一种有源片上和差器与和差波束网络的制作方法

1.本发明涉及微波射频集成电路技术领域，具体而言，涉及一种有源片上和差器与和差波束网络。


背景技术：

2.在雷达、电子战系统中，经常采用和差波束进行单脉冲测角。和差器作为和差波束网络的核心器件，其性能直接影响系统的测角精度。和差器的性能指标通常包括和差幅度一致性，和差相位一致性，插入损耗和工作带宽，而很多情况下，和差器的体积重量也限制了其使用平台。
3.传统基于立体结构的和差器通常采用魔t、铁氧体或其他立体微波结构实现，这类立体结构的和差器体积大，各个端口不在同一方向或同一平面，难以与平面电路相集成，限制了上层组件小型化。随着平面工艺技术的发展，出现了很多平面结构的和差器，如环形混合网络(rat-race)、渐变匹配线与耦合线等，其实现方式通常采用无源电路实现，因此无法避免引入额外插损。此外由于和信号与差信号通常经过了不同的射频路径，其幅度、相位往往存在不同程度的失配，这种失配随着射频带宽增加变得越发严重，若需要进行精确测角，还需要数字手段进行辅助从而对失配进行校准。
4.随着集成电路的发展，使得在单片上采用有源与无源电路相结合的方式实现小型化和差器成为可能。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在片上和差器工作带宽较小，和端口和差端口的幅度、相位易失配，小型化程度不足，难以提供增益的技术问题之一。
6.为此，本发明第一方面提供了一种有源片上和差器。
7.本发明第二方面提供了一种和差波束网络。
8.本发明提供了一种有源片上和差器，包括：
9.信号输入转换单元，用于将输入射频信号a、b转换为差分信号a ，a-，b ，b-；
10.有源和差运算单元，与信号输入转换单元相连，用于将信号输入转换单元输出的电压信号a ，a-，b ，b-转换为电流信号，并进行电流功分、求差、求和；
11.信号输出转换单元，与有源和差运算单元相连，用于将电流信号转换为电压信号，并将(a b)、-(a b)、(b-a)、-(b-a)转换为单端信号a b，b-a；
12.所述信号输入转换单元和信号输出转换单元还用于为有源和差运算单元提供直流偏置点。
13.根据本发明上述技术方案的一种有源片上和差器，还可以具有以下附加技术特征：
14.在上述技术方案中，所述信号输入转换单元包括第一巴伦、第二巴伦、第一片上电容和第二片上电容；
15.所述第一巴伦的初级线圈的一个端口作为输入射频信号a的输入端，另一端口与第一片上电容串联后接地；所述第一巴伦的次级线圈中心抽头接地并与有源和差运算单元的输入端相连；
16.所述第二巴伦的初级线圈的一个端口作为输入射频信号b的输入端，另一端口与第二片上电容串联后接地；所述第二巴伦的次级线圈中心抽头接地并与有源和差运算单元的输入端相连。
17.在上述技术方案中，所述信号输出转换单元包括第三巴伦，第四巴伦，第三片上电容和第四片上电容；
18.所述第三巴伦的初级线圈的端口与有源和差运算单元的输出端相连，所述第三巴伦的初级线圈中心抽头连接电源电压；
19.所述第四巴伦的初级线圈的端口与有源和差运算单元的另一输出端相连，所述第四巴伦的初级线圈中心抽头连接电源电压；
20.所述第三巴伦的次级线圈的一个端口为差信号输出端，另一端口与第三片上电容串联后接地；所述第四巴伦的次级线圈的一个端口为和信号输出端，另一端口与第四片上电容串联后接地。
21.在上述技术方案中，所述有源和差运算单元包括第一至第十二晶体管、第一至第二片上电阻；
22.所述第一巴伦的次级线圈的一个端口与第一晶体管的栅极相连，另一个端口与第二晶体管的栅极相连；所述第二巴伦的次级线圈的一个端口与第三晶体管的栅极相连，另一个端口与第四晶体管的栅极相连；
23.第一片上电阻的一端分别与第一晶体管和第二晶体管的源极相连，另一端与地连接；第二片上电阻的一端分别与第三晶体管和第四晶体管的源极相连，另一端与地连接；
24.所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管共源连接，用于对输入信号进行放大；
25.第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管和第十二晶体管构成开漏共栅连接，用于产生电流和差信号，并将电流和差信号分别输入至第三巴伦和第四巴伦。
26.在上述技术方案中，所述第五晶体管和第七晶体管的源极与第二晶体管的漏极相连；所述第六晶体管和第八晶体管的源极与第一晶体管的漏极相连；所述第九晶体管和第十二晶体管的源极与第四晶体管的漏极相连；所述第十晶体管和第十一晶体管的源极与第三晶体管的漏极相连；
27.所述第五晶体管和第九晶体管的漏极与第三巴伦的初级线圈的一个端口相连；所述第六晶体管和第十晶体管的漏极与第三巴伦的初级线圈的另一个端口相连；
28.所述第七晶体管和第十一晶体管的漏极与第四巴伦的初级线圈的一个端口相连；所述第八晶体管和第十二晶体管的漏极与第四巴伦的初级线圈的另一个端口相连；
29.所述第五至第十二晶体管的栅极接入偏置电压。
30.在上述技术方案中，还包括偏置电压产生单元，所述偏置电压产生单元与有源和差运算单元相连，用于为有源和差运算单元提供直流偏置电压。
31.在上述技术方案中，所述偏置电压产生单元包括第三至第十二片上电阻，第三片
上电阻的一端接入电源电压，另一端与第四片上电阻串联后接地；
32.第五片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第五晶体管的栅极相连；
33.第六片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第六晶体管的栅极相连；
34.第七片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第七晶体管的栅极相连；
35.第八片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第八晶体管的栅极相连；
36.第九片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第九晶体管的栅极相连；
37.第十片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第十晶体管的栅极相连；
38.第十一片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第十一晶体管的栅极相连；
39.第十二片上电阻的一端接至第三片上电阻和第四片上电阻之间，另一端与第十二晶体管的栅极相连。
40.在上述技术方案中，所述第一巴伦、第二巴伦、第三巴伦和第四巴伦均包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和次级线圈采用相同金属层，通过调整初级线圈和次级线圈的间距调节巴伦的耦合系数。
41.本发明还提供了一种和差波束网络，包括如上述技术方案中任一项所述的一种有源片上和差器。
42.综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：
43.1、由于和信号和差信号经过完全相同且版图对称的路径，在原理和物理结构上保证了其具有非常理想的幅度、相位一致性；
44.2、由于采用了有源放大电路，本和差器不会引入插入损耗；
45.3、由于采用了宽带匹配技术，该和差器具有相对较宽的带宽；
46.4、由于信号的功分、求和、求差运算均采用有源电路实现，因此在版图上的面积开销非常小。
47.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
48.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
49.图1是本发明一个实施例中采用gaas p25ed工艺设计的19-23ghz有源片上和差器电路示意图；
50.图2是本发明一个实施例的一种有源片上和差器的输入端口与输出端口反射系数曲线示意图；
51.图3是本发明一个实施例的一种有源片上和差器的增益曲线示意图；
52.图4是本发明一个实施例的一种有源片上和差器的相位曲线示意图；
53.图5是本发明一个实施例的一种有源片上和差器在两个20ghz等幅输入信号的情况下，和端口与差端口的功率随信号相位差的变化曲线示意图。
54.其中，图1至图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
55.1、信号输入转换单元；2、有源和差运算单元；3、信号输出转换单元；4、偏置电压产生单元；
56.11、第一巴伦；12、第二巴伦；13、第三巴伦；14、第四巴伦；
57.m1、第一晶体管；m2、第二晶体管；m3、第三晶体管；m4、第四晶体管；m5、第五晶体管；m6、第六晶体管；m7、第七晶体管；m8、第八晶体管；m9、第九晶体管；m10、第十晶体管；m11、第十一晶体管；m12、第十二晶体管；
58.r1、第一片上电阻；r2、第二片上电阻；r3、第三片上电阻；r4、第四片上电阻；r5、第五片上电阻；r6、第六片上电阻；r7、第七片上电阻；r8、第八片上电阻；r9、第九片上电阻；r10、第十片上电阻；r11、第十一片上电阻；r12、第十二片上电阻；
59.c1、第一片上电容；c2、第二片上电容；c3、第三片上电容；c4、第四片上电容。
具体实施方式
60.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
61.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
62.下面参照图1至图5来描述根据本发明一些实施例提供的一种有源片上和差器和一种和差波束网络。
63.本技术的一些实施例提供了一种有源片上和差器。
64.如图1至图5所示，本发明第一个实施例提出了一种有源片上和差器，包括：信号输入转换单元1、有源和差运算单元2、信号输出转换单元3和偏置电压产生单元4；
65.信号输入转换单元1，用于将输入射频信号a、b转换为差分信号a ，a-，b ，b-；
66.有源和差运算单元2，与信号输入转换单元1相连，用于将信号输入转换单元1输出的电压信号a ，a-，b ，b-转换为电流信号，并进行电流功分、求差、求和；
67.信号输出转换单元3，与有源和差运算单元2相连，用于将电流信号转换为电压信号，并将(a b)、-(a b)、(b-a)、-(b-a)转换为单端信号a b，b-a。
68.所述信号输入转换单元1包括第一巴伦11、第二巴伦12、第一片上电容c1和第二片上电容c2；
69.第一巴伦11的初级线圈设有两个端口，所述第一巴伦11的初级线圈的一个端口作为输入射频信号a的输入端，另一端口与第一片上电容c1串联后接地；所述第一巴伦11的次级线圈中心抽头接地并与有源和差运算单元2的输入端相连，第一巴伦11的次级线圈也设有两个端口，两个端口均与有源和差运算单元2的输入端相连；
70.第二巴伦12的初级线圈设有两个端口，所述第二巴伦12的初级线圈的一个端口作为输入射频信号b的输入端，另一端口与第二片上电容c2串联后接地；所述第二巴伦12的次级线圈中心抽头接地并与有源和差运算单元2的输入端相连，第二巴伦12的次级线圈也设有两个端口，两个端口均与有源和差运算单元2的输入端相连。
71.第一巴伦11，第一片上电容c1，第一晶体管m1的栅极寄生电容和第二晶体管m2的栅极寄生电容共同组成高阶谐振网络，完成输入射频信号a输入端宽带匹配；第二巴伦12，第二片上电容c2，第三晶体管m3的栅极寄生电容和第四晶体管m4的栅极寄生电容共同组成高阶谐振网络，完成输入射频信号b输入端宽带匹配；信号输入转换单元1实现输入射频信号a和输入射频信号b从单端到差分的转换，为有源和差运算单元2中的第一至第四晶体管m1-m4的栅极提供直流偏置点。
72.所述信号输出转换单元3包括第三巴伦13，第四巴伦14，第三片上电容c3和第四片上电容c4；
73.第三巴伦13的初级线圈设有两个端口，所述第三巴伦13的初级线圈的端口与有源和差运算单元2的输出端相连，所述第三巴伦13的初级线圈中心抽头连接电源电压；
74.第四巴伦14的初级线圈设有两个端口，所述第四巴伦14的初级线圈的端口与有源和差运算单元2的另一输出端相连，所述第四巴伦14的初级线圈中心抽头连接电源电压；
75.第三巴伦13和第四巴伦14的次级线圈均设有两个端口，所述第三巴伦13的次级线圈的一个端口为差信号输出端，另一端口与第三片上电容c3串联后接地；所述第四巴伦14的次级线圈的一个端口为和信号输出端，另一端口与第四片上电容c4串联后接地。
76.第三巴伦13，第三片上电容c3，第五晶体管m5、第六晶体管m6、第九晶体管m9、第十的漏极寄生电容共同组成高阶谐振网络，完成差信号输出端宽带匹配；第四巴伦14，第四电容，第七晶体管m7、第八晶体管m8、第十一晶体管m11、第十二晶体管m12的漏极寄生电容共同组成高阶谐振网络，完成和信号输出端宽带匹配；晶体管可采用高电子迁移率晶体管。信号输出转换单元3实现电流信号到电压信号的转换，实现差信号b-a及和信号b a从差分到单端的转换，为有源和差运算单元2中的第五至第十二晶体管m5-m12的漏极提供直流偏置点。
77.所述有源和差运算单元2包括第一至第十二晶体管m1-m12、第一至第二片上电阻r1-r2；
78.所述第一巴伦11的次级线圈的一个端口与第一晶体管m1的栅极相连，另一个端口与第二晶体管m2的栅极相连；所述第二巴伦12的次级线圈的一个端口与第三晶体管m3的栅极相连，另一个端口与第四晶体管m4的栅极相连；
79.第一片上电阻r1的一端分别与第一晶体管m1和第二晶体管m2的源极相连，另一端与地连接；第二片上电阻r2的一端分别与第三晶体管m3和第四晶体管m4的源极相连，另一端与地连接；通过上述设置实现给第一至第四晶体管m1-m4提供自偏置电压。
80.所述第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4共源连接，用于对输入信号进行放大；
81.第五晶体管m5、第六晶体管m6、第七晶体管m7、第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11和第十二晶体管m12构成开漏共栅连接，用于产生电流和差信号，并将电流和差信号分别输入至第三巴伦13和第四巴伦14。
82.所述第五晶体管m5和第七晶体管m7的源极与第二晶体管m2的漏极相连；所述第六晶体管m6和第八晶体管m8的源极与第一晶体管m1的漏极相连；所述第九晶体管m9和第十二晶体管m12的源极与第四晶体管m4的漏极相连；所述第十晶体管m10和第十一晶体管m11的源极与第三晶体管m3的漏极相连；
83.所述第五晶体管m5和第九晶体管m9的漏极与第三巴伦13的初级线圈的一个端口相连；所述第六晶体管m6和第十晶体管m10的漏极与第三巴伦13的初级线圈的另一个端口相连；
84.所述第七晶体管m7和第十一晶体管m11的漏极与第四巴伦14的初级线圈的一个端口相连；所述第八晶体管m8和第十二晶体管m12的漏极与第三巴伦13的初级线圈的另一个端口相连；
85.所述第五至第十二晶体管m5-m12的栅极接入偏置电压。
86.有源和差运算单元2用于完成电流的求和、求差运算，将电压域运算转换为电流域运算，如图1所示，此时在c、d、e、f点的电流分别为i
b-ia，-(i
b-ia)，-(ib ia)，ib ia。每条支路的元器件完全相同、版图完全对称，从而保证幅度和相位一致性非常理想。
87.所述偏置电压产生单元4与有源和差运算单元2相连，用于为有源和差运算单元2提供直流偏置电压。
88.在上述技术方案中，所述偏置电压产生单元4包括第三至第十二片上电阻r3-r12，第三片上电阻r3的一端接入电源电压，另一端与第四片上电阻r4串联后接地；第三片上电阻r3与第四片上电阻r4构成分压网络，产生第五至第十二晶体管m5-m12栅极需要的直流电压；
89.第五片上电阻r5的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第五晶体管m5的栅极相连；第六片上电阻r6的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第六晶体管m6的栅极相连；第七片上电阻r7的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第七晶体管m7的栅极相连；第八片上电阻r8的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第八晶体管m8的栅极相连；第九片上电阻r9的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第九晶体管m9的栅极相连；第十片上电阻r10的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第十晶体管m10的栅极相连；第十一片上电阻r11的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第十一晶体管m11的栅极相连；第十二片上电阻r12的一端接至第三片上电阻r3和第四片上电阻r4之间，另一端与第十二晶体管m12的栅极相连。第五至第十二片上电阻r5-r12用于为第五至第十二晶体管m5-m12的栅极提供高阻，保证有源和差运算单元2的稳定性。
90.所述第一巴伦11、第二巴伦12、第三巴伦13和第四巴伦14均包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和次级线圈采用相同金属层，通过调整初级线圈和次级线圈的间距调节巴伦的耦合系数。
91.图2为有源片上和差器的输入端口与输出端口反射系数曲线，可以看到由于采用了耦合谐振匹配网络，该实施例能够在较宽的频段内获得优异的反射系数性能。图3为有源片上和差器的增益曲线，表现为正增益，从而避免了采用传统无源和差器所引入的插入损耗，并且整个工作频段内幅度一致性比较好，其失配主要是由于砷化镓工艺只提供两层金
属，走线上存在不可避免的微小不对称。图4给出了有源片上和差器的相位曲线，其相位曲线在整个频段具有非常好的一致性。图5给出了在两个20ghz等幅输入信号的情况下，和端口与差端口的功率随信号相位差的变化情况，可以看到在0度附近的零值深度非常深，而在
±
15
°
内依然具有约20db的零值深度，表现出极好的和差性能，并且由图3至图4的频率响应表明，在19-23ghz频段内的其他频点，该有源片上和差器也具有与20ghz相当的和差性能表现。该有源和差器采用5v电源电压，消耗约40ma电流，整个芯片尺寸仅为1mm
×
1mm。
92.通过以上原理和仿真分析可知，该有源片上和差器理论上各输入端口到输出端口的路径都完全相同，而不像无源和差器，信号到和端口和差端口的路径在理论上就不同，因此该有源片上和差器理论上可以做到幅度和相位一致性非常理想。
93.本技术的一些实施例提供了一种和差波束网络。
94.本发明第二个实施例提出了一种和差波束网络，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，包括如上述实施例提出的一种有源片上和差器，所述和差波束网络用于雷达或电子战系统中进行单脉冲测角。
95.在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
96.凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。