
31.相对于现有技术，本技术实施例所提供的一种有源衰减器电路包括：第一匹配网络100、第二有源幅度衰减调制模块200、第三幅度及相位补偿模块300、第四匹配网络400。其中，第二有源幅度衰减调制模块200采用共源共栅结构，用于依据第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端信号传输到第三幅度及相位补偿模块300。第三幅度及相位补偿模块300用于调节幅度及相位补偿，对信号实现高精度、低附加相移的衰减。相比于传统结构，本发明的有源衰减器电路具有宽带、高集成度以及低附加相移和良好的带内平坦度。
32.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
33.1，本发明的有源衰减器电路，其幅度调节及相位补偿模块既可以完成附加相移调节功能，又可以调节幅度，实现了所述有源衰减器电路高衰减精度、低附加相移的特点；
34.2，本发明的rlc相位补偿网络301的差分输入、差分输出端分别连接于共栅晶体管的差分输入与差分输出端，用于调节有源幅度衰减调制模块输出端的寄生电容，极大增强了相位调节能力；
35.3，本发明的有源衰减器电路，其第四匹配网络在实现宽带阻抗匹配的情况下，能够完成带宽调节，进一步改善了衰减器的宽带性能；
36.4，本发明的有源衰减器电路，采用共源共栅结构，能够提供正增益，且所述的有源幅度衰减调制模块的输出端口的隔离度高。
37.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍。应当理解的是，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
39.图1是本发明提供的实施例中一种有源衰减器电路的结构示意图；
40.图2是本发明提供的实施例中一种有源衰减器电路的结构示意图之一；
41.图3是本发明提供的一种实施例中衰减性能的仿真结果。
具体实施方式
42.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过
参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
43.本发明实施例1：
44.如图1所示，本发明提供的高精度射频有源衰减器电路结构，包括第一匹配网络100、第二有源幅度衰减调制模块200、第三幅度相位补偿模块300、第四匹配网络400。
45.其中，第一匹配网络100的输入端作为所述有源衰减器电路的输入端，所述第四匹配网络400的输出端作为所述有源衰减器电路的输出端。第一匹配网络100用于完成第二有源幅度衰减调制模块200与外接电路阻抗之间的宽带阻抗匹配；第二有源幅度衰减调制模块200用于依据第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围对双端差分信号进行衰减。
46.可选地，第二有源幅度衰减调制模块中的有源晶体管阵列单元的数量、尺寸以及晶体管203、晶体管204的尺寸可根据需要的衰减精度和衰减范围进行调节，从而满足更大的衰减范围和更高精度的衰减步进。
47.所述第三幅度及相位补偿模块300用于对双端差分信号进行幅度调节及相位补偿。需要说明的是，在一种可选的实现方式中。相位补偿的幅度以及幅度调节的程度可以依据用户输入的控制信号进行调节，从而实现带宽拓展。
48.所述第四匹配网络400用于完成所述第三幅度及相位补偿模块300等效输出阻抗到外接电路阻抗的宽带阻抗匹配。需要说明的是，在一种可选的实现方式中，该匹配网络进行带宽调节的幅度可以依据用户输入的控制信号进行调节，即带宽调节的幅度是可调节可变的，从而拓宽带宽，并在一定程度上更加优化了所述的有源衰减器电路的性能。
49.综上所述，本技术实施例提供了一种有源衰减器电路包括：第一匹配网络100、第二有源幅度衰减调制模块200、第三幅度及相位补偿模块300、第四匹配网络400。其中，第二有源幅度衰减调制模块200采用共源共栅结构，用于依据第一调节指令调节衰减范围，按照调节后的衰减范围双端差分信号进行衰减，并将衰减后的双端信号传输到第三幅度及相位补偿模块300。第三幅度及相位补偿模块300用于调节幅度及相位补偿，对信号实现高精度、低附加相移的衰减。相比于传统结构，本发明的有源衰减器电路具有宽带、高集成度以及低附加相移和良好的带内平坦度。
50.在图1的基础上，对应第二有源幅度衰减调制模块200的结构，如图2所示，
51.本发明中的第一匹配网络100包括第一电阻101、第三电容102、第一变压器103、第四电容104以及第二电阻105；所述第一电阻101的两端分别连接于所述第一变压器103的初级线圈的两端，所述第三电容102的两端分别连接于所述第一变压器103的初级线圈的两端，所述第四电容104的两端分别连接于所述第一变压器103的次级线圈的两端，所述第二电阻105的两端分别连接于所述第一变压器103的次级线圈的两端；所述第一变压器102的初级线圈的两端分别作为所述有源衰减器电路的差分输入正端和差分输入负端，所述第一变压器102的次级线圈的两端分别作为所述第一匹配网络100的差分输出正端和差分输出负端。该匹配网络一方面将所述的有源衰减器电路的工作频段匹配到所需频带，一方面使所述的有源衰减器电路获得宽带特性。在图2中，vin 表示有源衰减器电路的输入正端，vin-表示有源衰减器电路的输入负端。进一步的是，所述第三电容102、第四电容104设置为固定电容，或者是可调电容。
52.如图2所示，所述第二有源幅度衰减调制模块200采用差分共源共栅放大器结构，
包括共源部分的第一晶体管201以及第二晶体管202、共栅部分的有源晶体管阵列单元、第三晶体管203、第四晶体管204以及第一反相器209、第二反相器2010。
53.所述共源部分的第一晶体管201的栅极连接到所述第一匹配网络100的输出正端，所述共源部分的第二晶体管202的栅极连接到所述第一匹配网络100的输出负端。所述第一晶体管201的源级与所述第二晶体管202的源级连接到地，所述第一晶体管201的漏极连接到所述第三晶体管203、所述第五晶体管205、所述第六晶体管206的源级；所述第二晶体管202的漏极连接到所述第四晶体管204、所述第七晶体管207、所述第八晶体管208的源级；
54.所述共栅部分的有源晶体管阵列单元并联，所述有源晶体管阵列单元包括第五晶体管205、第六晶体管206、第七晶体管207、第八晶体管208以及第一反相器209、第二反相器2010；所述共栅部分晶体管还包括第三晶体管203、第四晶体管204。所述第三晶体管203的漏极、所述第五晶体管205的漏极、所述第七晶体管207的漏极连接到第二有源幅度衰减调制模块200的输出正端，所述第四晶体管204的漏极、所述第六晶体管206的漏极、所述第八晶体管208的漏极连接到第二有源幅度衰减调制模块200的输出负端；所述第三晶体管203的栅极、所述第四晶体管204的栅极连接到直流电源；所述第五晶体管205的栅极、所述第八晶体管208的栅极连接到所述第二反相器2010的输出端；所述第六晶体管206的栅极、所述第七晶体管207的栅极连接到所述第一反相器209的输出端。
55.所述共栅部分的有源晶体管阵列单元中还包括第一反相器209、第二反相器2010；所述第一反相器209用于依据输入的控制逻辑信号切换所述第六晶体管206、所述第七晶体管207的导通状态，所述第二反相器2010用于依据所述第一反相器的逻辑控制信号切换所述第五晶体管205、所述第八晶体管208的导通状态。
56.请继续参考图2，在一种可能的实现方式中，有源晶体管阵列单元的数量为n，n个有源晶体管阵列单元并联，每一个有源晶体管阵列单元中的晶体管的归一化尺寸相同；所述共源部分的第一晶体管201与所述第二晶体管202的尺寸相同，所述共栅部分的第三晶体管203与所述第四晶体管204的尺寸相同。
57.可选地，不同有源晶体管阵列单元中的晶体管归一化尺寸为nx，其中，n为任意正整数,x为基准归一化尺寸，由工作人员具体选择。nx为第n个无源晶体管阵列单元中的晶体管归一化尺寸。
58.在不同的衰减状态下，不同的有源晶体管阵列单元中的输出等效电容和输出等效电阻的值不同，这就造成输出阻抗的值会随着衰减状态的变化而变化因此，需要通过宽带匹配结构进行阻抗匹配，并配合幅度调节及相位补偿模块进行带宽的调节与性能的优化。
59.由于在有源晶体管阵列单元数量为n时，所述第二幅度衰减调制模块的工作状态共有2n种，因此共有2n种输出阻抗状态以及2n种衰减档位。因此，只需在2n种不同的衰减状态中选取最合适的衰减状态来满足指标精度即可。
60.为了解决所述有源衰减器电路在不同衰减状态时输出阻抗不同，从而影响相位一致性的问题，本技术实施例提供的有源衰减器电路还包括第三幅度调节及相位补偿模块300以及第四匹配网络400。请继续参考图2，所述第三幅度及相位补偿模块300包括一个rlc相位补偿网络301；所述第三幅度及相位补偿模块300的输入正端in 连接到所述第二有源幅度衰减调制模块200中共源部分的第一晶体管201的漏极，所述第三幅度及相位补偿模块300的输入负端in-连接到所述第二有源幅度衰减调制模块200中共源部分的第二晶体管
202的漏极，所述第三幅度及相位补偿模块300的输出正端out 连接到第四匹配网络400的输入正端和第二有源幅度衰减调制模块200的输出正端；所述第三幅度及相位补偿模块300的输出负端out-连接到第四匹配网络400的输入负端和第二有源幅度衰减调制模块200的输出负端；所述第三幅度及相位补偿模块300的输入正端、输入负端、输出正端、输出负端分别与所述rlc相位补偿网络(301)的输入正端、输入负端、输出正端、输出负端对应连接。
61.所述rlc相位补偿网络由电阻、电容、电感中的一种元件或多种元件构成；构成rlc相位补偿网络的电阻阻值、电容容值、电感感值可以是固定值，也可以是可调节值；其中，可调电阻通过晶体管实现，也可以通过开关电阻阵列实现；可调电容通过变容管实现，也可以通过开关电容阵列实现；可调电感通过变压器实现，也可以通过开关电感阵列实现。
62.所述rlc相位补偿网络(301)可使用第一固定电容(3017)、第二固定电容(3018)与第一可调电阻(3015)、第二可调电阻(3016)实现。其中，第一可调电阻(3015)、第二可调电阻(3016)通过晶体管实现，通过改变晶体管栅极偏置电压vbias对第一可调电阻(3015)和第二可调电阻(3016)的阻值进行控制。
63.继续参考图2，所述第四匹配网络400的输入正端连接于第三幅度及相位补偿模块300的输出正端和第二有源幅度衰减调制模块200的输出正端；所述第四匹配网络400的输入负端连接于第三幅度及相位补偿模块300的输出负端和第二有源幅度衰减调制模块200的输出负端。
64.如图2所示，所述第四匹配网络400包括第三电阻401、第四电阻405、第五电容402、第六电容404以及第二变压器403。所述第三电阻401的两端分别连接于所述第二变压器403的初级线圈的两端，所述第四电阻405的两端分别连接于所述第二变压器403的次级线圈的两端；所述第五电容402的两端分别连接于所述第二变压器的初级线圈的两端，所述第六电容404的两端分别连接于所述第二变压器的次级线圈的两端。所述第二变压器的初级线圈的中心抽头连接到电源。所述第二变压器403的初级线圈的两端分别作为所述第四匹配网络400的差分输入正端和差分输入负端，所述第二变压器403的次级线圈的两端分别作为所述有源衰减器电路的差分输出正端和差分输出负端。
65.在一种可能的实现方式中，所述第五电容402、第六电容404既可以是固定电容，又可以是可调电容。
66.可选地，如图2所示，第四匹配网络具有带宽调节功能，体现为图2中的电容402、电容404为可调电容时，能实现带宽可调。
67.图3为本发明提供的一种实施例中衰减性能的仿真结果。在使用的频率范围内，能够保持较好的平坦度。
68.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。