阅读说明：本技术 超宽带高精度差分衰减器 (Ultra-wideband high-precision differential attenuator ) 是由 尤肖虎 赵涤燹 顾鹏 张成军 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超宽带高精度差分衰减器,包括依次连接的第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元,所述的各差分衰减单元均由上下两个单端半电路以中心轴H对称构成。通过上述结构,本发明可以提升衰减器的高频工作能力、调幅精度、匹配性能以及双向工作的一致性,还可以提升衰减器的线性度,增强衰减器应用于高功率场景的能力,并且抑制共模干扰信号的影响,增强可靠性。(The invention discloses an ultra-wideband high-precision differential attenuator which comprises a first differential 8dB attenuation unit, a differential 0.5dB attenuation unit, a differential 4dB attenuation unit, a second differential 8dB attenuation unit, a differential 2dB attenuation unit, a differential 1dB attenuation unit and a third differential 8dB attenuation unit which are sequentially connected, wherein each differential attenuation unit is formed by an upper single-end half circuit and a lower single-end half circuit which are symmetrical by using a central shaft H. Through the structure, the high-frequency working capacity, the amplitude modulation precision, the matching performance and the consistency of bidirectional working of the attenuator can be improved, the linearity of the attenuator can be improved, the capacity of the attenuator applied to a high-power scene is enhanced, the influence of a common-mode interference signal is inhibited, and the reliability is enhanced.)

超宽带高精度差分衰减器

技术领域

本发明涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种超宽带高精度差分衰减器。

背景技术

近年来，新一代通信技术取得了快速发展，基于sub-6GHz频段的通信已经不能满足日益增长的带宽需求，因而基于6GHz以上的高频通信，如毫米波5G通信、宽带卫星通信等成为备受关注的发展方向。尽管高频通信可以提供大的带宽，但其存在的高损耗、低覆盖率的问题仍待解决。相控阵技术可以有效地弥补高频通信的高损耗、提升高频通信的覆盖能力，因而被广泛地使用于高频通信系统。通过多天线阵列和波束赋形技术，相控阵系统可以实现更高的输出功率以克服传播损耗；同时，可以根据用户的实时需求，调整波束的指向，提供灵活的信号覆盖。

相控阵系统的每个阵元需要一个幅度控制模块，一方面用来补偿各通道间的幅度偏差，另一方面用于波束赋形，以降低合成波束的旁瓣。典型的幅度控制模块有可变增益放大器和衰减器，其中可变增益放大器能够在调幅的同时提供一定的增益，但需消耗直流功率；相比之下，衰减器无直流功耗，是实现低功耗调幅的优选方案。

开关型衰减器主要由晶体管开关和电阻构成，具有尺寸小、控制简单的优点。通过级联多级衰减单元，开关型衰减器可以实现较大范围的幅度调节。然而，开关型衰减器的性能受限于工艺中晶体管的性能。在低频时，由于晶体管寄生参数的影响并不显著，衰减器通常能实现较好的性能。但到了高频(例如，毫米波频段)，晶体管的寄生参数将恶化衰减器的性能，因而限制了其在高频的应用。同时，随着衰减单元的衰减值增大，晶体管的寄生参数产生的影响将变大，因此在高频段实现大范围的衰减成为一个设计挑战。此外，现有的设计中常采用单端结构的衰减器，尽管其线性度好于有源的可变增益放大器，但在高功率的应用场景下，其线性度依然需要进一步的提升；并且，在各模块均为差分结构的电路系统中，单端结构的衰减器将不适合被级联到链路中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带高精度差分衰减器，能够提升衰减器的线性度，增强了衰减器应用于高功率场景的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了衰减器的可靠性，整体提升衰减器在高频的工作能力，提升衰减器的匹配性能、调幅精度以及双向工作的一致性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超宽带高精度差分衰减器，包括依次连接的第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元，所述的各差分衰减单元均由上下两个单端半电路以中心轴H对称构成。

进一步的是，所述差分0.5dB衰减单元和差分1dB衰减单元采用差分简化式T型结构，差分2dB衰减单元和差分4dB衰减单元采用差分电容补偿式T型结构，第一差分8dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元采用差分电容补偿式Π型结构。

进一步的是，所述第一差分8dB衰减单元、差分0.5dB衰减单元、差分4dB衰减单元、第二差分8dB衰减单元、差分2dB衰减单元、差分1dB衰减单元和第三差分8dB衰减单元包括上侧衰减单元(100、200、300、400、500、600、700)和下侧衰减单元(110、210、310、410、510、610、710)。

进一步的是，第一差分8dB衰减单元(100、110)、第二差分8dB衰减单元(400、410)和第三差分8dB衰减单元(700、710)的器件尺寸相同，所述第一差分8dB衰减单元(100、110)和第三差分8dB衰减单元(700、710)使用相同的控制信号。

进一步的是，所述差分简化式T型结构由两个相同的单端简化式T型结构构成，其单端半电路(200、600)由第一晶体管(201、601)和第一电阻(202、602)组成，其中：第一晶体管(201、601)的栅极接数字控制电压，漏极接第一电阻(202、602)的一端，源极与另一单端半电路(210、610)相接；第一电阻(202、602)的另一端连接于信号通路上。

进一步的是，所述差分电容补偿式T型结构由两个相同的单端电容补偿式T型结构构成，其单端半电路(300、500)由第二晶体管(301、501)、第二电阻(303、503)、第一电容(302、502)、第三电阻(304、504)、第四电阻(305、505)及第三晶体管(306、506)组成，其中：第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)并联，第二晶体管(301、501)的栅极接数字控制电压，漏极接第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)的一个公共端，源极与另一单端半电路(310、510)相接；第二电阻(303、503)和第一电容(302、502)的另一个公共端分别接第三电阻(304、504)的一端和第四电阻(305、505)的一端，第三电阻(304、504)的另一端和第四电阻(305、505)的另一端分别连接于信号通路上；第三晶体管(306、506)的栅极接数字控制电压，漏极和源极分别连接于信号通路上。

进一步的是，差分电容补偿式Π型结构由两个相同的单端电容补偿式Π型结构构成，其单端半电路(100、400、700)由第四晶体管(101、401、701)、第五晶体管(102、402、702)、第五电阻(103、403、703)、第六电阻(104、404、704)、第二电容(105、405、705)、第三电容(106、406、706)、第七电阻(107、407、707)和第六晶体管(108、408、708)组成，其中：第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)并联，第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)并联；第四晶体管(101、401、701)的栅极接数字控制电压，漏极接第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的一个公共端，源极与另一单端半电路(110、410、710)相接；第五晶体管(102、402、702)的栅极接数字控制电压，漏极接第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的一个公共端，源极与另一单端半电路(110、410、710)相接；第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的另一个公共端、第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的另一个公共端分别连接于信号通路上，第五电阻(103、403、703)和第二电容(105、405、705)的另一个公共端、第六电阻(104、404、704)和第三电容(106、406、706)的另一个公共端之间还串接第七电阻(107、407、707)；第六晶体管(108、408、708)的栅极接数字控制电压，漏极和源极分别连接于信号通路上。

进一步的是，第一差分8dB衰减单元(100、110)、差分0.5dB衰减单元(200、210)、差分4dB衰减单元(300、310)、第二差分8dB衰减单元(400、410)、差分2dB衰减单元(500、510)、差分1dB衰减单元(600、610)和第三差分8dB衰减单元(700、710)中相邻两者之间插入第一至第十六电感(800、801、802、803、804、805、806、807、900、901、902、903、904、905、906、907)来进行阻抗匹配。

本发明的有益效果是：本发明的一种超宽带高精度差分衰减器，具有以下优点:

第一，本发明提出了一种差分衰减器结构，一方面，提升了衰减器的线性度，增强了衰减器应用于高功率场景的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了衰减器的可靠性；

第二，本发明通过联合控制两个8dB单元来实现16dB的衰减效果，避免了直接使用16dB的衰减单元，整体上提升了衰减器在高频的工作能力；

第三，基于简化式T型、电容补偿式T型、电容补偿式Π型衰减结构，本发明提供了一种适用于大调幅范围(例如，20dB以上)的衰减结构的选择和排列方法，可以提升衰减器的匹配性能、调幅精度以及双向工作的一致性。

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中记载的一些实施例，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是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的电路结构示意图；

图2是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的6比特幅度调节的结果；

图3是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的调幅均方根误差的结果；

图4是本发明的一种超宽带高精度差分衰减器的调幅附加相位的结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的超宽带高精度差分衰减器涉及的应用领域包括：卫星通信、毫米波5G通信、相控阵系统等。

实施例1，请参阅图1至图4，本发明实施例包括：本发明提供了一种超宽带高精度差分衰减器结构，包括由单端8dB衰减单元100和110构成的第一差分8dB衰减单元，由单端0.5dB衰减单元200和210构成的差分0.5dB衰减单元，由单端4dB衰减单元300和310构成的差分4dB衰减单元，由单端8dB衰减单元400和410构成的第二差分8dB衰减单元，由单端2dB衰减单元500和510构成的差分2dB衰减单元，由单端1dB衰减单元500和510构成的差分1dB衰减单元以及由单端8dB衰减单元700和710构成的第三差分8dB衰减单元，共可覆盖31.5dB的调幅范围，调幅步进为0.5dB。其中，上侧衰减单元100、200、300、400、500、600、700与下侧衰减单元110、210、310、410、510、610、710相同且关于中心轴H对称。相比于现有的单端结构的衰减器，本发明提供的差分衰减器提升了线性度，抑制了共模干扰，增强了衰减器的可靠性。

基于简化式T型、电容补偿式T型、电容补偿式Π型衰减结构，本发明提供了一种适用于大调幅范围(以31.5dB为例)的衰减结构的选择和排列方法，如图1所示。具体而言：

0.5dB衰减单元200、210和1dB衰减单元600、610采用简化式T型结构。以衰减单元200为例，该结构由晶体管201和电阻202组成。其中晶体管201的栅极接数字控制电压，当控制电压为低电平时，晶体管201关断，信号直接输出而不被衰减，此时衰减单元工作在参考状态；当控制电压为高电平时，晶体管201导通，信号被晶体管201和电阻202组成的衰减网络衰减，此时衰减单元工作在衰减状态。通过切换数字控制电压，可以实现0.5dB的幅度切换。

2dB衰减单元500、510和4dB衰减单元300、310采用电容补偿式T型结构。以衰减单元300为例，该结构由晶体管301、306、电阻303、304、305以及电容302组成。其中晶体管301和306的栅极接数字控制电压，用于切换衰减状态。在参考状态下，晶体管301关断，晶体管306导通，信号从晶体管306通过而不被衰减；在衰减状态下，晶体管301导通，晶体管306关断，信号被电阻303、304和305构成的T型网络衰减。电容补偿由电容302实现，以提升衰减器的高频性能、降低调幅附加相位。

8dB衰减单元100、110、400、410、700、710采用电容补偿式Π型结构。以衰减单元100为例，该结构由晶体管101、102、108、电阻103、104、107以及电容105、106组成。其中晶体管101、102、108的栅极接数字控制电压，用于切换衰减状态。在参考状态下，晶体管101、102关断，晶体管108导通，信号从晶体管108通过而不被衰减；在衰减状态下，晶体管101、102导通，晶体管108关断，信号被电阻103、104和107构成的Π型网络衰减。电容补偿由电容105、106实现，以提升衰减器的高频性能、降低调幅附加相位。

由于晶体管寄生电容的影响，单个衰减单元实现的大范围衰减器(例如，16dB衰减器)的性能将变差，其最高工作频率将受限、调幅附加相位将变大。因此，本发明中通过联合控制8dB衰减单元100、110、700、710来实现16dB的衰减效果，避免了直接使用单个16dB衰减单元，可以提升衰减器的最高工作频率，降低衰减器的调幅附加相位。

各衰减单元的排列方式如图1所示。其中，联合控制的8dB衰减单元100、110以及8dB衰减单元700、710分别位于靠近输入端和输出端的位置，0.5dB衰减单元200、210，4dB衰减单元300、310，8dB衰减单元400、410，2dB衰减单元500、510以及1dB衰减单元600、610依次排列。此外，在输入端、输出端以及各衰减单元之间插入电感800～807和900～907用于与各衰减单元的容性阻抗谐振，以实现阻抗匹配。此排列方式优化了衰减器的阻抗匹配性能，从而提高了衰减器的调幅精度；同时也确保了衰减器双向工作的一致性。

图2是超宽带差分衰减器的6比特幅度调节的结果。在10–50GHz的频率范围内，衰减器均能够实现范围为31.5dB、步进为0.5dB的幅度调节，意味着本发明实现了超宽带的调幅性能。同时，该衰减器实现了低损耗，在10–50GHz，损耗由4.4dB增加到7.0dB。

图3是超宽带差分衰减器的调幅均方根误差的结果。在10–50GHz的频率范围内，该衰减器的RMS调幅误差均低于0.32dB，表明本发明实现了超宽带的高精度幅度调节。

图4是超宽带差分衰减器的调幅附加相位的结果。在10–50GHz的频率范围内，最大调幅附加相位约为18.6°。

本发明的一种超宽带高精度差分衰减器，具有以下优点:

第一，本发明提出了一种差分衰减器结构，一方面，提升了衰减器的线性度，增强了衰减器应用于高功率场景的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了衰减器的可靠性；

第二，本发明通过联合控制两个8dB单元来实现16dB的衰减效果，避免了直接使用16dB的衰减单元，整体上提升了衰减器在高频的工作能力；

第三，基于简化式T型、电容补偿式T型、电容补偿式Π型衰减结构，本发明提供了一种适用于大调幅范围(例如，20dB以上)的衰减结构的选择和排列方法，可以提升衰减器的匹配性能、调幅精度以及双向工作的一致性。

此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。