超寬帶高線性度有源移相器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了超寬帶高線性度有源移相器，包括蘭格耦合器、超寬帶放大器、矢量合成放大器、有源巴倫和數摸轉換器；其特征在于：射頻信號輸入蘭格耦合器，所述蘭格耦合器產生寬帶正交的I路與Q路信號，分別輸出到I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器，I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器分別對蘭格耦合器輸出的信號進行放大，生成幅度相等的四路正交信號輸出到矢量合成放大器；矢量合成放大器接收數模轉換器輸出的相位和幅度控制信號以及象限選擇控制信號，對I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器輸出的幅度相等的四路正交信號進行信號合成和相位、象限選擇后，輸出I路與Q路移相信號到有源巴倫，有源巴倫對移相信號進行阻抗匹配后輸出。
【專利說明】超寬帶高線性度有源移相器
【技術領域】
[0001]本發明涉及移相器，具體涉及超寬帶高線性度有源移相器。
【背景技術】
[0002]移相器是一種主要用于電子對抗雷達、數字移動通信、微波毫米波通信等電子通信系統中的關鍵元器件，其功能是將輸入信號的相位進行一定值的移相后進行輸出；移相器主要分為無源移相器與有源移相器兩種，其中無源移相器具有高線性、低功耗等優點，但是無源移相器面積較大而無法大規模集成，且不能寬帶應用；有源移相器具有高集成度、寬帶等優點，是未來硅基相控陣雷達應用的主流方向。但傳統有源移相器最主要的問題是線性度較差，這給有源移相器的應用帶來瓶頸。微波/毫米波頻段的移相器長期采用III/ V族半導體進行設計，此種移相器集成度低，不能滿足小型化的要求；采用硅基設計雷達系統具有小型化的特點，但目前采用硅基設計的移相器電氣指標較差，并不能滿足電子系統要求。
[0003]現在電子對抗雷達系統對移相器的要求是高線性度、超寬帶、高集成度；在電子對抗雷達應用中，較強的干擾信號會導致雷達系統失效，為了提高電子對抗雷達的系統的抗干擾能力，提高移相器的線性度是必然之選；寬帶應用甚至超寬帶應用是未來雷達發展的重要方向之一；與此同時，為了減小雷達系統體積，增加雷達系統集成度，提高雷達系統可靠性，必須使用大規模集成芯片，將一個甚至多個雷達接收/發射通道集成在一個硅片上；因此，設計發明硅基大規模集成超寬帶高線性度有源移相器具有非常重要的工程價值。
[0004]現有的有源移相器的技術方案如圖1，射頻信號經過有源巴倫轉為差分信號后，經正交移相網絡輸出四路正交信號，然后經模擬加法器進行幅度合成，數模轉換器通過控制模擬加法器中Ι/Q路的信號幅度進而控制相位合成輸出，通過5位數模轉換器便能實現5位移相功能。該方案采用正交移相網絡產生四路正交信號，為了實現超寬寬帶范圍的高精度正交移相，正交移相網絡的輸入阻抗較低，但是前級有源巴倫不能驅動如此低的阻抗，特別是在高頻處，過低的負載阻抗會導致信號提前壓縮，從而不能實現高線性的信號驅動放大。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供超寬帶高線性度有源移相器。
[0006]本發明的技術方案是，超寬帶高線性度有源移相器，包括蘭格耦合器、超寬帶放大器、矢量合成放大器、有源巴倫和數摸轉換器；其特征在于:射頻信號輸入蘭格耦合器，所述蘭格耦合器產生寬帶正交的I路與Q路信號，分別輸出到I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器，I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器分別對蘭格耦合器輸出的信號進行放大，生成幅度相等的四路正交信號輸出到矢量合成放大器；矢量合成放大器接收數模轉換器輸出的相位和幅度控制信號以及象限選擇控制信號，對I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器輸出的幅度相等的四路正交信號進行信號合成和相位、象限選擇后，輸出I路與Q路移相信號到有源巴倫，有源巴倫對移相信號進行阻抗匹配后輸出。[0007]本發明電路結構簡單，性能優，由于采用的蘭格耦合器的工作帶寬非常寬，一般能達到3倍頻，且輸出IQ信號的相位誤差與幅度誤差極低，一致性高，且不受工作頻率的限制，因此采用此結構的移相器能夠實現寬帶、高線性度、高移相精度的360度移相；超寬帶放大器設置在矢量合成放大器與蘭格耦合器之間，避免矢量合成放大器阻抗的變化對蘭格率禹合器輸出相位與幅度造成干擾；通過矢量合成放大器實現I路與Q路信號的合成，在同一狀態下可以實現O至90移相；同時，通過數模轉換器控制矢量合成放大器的電壓差值，實現象限選擇，保證輸出O至360度范圍內的移相信號；通過數模轉換器對矢量合成放大器輸出信號的相位和幅度進行控制，實現了數控移相器功能；并且，巴倫的工作帶寬非常寬，且兩個輸出信號的相位誤差與幅度誤差極低，一致性高且不受工作頻率的限制，因此本發明能夠實現寬帶、高線性度、高移相精度的360度移相。
[0008]根據本發明所述的超寬帶高線性度有源移相器的一種優選方案，所述矢量合成放大器包括第九開關管至第二十開關管，第九開關管與第十二開關管的基極相互連接，第十開關管與第十一開關管的基極相互連接，第十三開關管與第十六開關管的基極相互連接，第十四開關管與第十五開關管的基極相互連接，它們的基極輸入電壓均由數模轉換器進行控制；第九、第十一、第十四、第十六開關管的集電極相連接，并輸出移相信號到有源巴倫；第十、第十二、第十三、第十五開關管的集電極相連接，并輸出移相信號到有源巴倫；第九開關管與第十開關管的發射極同時連接第十七開關管的集電極，第十二開關管與第十一開關管的發射極同時連接第十八開關管的集電極，第十三開關管與第十四開關管的發射極均連接第十九開關管的集電極，第十六開關管與第十五開關管的發射極均連接第二十開關管的集電極，第十七開關管與第十八開關管的基極相互連接，第十九開關管與第二十開關管的基極相互連接，第十七開關管至第二十開關管的基極輸入電壓由數模轉換器進行控制；第十七開關管至第二十開關管的發射極分別接收I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器輸出的信號。
[0009]該矢量合成放大器設計巧妙，結構簡單，實現了 I路與Q路信號的合成，通過控制第十七開關管至第二十開關管的基極電壓，在同一狀態下可以實現O?90移相，同時通過控制第九開關管至第十六開關管的基極電壓差值，可以實現象限選擇，因此可以輸出O?360度范圍內的移相信號。
[0010]根據本發明所述的超寬帶高線性度有源移相器的一種優選方案，I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器均設置有恒流接收端，恒流接收端接收的電流由恒流源提供，達到對超寬帶放大器增益控制。
[0011]根據本發明所述的超寬帶高線性度有源移相器的一種優選方案，所述蘭格耦合器采用片上蘭格耦合器，該片上蘭格耦合器的射頻輸入端、射頻輸出端、耦合端和隔離端均設置在芯片頂層，在芯片的次頂層且與射頻輸入端、射頻輸出端、耦合端和隔離端上下對應部位分別設置有端一、端二、端三和端四；
[0012]所述射頻輸入端通過芯片頂層的第一金屬線與射頻輸出端連接，耦合端通過芯片頂層第二金屬線與隔離端連接；在芯片的次頂層且分別與第一金屬線和第二金屬線上下對應部位設置有第七金屬線和第八金屬線，第八金屬線連接端三和端四，第七金屬線連接端
一和端二 ；
[0013]所述射頻輸入端還通過第一通孔連接到芯片第四層的第三金屬線前端，第四層的第三金屬線的尾端通過第三通孔連接端三；
[0014]所述耦合端還通過第四通孔連接到芯片第三層的第四金屬線尾端，第三層的第四金屬線前端通過第二通孔與端一連接；
[0015]所述隔離端還通過第五通孔連接到芯片第四層的第五金屬線前端，第四層的第五金屬線的尾端通過第七通孔連接端二；
[0016]所述射頻輸出端還通過第八通孔連接到芯片第三層的第六金屬線尾端，第三層的第六金屬線前端通過第六通孔與端四連接。
[0017]該方案采用兩層金屬互相耦合的方法，通過互相耦合達到一定的耦合系數，使得片上蘭格耦合器面積減小，且耦合端口與射頻輸出端口距離較近，有利于兩路IQ信號輸出到下一級超寬帶放大器中。采用該片上蘭格耦合器，解決了硅基移相器特別是微波/毫米波頻段移相器電氣指標差的難題，為雷達系統單片化、小型化提供了可實現性。
[0018]本發明所述的超寬帶高線性度有源移相器的有意效果是:本發明電路結構簡單，成本低、體積小、效率高、性能優，抗干擾能力強，能夠實現寬帶、高線性度、高移相精度的360度移相，具有數控移相器功能；解決了硅基移相器特別是微波/毫米波頻段移相器電氣指標差的難題，為雷達系統單片化、小型化提供了可實現性，可廣泛應用在電子對抗雷達、數字移動通信、微波毫米波通信等電子通信系統中具有良好的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是現有的移相器的原理框圖。
[0020]圖2是超寬帶高線性度有源移相器的原理框圖。
[0021]圖3是I路超寬帶放大器和Q路超寬帶放大器電路圖。
[0022]圖4是矢量合成放大器4的電路圖。
[0023]圖5是本發明所述的片上蘭格耦合器的俯視圖。
[0024]圖6是本發明所述的片上蘭格耦合器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]參見圖2，超寬帶高線性度有源移相器，包括蘭格耦合器1、超寬帶放大器、矢量合成放大器、有源巴倫6和數摸轉換器7 ;其特征在于:射頻信號輸入蘭格耦合器1，所述蘭格耦合器產生寬帶正交的I路與Q路信號，分別輸出到I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3，I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3分別對蘭格耦合器I輸出的信號進行放大，生成幅度相等的四路正交信號I+、1-、Q+、Q-輸出到矢量合成放大器4 ;矢量合成放大器4接收數模轉換器7輸出的相位和幅度控制信號以及象限選擇控制信號，對I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3輸出的幅度相等的四路正交信號I+、1-、Q+、Q-進行信號合成和相位、象限選擇后，輸出I路與Q路移相信號到有源巴倫6，有源巴倫6對移相信號進行阻抗匹配后輸出。
[0026]在具體實施例中，I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3的電路圖參見圖3 ；開關管Q5、Q6和電阻R5構成偏置電路,開關管Ql、Q2構成共射共基放大器；蘭格稱合器I輸出的信號分別通過電容Cl、C2接入，I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3分別設置有恒流接收端Ibias-1、Ibias-Q,恒流接收端接收的電流由恒流源提供,達到對超寬帶放大器增益控制；超寬帶放大器將IQ輸入信號進行放大處理，I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3都保持同等的工作狀態，輸出四路幅度相等的正交信號I+、1-、Q+、Q-,同時，實現矢量合成放大器與蘭格耦合器之間的隔離。
[0027]在具體實施例中，矢量合成放大器4的電路圖如圖4，I路、Q路I路、Q路矢量合成放大器包括開關管Q9?Q20，具體為第九開關管Q9與第十二開關管Q12的基極相互連接，第十開關管QlO與第十一開關管Qll的基極相互連接，第十三開關管Q13與第十六開關管Q16的基極相互連接，第十四開關管Q14與第十五Q15開關管的基極相互連接，它們的基極輸入電壓均由數模轉換器7進行控制；第九、第十一、第十四、第十六開關管的集電極相互連接，并輸出信號到有源巴倫6;第十、第十二、第十三、第十五開關管的集電極相互連接，并輸出信號到有源巴倫6 ;第九開關管Q9與第十開關管QlO的發射極同時連接第十七開關管Q17的集電極，第十二開關管Q12與第十一開關管Qll的發射極同時連接第十八開關管Q18的集電極，第十三開關管Q13與第十四開關管Q14的發射極均連接第十九開關管Q19的集電極，第十六開關管Q16與第十五開關管Q15的發射極均連接第二十開關管Q20的集電極，第十七開關管Q17與第十八開關管Q18的基極相互連接，第十九開關管Q19與第二十開關管Q20的基極相互連接，第十七開關管Q17至第二十開關管Q20的基極輸入電壓由數模轉換器7進行控制；第十七開關管Q17至第二十開關管Q20的發射極分別接收I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3的輸出的信號。
[0028]矢量合成放大器的工作原理為:開關管Q9與Q10、Qll與Q12、Q13與Q14、Q15與Q16分別構成差分放大器,差分放大器的輸入信號Vl?V4電壓由數模轉換器7進行控制，通過控制Vl?V4電壓值可以實現象限選擇，開關管Q17?Q20均為共基放大電路，I路超寬帶放大器2和Q路超寬帶放大器3的輸出信號由開關管Q17?Q20的發射極輸入；開關管Q17?Q20的基極電壓V1、VQ由數模轉換器7進行控制，可通過6位DAC控制Vi與VQ來控制差分放大器的直流工作點；將數字控制信號轉換為模擬控制電平Vi與VQ，最后轉換為I路與Q路的電流Iq與Ii之比；而電流Iq與Ii之比正好是I路與Q路的信號幅度之t匕。由此，通過對電流信號Iq與Ii之比進行控制，便可以控制輸出信號的相位，且控制Iq與Ii之和保持為恒定值，以此來保證輸出信號幅度的恒定。因此通過矢量合成放大器可以實現I路與Q路信號的合成，在同一狀態下可以實現O?90移相，同時通過控制Vl?V4電壓差值可以實現象限選擇，因此可以輸出O?360度范圍內的移相信號。
[0029]在具體實施例中，參見圖5、6 ;蘭格耦合器采用片上蘭格耦合器，為了達到一定的耦合系數，可以采用兩層金屬互相耦合的方法，片上蘭格耦合器的射頻輸入端10、射頻輸出端11、耦合端12和隔離端13均設置在芯片頂層，在芯片的次頂層且與射頻輸入端10、射頻輸出端11、耦合端12和隔離端13上下對應部位分別設置有端一 18、端二 19、端三20和端四21 ;芯片頂層可以選擇芯片第六層，芯片的次頂層可以選擇芯片第五層；
[0030]所述射頻輸入端10通過芯片頂層的第一金屬線31與射頻輸出端11連接，耦合端12通過芯片頂層第二金屬線34與隔離端13連接；在芯片的次頂層且分別與第一金屬線31和第二金屬線34上下對應部位設置有第七金屬線33和第八金屬線32，第八金屬線32連接端三20和端四21，第七金屬線33連接端一 18和端二 19 ；
[0031]所述射頻輸入端10還通過第一通孔22連接到芯片第四層的第三金屬線14前端，第四層的第三金屬線14的尾端通過第三通孔24連接端三20 ；[0032]所述耦合端12還通過第四通孔25連接到芯片第三層的第四金屬線15尾端，第三層的第四金屬線15前端通過第二通孔23與端一 18連接；
[0033]所述隔離端13還通過第五通孔27連接到芯片第四層的第五金屬線16前端，第四層的第五金屬線16的尾端通過第七通孔29連接端二 19 ；
[0034]所述射頻輸出端11還通過第八通孔30連接到芯片第三層的第六金屬線17尾端，第三層的第六金屬線17前端通過第六通孔28與端四21連接。
[0035]在具體實施時，蘭格耦合器不僅限于片上蘭格耦合器，采用片外蘭格耦合器并用倒裝焊芯片(flip-chip)的方式進行封裝連接，也可以完成本技術方案，且能獲得更好的技術指標。
[0036]上面對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但是，本發明保護的不僅限于【具體實施方式】的范圍。
【權利要求】
1.超寬帶高線性度有源移相器，包括蘭格耦合器(I)、超寬帶放大器、矢量合成放大器(4)、有源巴倫(6)和數摸轉換器(7);其特征在于:射頻信號輸入蘭格耦合器(1)，所述蘭格耦合器(I)產生寬帶正交的I路與Q路信號，分別輸出到I路超寬帶放大器(2)和Q路超寬帶放大器(3)，I路超寬帶放大器(2)和Q路超寬帶放大器(3)分別對蘭格耦合器(I)輸出的信號進行放大處理后，生成幅度相等的正交信號(I+、I_、Q+、Q_)輸出到矢量合成放大器(4);矢量合成放大器(4)接收數模轉換器(7)輸出的相位和幅度控制信號以及象限選擇控制信號，對I路超寬帶放大器(2)和Q路超寬帶放大器(3)輸出的幅度相等的正交信號(I+、1-、Q+、Q_)進行信號合成和相位、象限選擇后，輸出I路與Q路移相信號到有源巴倫(6)，有源巴倫(6 )對移相信號進行阻抗匹配后輸出。
2.根據權利要求1所述的超寬帶高線性度有源移相器，其特征在于:所述矢量合成放大器(4)包括第九開關管至第二十開關管，第九開關管與第十二開關管的基極相互連接，第十開關管與第十一開關管的基極相互連接，第十三開關管與第十六開關管的基極相互連接，第十四開關管 與第十五開關管的基極相互連接，它們的基極輸入電壓均由數模轉換器(7)進行控制；第九、第十一、第十四、第十六開關管的集電極相連接，并輸出移相信號到有源巴倫(6);第十、第十二、第十三、第十五開關管的集電極相連接，并輸出移相信號到有源巴倫(6);第九開關管與第十開關管的發射極同時連接第十七開關管的集電極，第十二開關管與第十一開關管的發射極同時連接第十八開關管的集電極，第十三開關管與第十四開關管的發射極均連接第十九開關管的集電極，第十六開關管與第十五開關管的發射極均連接第二十開關管的集電極，第十七開關管與第十八開關管的基極相互連接，第十九開關管與第二十開關管的基極相互連接，第十七開關管至第二十開關管的基極輸入電壓由數模轉換器(7)進行控制；第十七開關管至第二十開關管的發射極分別接收I路超寬帶放大器(2)和Q路超寬帶放大器(3 )輸出的信號。
3.根據權利要求1或2所述的超寬帶高線性度有源移相器，其特征在于:1路超寬帶放大器(2)和Q路超寬帶放大器(3)均設置有恒流接收端。
4.根據權利要求3所述的超寬帶高線性度有源移相器，其特征在于:所述蘭格耦合器(I)采用片上蘭格耦合器，該片上蘭格耦合器的射頻輸入端(10)、射頻輸出端(11 )、耦合端(12)和隔離端(13)均設置在芯片頂層，在芯片的次頂層且與射頻輸入端(10)、射頻輸出端(11)、耦合端(12 )和隔離端(13 )上下相對應部位分別設置有端一(18 )、端二( 19 )、端三(20)和端四(21)； 所述射頻輸入端(10)通過芯片頂層的第一金屬線(31)與射頻輸出端(11)連接，耦合端(12)通過芯片頂層第二金屬線(34)與隔離端(13)連接；在芯片的次頂層且分別與第一金屬線(31)和第二金屬線(34)上下對應部位設置有第七金屬線(33)和第八金屬線(32)，第八金屬線(32)連接端三(20)和端四(21)，第七金屬線(33)連接端一(18)和端二(19)； 所述射頻輸入端(10)還通過第一通孔(22)連接到芯片第四層的第三金屬線(14)前端，第四層的第三金屬線(14)的尾端通過第三通孔(24)連接端三(20)； 所述耦合端(12)還通過第四通孔(25)連接到芯片第三層的第四金屬線(15)尾端，第三層的第四金屬線(15)前端通過第二通孔(23)與端一(18)連接； 所述隔離端(13)還通過第五通孔(27)連接到芯片第四層的第五金屬線(16)前端，第四層的第五金屬線(16)的尾端通過第七通孔(29)連接端二(19);所述射頻輸出端(11)還通過第八通孔(30)連接到芯片第三層的第六金屬線(17)尾端，第三層的 第六金屬線(17 )前端通過第六通孔(28 )與端四(21)連接。
【文檔編號】H03H11/16GK103618519SQ201310611232
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】謝卓恒, 范麟, 萬天才, 徐驊, 魯志剛, 李家祎, 羅小鵬, 呂育澤 申請人:重慶西南集成電路設計有限責任公司