一种基于矢量合成的毫米波移相器
阅读说明：本技术 一种基于矢量合成的毫米波移相器 (Millimeter wave phase shifter based on vector synthesis ) 是由 徐兴福 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于矢量合成的毫米波移相器,该毫米波移相器包含小型化90°耦合器、小型化180°移相调制器和矢量加法器,小型化90°耦合器将信号分为正交两路后进入小型化180°移相调制器和矢量加法器,通过外部控制相位调制器的工作状态实现对信号所处象限的选择,最后信号在矢量加法器内完成全范围高精度移相功能。本发明有益效果：本发明的基于矢量合成的毫米波移相器,既可以规避现有毫米波移相器采用的无源结构和有源结构的缺陷,又能缩小芯片面积,同时版图布置灵活,控制信号简单,可广泛应用于微波毫米波相控阵芯片中,具有良好的应用前景。(The invention discloses a millimeter wave phase shifter based on vector synthesis, which comprises a miniaturized 90-degree coupler, a miniaturized 180-degree phase shift modulator and a vector adder, wherein the miniaturized 90-degree coupler divides a signal into two orthogonal paths and then enters the miniaturized 180-degree phase shift modulator and the vector adder, the quadrant where the signal is located is selected by externally controlling the working state of the phase modulator, and finally the signal completes the full-range high-precision phase shift function in the vector adder. The invention has the beneficial effects that: the millimeter wave phase shifter based on vector synthesis can avoid the defects of a passive structure and an active structure adopted by the conventional millimeter wave phase shifter, can reduce the area of a chip, is flexible in layout arrangement and simple in control signal, can be widely applied to microwave millimeter wave phased array chips, and has good application prospect.)
技术领域
本发明属于基本电子电路的技术领域，具体涉及一种基于矢量合成的毫米波移相器。
背景技术
在电子对抗和无线通信雷达中，为了实现波束控制与赋形，相控阵系统应用极为广泛。近年来随着频谱资源越来越紧张，毫米波频段相控阵芯片成为国内外的研究热点。毫米波频段有源相控阵技术的发展对天线波束控制的精度要求不断提高，因此高精度微波毫米波移相器在现代相控阵电子系统中扮演着越来越重要的角色，同时也吸引了各行业的研究。
毫米波移相器是一种对工作中毫米波频段的二端口网络的传输信号的相位进行调控的器件。传统射频微波半导体移相器常采用开关延迟线型，开关高低通滤波器级联型，电桥反射式等无源结构，制备半导体移相器的固态半导体工艺在国内外相关的应用已比较成熟，但是随着应用频率的进一步提高，传统移相器结构在毫米波频段由于其寄生参数的影响使得其损耗加大。
基于切换无源网络来实现相位控制需要的相移电路结构，常需级联多个移相位电路控制单元来实现多位高精度的数字移相器，但是由于电路级间反射会导致设计结果不理想，且该类集成度低，损耗大，占用芯片面积大。如申请号CN200710144428.3名称为“锯齿形共面波导结构的毫米波MEMS移相器”的专利(哈尔滨工业大学，吴群等提出一种毫米波MEMS移相器相器)提出一种延迟线加MEMS开关的移相器，采用二选一开关电路切换这延迟线的路径信号实现不同相位步进的移相。该电路采用延迟线可以精确得到毫米波的相位进而实现高精度相位控制，但由于采用了共面波导延迟线其面积较大，特别是当采用该结构实现多位移相器时，并不能较好地应用于芯片级的毫米波移相器设计。在专利公开号为CN102273005B名称为“整合式毫米波移相器及其方法”的专利(A·瓦尔德斯伽西亚,H·克里希纳斯瓦米,A·S·纳塔拉詹)中采用无源耦合器加载可变电容串联的方式实现了毫米波360°移相，其中耦合器采用了弯曲式结构，缩小了移相器的面积(但相对于有源矢量求和移相器面积仍然较大)，其采用了变容二极管加载在耦合器尾端来实现信号发射叠加进而实现相位的控制，但是由于变容二极管寄生参数的影响，使得该结构的插入损耗在毫米波频段往往较高。
为了解决大范围高精度移相的同时降低移相器损耗，基于有源矢量合成的移相方案近年来被陆续研究。有源移相器具备损耗补偿的特点，其结构的提出相对较晚，2007年美国加州大学圣迭戈分校的kwang-Jin Koh课题组提出了采用矢量合成原理的4位有源移相器的原理构想与电路实例，该结构不仅仅适合于高集成度的标准硅基工艺，还具备移相器插入损耗补偿的特性，在后续的有源移相器的研究中也多围绕该拓扑结构展开。申请号为2017111442305名称为“基于有源和无源相结合的X波段5位移相器”的专利(西安电子科技大学，李振荣等)提出一种X波段5位移相器，采用开关滤波器结构实现小位移相，后级通过有源巴伦、差分缓冲器和正交信号发生器产生正负两个同相信号和正负两个正交信号，采用四选一开关电路切换这四路信号实现90°步进的大位移相。该电路结合了有源和基于高低通级联的无源移相结构，通过开关滤波器结构实现45°以下的小位移相，但该移相器集成了无源结构，导致芯片面积较大。在申请号为CN201811541370名称为“有源无源混合型微波移相器”(中国电子科技集团公司第五十五研究所，浦鈺钤等)采用了有源无源混合型微波移相器，利用巴伦将输入信号分成两路差分信号，然后通过正交信号发生器将信号分成四路正交信号，最后通过矢量加法器实现信号在全频段高精度移相。该移相器采用矢量叠加可以实现高精度移相，但是在前端采用了无源移相器部分(该专利的实例中，11.25°，22.5°，45°均采用无源移相器)以及巴伦和正交信号发生器(采用四选一开关电路，切换这四路信号实现90°步进的大位移相)，因此输入到矢量叠加器的单路幅值必然远小于输入信号幅值，这在微波，特别是毫米波频段的应用显得十分不利，一方面前端无源器件会降低信号幅值引入噪声，另外一方面过小的信号幅值不利于矢量加法器的正常工作。
发明内容
本发明针对上述背景技术的不足，本发明提供了结构简单的基于矢量合成技术的毫米波移相器，充分利用小型化90°耦合器产生正交信号，同时利用小型化180°移相调制器实现对正交信号的0°/180°移相，相对于传统需要四路信号叠加(四选一开关与加法器结合)的矢量叠加移相器方案本发明仅需两路即可实现矢量叠加。在紧凑的电路版图上加以简单的控制信号即可实现多位高精度移相，解决了现有有源无源混合移相器的电路版图随移相位数的增加而损耗增大，以及移相控制信号复杂的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案。
本发明提供的一种基于矢量合成的毫米波移相器包含小型化90°耦合器、小型化180°移相调制器以及矢量加法器。
小型化90°耦合器采用上下双层结构，利用电磁耦合实现相位相差90°输出，本发明的小型化90°耦合器相较于传统的朗格耦合器或者3dB的90°电桥可以使得占用面积更小，更利于芯片集成。信号经过小型化90°耦合器后分成两路正交信号，然后通过小型化180°移相调制器进入矢量加法器，小型化180°移相调制器基于上下双层结构，利用电磁耦合以及负载开关的关断状态，实现不同调制信号相位相差180°输出，即可以实现信号相对相位0°/180°以及90°/270°的产生并进入矢量加法器，进而实现对传统的四路开关选择的电路路径的减少，从而进一步提高芯片集成度。针对矢量加法器，采用简单的一组晶体管实现，利用外部数字控制电路控制晶体管的流经电流来实现对信号幅度的加权，结合小型化180°移相调制器的状态实现信号象限的选择，进而达到信号的矢量合成，最终实现毫米波移相器。
优选的，小型化90°耦合器采用简化的采用上下双层结构，利用电磁耦合实现相位相差90°输出。
优选的，小型化180°移相调制器基于上下双层结构，利用电磁耦合以及负载开关的关断状态，实现不同调制信号相位相差180°输出。
优选的，通过一对共源或者共射晶体管的工作电流大小的控制，实现对信号幅度的控制。
优选的，结合小型化180°移相调制器的状态，实现对两路信号在不同象限矢量求和，进而通过较为简单的电路结构实现高精度，大移相范围的毫米波移相器。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器，优化了基于现有有源移相器的毫米波移相器的架构，利用小型化180°相位调制器实现了两路信号即可实现相位矢量求和，达到最终的移相效果，进而减小了原有四路开关选择电路的复杂度，采用数字控制部分对小型化180°移相调制器和矢量加法器的控制，即可灵活地实现对毫米波信号相位的控制。
(2)本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器中的小型化90°耦合器，采用上下双层电磁耦合结构，利用螺旋结构加强耦合，在实现缩小面积的同时也实现了两路信号相位相差90°输出，进而使得版图更小，布置更为灵活，电路版图不随移相位数要求的提高而扩大。
(3)本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器中的小型化180°移相调制器，利用螺旋耦合线负载加载开关晶体管实现相位的调制，进而实现了最终信号所处象限，同时优化了传统四路正交信号以及开关选择电路，本申请公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器能耗小，面积小。
(4)本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器，通过外部电路控制矢量加法器的工作电流，进而控制信号的幅度实现最终信号的矢量求和，控制信号简单，芯片集成度高。
总体而言，本发明提供的一种基于矢量合成的毫米波移相器，规避现有毫米波无源结构和有源结构的缺陷，减小了矢量求和的复杂度，缩小了芯片版图面积，芯片版图布局灵活，外部控制信号简单，芯片集成度高，在毫米波频段可以实现高精度的多位移相器，整体电路的功率和噪声性能适中，可广泛应用于微波毫米波相控阵芯片中，具有应用方便，芯片在毫米波频段的移相应用中具备通用性，有较好的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器的原理框图；
图2是本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器,当信号在第二象限矢量求和的示意图；
图3是本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器,当信号在第三象限矢量求和的示意图；
图4是本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器,当信号在第四象限矢量求和的示意图；
图5是本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器,当信号在第一象限矢量求和的示意图；
图6是本发明公开的一种基于矢量合成的毫米波移相器,当信号在矢量求和的最终效果示意图；
图7是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的中提出的小型化90°耦合器；
图8是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的中提出的小型化180°相位调制器；
图9是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的中提出的结构简单的矢量加法器；
图10是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的移相效果图；
图11是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的相位控制效果图；
图12是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的端口2的回波损耗效果图；
图13是本发明实施例中一种基于矢量合成的毫米波移相器的插入损耗效果图；
图14是传统典型的基于矢量叠加原理的毫米波移相器架构；
图15是本发明的最终电路原理效果图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明申请文件之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明主要采用了所提出的小型化90°耦合器，所提出的小型化180°移相调制器以及结构简单的带有幅度调控的矢量加法器组成。
本发明的基本原理是：当毫米波信号进入移相器二端口网络后，首先进入小型化90°耦合器将信号分为等幅且相位正交的两路信号，然后两路信号进入小型化180°移相调制器调制的电路，即可在矢量加法器之前产生相对相位为0°，90°，180°，270°的四种状态(即信号通过小型化180°移相调制器后进入矢量加法器前，根据外部电路需要可以有00,01,10,11四种状态)。如图2所示，当信号进入小型化90°耦合器后有oa和ob两条传输路径，当两路小型化180°移相调制器调制的工作状态为01时(此时oa路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为0度，ob路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为180°)，通过调节矢量加法器的幅度，可以是实现信号在第2象限工作；如图3所示，当两路小型化180°移相调制器调制的工作状态为11时(此时oa路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为180°，ob路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为180°)，通过调节矢量加法器的幅度，可以是实现信号在第3象限工作；如图4所示，当两路小型化180°移相调制器调制的工作状态为10时(此时oa路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为180°，ob路径的180°移相调制器相对相位变化为0°)，通过调节矢量加法器的幅度，可以是实现信号在第4象限工作；如图5所示，当两路小型化180°移相调制器调制的工作状态为10时(此时oa路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为0°，ob路径的小型化180°移相调制器相对相位变化为0°)，通过调节矢量加法器的幅度，可以是实现信号在第1象限工作；最终，如图6所示，信号经过小型化90°耦合器，小型化180°移相调制器以及矢量加法器后，能够实现在全象限工作，即可实现毫米波高精度移相。
进一步地，如图7所示，为了提高毫米波芯片的集成度，本发明提出一种小型化90°耦合器结构。相对于传统的毫米波90°朗格耦合器或者毫米波90°电桥，本发明采用螺旋结构以及电磁混合耦合实现了紧凑的小型化90°耦合器。为了提高电路Q值，减小损耗，该结构采用顶层金属6以及次顶层金属5来实现耦合器主体结构，信号从输入口1进入后，直通到输出口3以及耦合到输出口2，其中输出口3与输出口2输出信号幅度相等，相位相差90°，隔离口4采用50欧姆电阻接到地。
进一步地，如图8所示，为了提高毫米波芯片的集成度以及象限选择，本发明提出一种基于负载加载晶体管反射式相位调制电路结构进而实现小型化180°移相调制器，通过控制负载加载端口接入的开关晶体管的开关状态实现对相位的调制。为了提高电路集成度，本法发明采用螺旋式顶层金属11和螺旋式次顶层金属12实现信号的电磁混合耦合，在第一端口9与第二端口10加载MOS开关管13与开关管14，开关管14通过第一高阻电阻15与第二高阻电阻16接到外部数字控制电压，通过控制开关管14的不同状态，进而实现对信号从第三端口7传输到第四端口8的相位的调控。
进一步地，如图9所示，为了实现对信号的矢量求和，本发明提出一种结构简单的求和电路结构，通过控制求和电路晶体管的供电电压实现对信号幅度的控制，进而实现对信号的矢量加权实现移相器功能。当信号通过第五端口19与第六端口20进入矢量加法器，在第一端口9与第二端口10加载MOS开关管13与开关管14，开关管14通过第一高阻电阻15与第二高阻电阻16接到外部数字控制电压，通过控制开关管14的不同状态，进而实现对信号从第三端口7传输到第四端口8的相位的调控。
进一步的，本发明的实施例最终电路原理效果如图15所示，采用某商业化65nmCMOS工艺，利用顶层金属6与次顶层金属5实现耦合器，调制器的电磁混合耦合部分。如图10所示，本实例中的小型化180°移相调制器实现了大于360°的大范围移相，通过控制小型化180°移相调制器的工作状态，可以实现不同相位的切换使其进入不同象限，然后利用矢量加法器的控制电压控制矢量信号的不同幅度进而实现小范围高精度移相。如图11所示，为本实例中毫米波移相器在各个状态下的输入端口反射系数。如图12所示，为本实例中毫米波移相器在各个状态下的输出端口反射系数。如图13所示，为本实例中毫米波移相器在各个状态下的输出端口插入损耗。
以上实例仅为本发明技术方案所能实现的一种基于矢量合成的毫米波移相器，本领域技术人员可以根据移相位数，芯片尺寸的要求，灵活地选择无源器件和有源器件，进而实现其它高精度小型化的毫米波移相器。
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