一种宽带高精度矢量合成型移相器结构

1.本发明属于电子电路设计和半导体元件设计技术领域，特别涉及一种宽带高精度矢量合成型移相器结构。


背景技术：

2.移相器是相控阵系统的关键组件。相控阵系统的天线通常由多个天线单元组成，通过改变馈入每一个天线单元中的信号相位和幅度，进而改变天线阵列的口径照射函数，实现天线波束的快速扫描。相控阵系统采用电扫描的方式，克服了机械扫描反应慢、抗干扰能力差的缺点，广泛应用于军事和汽车雷达等多个方面。目前国内微波片上集成移相器和微波片上相控阵tr组件还相对较弱，非常需要高性能片上集成移相器的设计和研究。
3.目前主流的移相器设计方案从实现方法上可以分为有源移相器和无源移相器。无源移相器通常包括反射式移相器、加载线式移相器、开关线式移相器和开关高低通网络式移相器等，这些类型的移相器往往具有频带较窄、损耗较大或带内相位误差较大等缺点，不适宜于大规模集成和工业生产。有源移相器通常是指矢量合成型移相器，由正交信号生成网络、可变增益放大器、极性选择结构和正交信号合成器构成。具有低损耗和结构紧凑等优点，适合采用ic工艺生产。
4.有源矢量合成型移相器的性能主要受制于正交信号生成网络的精度、可变增益放大器的增益调控范围及增益调控精度。如何实现宽频带、高精度的正交信号生成网络和可变增益放大器是矢量合成型移相器设计需要解决的首要问题。工业生产所要求的高稳定性也是矢量合成型移相器设计需要考虑的一个问题。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明的目的是提供适用于bicm
°
s工艺、可以工作在一个倍频程以内、可实现0～360
°
移相范围的一种宽带高精度矢量合成型移相器结构，具有工作频带宽、增益调控范围大、增益调控精度高和稳定性高的特点，非常适合解决目前有源移相器的技术难题且适宜于工业生产。
6.本发明的技术方案是：一种宽带高精度矢量合成型移相器结构，包括：
7.正交信号生成器，正交信号生成器的输入为差分信号，输出为同相和正交的两路差分信号，两路差分信号幅度相等；
8.第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块和第二控制模块分别与所述正交信号生成器的输出端连接，且分别由控制同相、正交两路差分信号幅度和极性的晶体管阵列构成，分别改变两路差分信号的幅度以及分别独立控制两路差分信号实现180
°
相位极性反转；
9.输出网络，分别与所述第一控制模块和第二控制模块的输出端连接。
10.进一步地，所述正交信号生成器包括第一电容、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第二电容、第四电阻、第五电阻、第二电感，第六电阻，所述第一电容和第一电阻依
次串联，所述第一电感和第三电阻依次串联，所述第二电感和第六电阻依次串联，所述第二电容和第四电阻依次串联，所述第一电容下端和第一电感左端连接，共同连接输入信号input ，所述第二电容下端和第二电感右端连接，共同连接输入信号input-，所述第二电阻跨接于第一电阻上端和第六电阻上端之间，第五电阻跨接于第三电阻上端和第四电阻上端之间，所述第一电阻上端和第四电阻上端分别输出同相信号i 和i-，所述第三电阻上端和第六电阻上端分别输出差分信号q 和q-。
11.进一步地，所述第一电阻、第三电阻、第四电阻和第六电阻为小电阻，在传统全通网络滤波器结构中插入小电阻来降低正交信号生成网络对后续容性负载的敏感性，有效保证了正交信号的准确性，同时具有拓宽频带的优点。
12.进一步地，所述第一控制模块、第二控制模块分别包括并联组合的5个晶体管阵列单元，每个晶体管阵列单元包括第三电容、第七电阻、第一晶体管、第八电阻、第九电阻、第四电容、第二晶体管、第十电阻、第五电容、第三晶体管、第十一电阻、第六电容，第四晶体管，第七电容、第十二电阻、第五晶体管、第十三电阻、第十四电阻、第八电容、第六晶体管、第十五电阻，第九电容、第七晶体管、第十六电阻、第十电容和第八晶体管，所述第三电容左端和第七电容右端分别连接同相输入信号i 和i-，所述第三晶体管集电极和第八晶体管集电极连接，共同连接输出信号i
°
ut ，所述第四晶体管集电极和第七晶体管集电极连接，共同连接输出信号i
°
ut-，所述第十电阻左端和第十五电阻右端共同连接于数控电压偏置vb1，所述第九电阻下端和第十四电阻下端共同连接于数控电压偏置vb3，所述第十一电阻右端和第十六电阻左端共同连接于数控电压偏置vb5，所述第七电阻下端和第十二电阻下端共同连接于固定电压偏置vbias_1，所述第二晶体管集电极和第六晶体管集电极共同连接于固定电压偏置vbias_2，所述第三电容右端和所述第七电阻上端共同连接于所述第一晶体管基极，所述第七电容左端和第十二电阻上端共同连接于第五晶体管基极，所述第一晶体管发射极通过第八电阻接地，所述第五晶体管发射极通过第十三电阻接地，所述第一晶体管集电极与第二晶体管发射极、第三晶体管发射极、第四晶体管发射极连接，所述第五晶体管集电极与第六晶体管发射极、第七晶体管发射极、第八晶体管发射极连接，所述第二晶体管基极和第九电阻上端连接，并通过第四电容接地，所述第六晶体管基极和第十四电阻上端连接，并通过第八电容接地，所述第三晶体管基极和第十电阻右端连接，并通过第五电容接地，所述第七晶体管基极和第十五电阻左端连接，并通过第九电容接地，所述第四晶体管基极和第十一电阻左端连接，并通过第六电容接地，所述第八晶体管基极和第十六电阻右端连接，并通过第十电容接地，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管尺寸相同，5个晶体管阵列单元中的晶体管尺寸从大到小依次排列；固定电压偏置vbias_1保证第一晶体管和第五晶体管工作电流恒定；数控电压偏置vb1和vb5中一个处于低压关断模式，另一个通过控制高压导通的位数来改变并入电路中晶体管的个数，从而控制放大器的增益；数控电压偏置vb1和vb5中处于低压关断模式的数控电压偏置不同可实现差分输入信号的极性反转；数控电压信号vb3通过控制高压导通的位数来改变并入电路中电流舵的个数，从而控制放大器的增益；通过两种增益控制方式结合实现较为精细的增益控制；第八电阻和第十三电阻为负反馈结构，保证移相器结构的稳定性。
13.进一步地，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、和第四晶体管、第五晶体
管、第六晶体管、第七晶体管、和第八晶体管均由npn型晶体管构成。
14.进一步的，第二控制模块与第一控制模块结构相同，第二控制模块采用数字控制电路控制其实现电流幅度的调节，该部分数字控制逻辑与第一控制模块数字控制逻辑不同，以达到正交幅度调节。
15.进一步地，所述输出网络包括第十七电阻、第十一电容、第九晶体管、第十八电阻、第十二电容、第十晶体管、第三电感、第四电感、第十九电阻、第五电感、第六电感、第二十电阻、第十三电容和第十四电容，所述第九晶体管发射极和输入信号i
°
ut 、q
°
ut 连接，所述第十晶体管发射极和输入信号i
°
ut-、q
°
ut-连接，所述第十三电容左端和第十四电容右端分别连接移相器输出信号
°
utput 和
°
utput-，所述第十七电阻左端和第十八电阻右端连接于固定电压偏置vbias_，所述第四电感上端和第六电感上端连接于固定电压偏置vdc，所述第九晶体管基极和第十七电阻右端连接，并通过第十一电容接地，所述第十晶体管基极和第十八电阻连接，并通过第十二电容接地，所述第九晶体管集电极和第三电感下端连接，所述第十晶体管集电极和第五电感下端连接，所述第三电感上端和第四电感下端、第十三电容右端连接，所述第五电感上端和第六电感下端、第十四电容左端连接，所述第十九电阻跨接于第三电感下端和第四电感上端之间，所述第二十电阻跨接于第五电感下端和第六电感上端之间，输出网络首先在第九晶体管和第十晶体管发射极实现正交合成，然后通过t型匹配网络实现输出匹配。
16.本发明的工作原理：正交信号生成模块输入端为所述宽带高精度矢量合成型移相器的输入端，用于将输入差分信号转为两路同相(0
°
、180
°
)和正交(90
°
、270
°
)的差分信号；第一控制模块和第二控制模块的输入端分别连接于正交信号生成模块的输出端，用于分别控制两路差分信号的幅度，同时选择差分信号的极性；输出网络的输入端分别连接于第一控制模块和第二控制模块的输出端，输出端为所述宽带高精度矢量合成型移相器的输出端，用于将幅度和极性均经过调控的两路差分信号合成，输出所需相位的差分信号。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种宽带高精度矢量合成型移相器结构，在带宽、移相精度、电路稳定性和工业生产可实施性上均有较好的表现，能够满足包括卫星通讯，雷达、移动通信技术等在内的多种应用需求；有效提高了移相精度，减小了幅度偏差，同时拓宽了工作带宽，并具有良好的线性度。在8-16ghz频段内，该移相器结构可以实现宽带7比特移相，移相精度优于2.8
°
，幅度偏差小于0.53db。
附图说明
18.图1是宽带高精度矢量合成型移相器结构电路示意图。
19.图2是8-16ghz频段移相器的版图后仿真(典型工艺角)移相结果。
20.图3是8-16ghz频段移相器的版图后仿真(典型工艺角)移相精度。
21.图4是8-16ghz频段移相器的版图后仿真(典型工艺角)幅度偏差。
22.其中，100-正交信号生成器、101-第一电容、102-第一电阻、103-第二电阻、104-第一电感、105-第三电阻、106-第二电容、107-第四电阻、108-第五电阻、109-第二电感，110-第六电阻、200-第一控制模块、201-第三电容、202-第七电阻、203-第一晶体管、204-第八电阻、205-第九电阻、206-第四电容、207-第二晶体管、208-第十电阻、209-第五电容、210-第三晶体管、211-第十一电阻、212-第六电容、213-第四晶体管、214-第七电容、215-第十二电
阻、216-第五晶体管、217-第十三电阻、218-第十四电阻、219-第八电容、220-第六晶体管、221-第十五电阻、222-第九电容、223-第七晶体管、224-第十六电阻、225-第十电容、226-第八晶体管、300-第二控制模块、400-输出网络、401-第十七电阻、402-第十一电容、403-第九晶体管、404-第十八电阻、405-第十二电容、406-第十晶体管、407-第三电感、408-第四电感、409-第十九电阻、410-第五电感、411-第六电感、412-第二十电阻、413-第十三电容、414-第十四电容。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
24.实施例：如图1所示，一种宽带高精度矢量合成型移相器结构，包括正交信号生成器100、第一控制模块200、第二控制模块300和输出网络400。其中：
25.正交信号生成器100，由改进型正交全通网络构成，正交信号生成器100的输入为差分信号，输出为同相和正交的两路差分信号，两路差分信号幅度相等，正交信号生成器100包括第一电容101、第一电阻102、第二电阻103、第一电感104、第三电阻105、第二电容106、第四电阻107、第五电阻108、第二电感109，第六电阻110，第一电容101和第一电阻102依次串联，第一电感104和第三电阻105依次串联，第二电感109和第六电阻110依次串联，第二电容106和第四电阻107依次串联，第一电容101下端和第一电感104左端连接，共同连接输入信号input ，第二电容106下端和第二电感109右端连接，共同连接输入信号input-，第二电阻103跨接于第一电阻102上端和第六电阻110上端之间，第五电阻108跨接于第三电阻105上端和第四电阻107上端之间，第一电阻102上端和第四电阻107上端分别输出同相信号i 和i-，第三电阻105上端和第六电阻110上端分别输出差分信号q 和q-，第一电阻102、第三电阻105、第四电阻107和第六电阻110为小电阻；
26.第一控制模块200和第二控制模块300，由分别控制同相和正交两路信号幅度和极性的晶体管阵列构成，且第一控制模块200和第二控制模块300分别与正交信号生成器100连接，第一控制模块200、第二控制模块300分别包括并联组合的5个晶体管阵列单元，每个晶体管阵列单元包括第三电容201、第七电阻202、第一晶体管203、第八电阻204、第九电阻205、第四电容206、第二晶体管207、第十电阻208、第五电容209、第三晶体管210、第十一电阻211、第六电容212，第四晶体管213，第七电容214、第十二电阻215、第五晶体管216、第十三电阻217、第十四电阻218、第八电容219、第六晶体管220、第十五电阻221，第九电容222、第七晶体管223、第十六电阻224、第十电容225和第八晶体管226，第三电容201左端和第七电容214右端分别连接同相输入信号i 和i-，第三晶体管210集电极和第八晶体管226集电极连接，共同连接输出信号i
°
ut ，第四晶体管213集电极和第七晶体管223集电极连接，共同连接输出信号i
°
ut-，第十电阻208左端和第十五电阻221右端共同连接于数控电压偏置vb1，第九电阻205下端和第十四电阻218下端共同连接于数控电压偏置vb3，第十一电阻211右端和第十六电阻224左端共同连接于数控电压偏置vb5，第七电阻202下端和第十二电阻215下端共同连接于固定电压偏置vbias_1，第二晶体管207集电极和第六晶体管220集电极共同连接于固定电压偏置vbias_2，第三电容201右端和第七电阻202上端共同连接于第一晶体管203基极，第七电容214左端和第十二电阻215上端共同连接于第五晶体管216基极，
第一晶体管203发射极通过第八电阻204接地，第五晶体管发射极通过第十三电阻217接地，第一晶体管集电极与第二晶体管207发射极、第三晶体管210发射极、第四晶体管213发射极连接，第五晶体管216集电极与第六晶体管220发射极、第七晶体管223发射极、第八晶体管226发射极连接，第二晶体管207基极和第九电阻205上端连接，并通过第四电容206接地，第六晶体管220基极和第十四电阻218上端连接，并通过第八电容219接地，第三晶体管210基极和第十电阻208右端连接，并通过第五电容209接地，第七晶体管223基极和第十五电阻左端连接，并通过第九电容222接地，第四晶体管213基极和第十一电阻211左端连接，并通过第六电容212接地，第八晶体管226基极和第十六电阻224右端连接，并通过第十电容225接地，第一晶体管203、第二晶体管207、第三晶体管210、和第四晶体管213、第五晶体管216、第六晶体管220、第七晶体管223、和第八晶体管226均由npn型晶体管构成；
27.输出网络400，分别与第一控制模块200和第二控制模块300连接，输出网络400包括第十七电阻401、第十一电容402、第九晶体管403、第十八电阻404、第十二电容405、第十晶体管406、第三电感407、第四电感408、第十九电阻409、第五电感410、第六电感411、第二十电阻412、第十三电容413和第十四电容414，第九晶体管403发射极和输入信号i
°
ut 、q
°
ut 连接，第十晶体管406发射极和输入信号i
°
ut-、q
°
ut-连接，第十三电容413左端和第十四电容414右端分别连接移相器输出信号
°
utput 和
°
utput-，第十七电阻401左端和第十八电阻404右端连接于固定电压偏置vbias_3，第四电感408上端和第六电感411上端连接于固定电压偏置vdc，第九晶体管403基极和第十七电阻401右端连接，并通过第十一电容402接地，第十晶体管406基极和第十八电阻404连接，并通过第十二电容405接地，第九晶体管403集电极和第三电感407下端连接，第十晶体管406集电极和第五电感410下端连接，第三电感407上端和第四电感408下端、第十三电容413右端连接，第五电感410上端和第六电感411下端、第十四电容414左端连接，第十九电阻409跨接于第三电感407下端和第四电感408上端之间，第二十电阻412跨接于第五电感410下端和第六电感411上端之间。
28.本发明设定128个数字控制状态，分别控制第一控制模块200和第二控制模块300实现对两路正交信号的幅度调节，经过输出网络400合成后，实现0
°
到360
°
以2.8125
°
为步长的相位步进和最小的幅度偏差。
29.上述实施例的工作原理：正交信号生成模块100输入端为所述宽带高精度矢量合成型移相器的输入端，用于将输入差分信号转为两路同相(0
°
、180
°
)和正交(90
°
、270
°
)的差分信号；第一控制模块200和第二控制模块300的输入端分别连接于正交信号生成模块100的输出端，用于分别控制两路差分信号的幅度，同时选择差分信号的极性；输出网络400的输入端分别连接于第一控制模块200和第二控制模块300的输出端，输出端为所述宽带高精度矢量合成型移相器的输出端，用于将幅度和极性均经过调控的两路差分信号合成，输出所需相位的差分信号
30.图2为本发明的移相器结构的版图后仿真(典型工艺角)移相结果，中心工作频率为12ghz，在8-16ghz工作频带内，移相器均可实现360
°
范围的移相，相位状态无重叠。
31.图3为本发明的移相器结构的版图后仿真(典型工艺角)移相精度结果，在8-16ghz工作频带内，移相精度均优于2.8
°
，在8-15.5ghz工作频带内，移相精度均优于2
°
。
32.图4为本发明的移相器结构的版图后仿真(典型工艺角)幅度偏差结果，在8-16ghz工作频带内，幅度偏差小于0.53db。
33.上述电子元件的具体型号未作特殊指定，均可以选用集成电路工艺常规器件，只要能够满足本发明的使用需求即可。
34.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，均包含在本发明的保护范围之内。