基于有源和无源相结合的X波段5位移相器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于有源和无源结构相结合的X波段5位移相器。主要解决现有技术增益误差大，移相精度低的问题。其包括：滤波器(1)、有源巴伦(3)和开关(4)，滤波器和开关分别设有多个，它们之间交替连接，且最后一个开关与有源巴伦的输入端连接；有源巴伦的输出端连接有正交信号发生器(2)，用于产生正负两个同相信号和正负两个正交信号；正交信号发生器的输出端连接有四选一电路(5)，用于从正负两个同相信号和正负两个正交信号这四路信号中选择一路信号进行输出，实现信号在四个象限之间的变换。本发明专利技术具有增益误差小，移相精度高的优点，可用于射频微波相控阵接收机需要高精度移相器的射频集成电路中。

【技术实现步骤摘要】
基于有源和无源相结合的X波段5位移相器
本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种X波段5位移相器，可用于射频微波相控阵接收机等需要高精度移相器的射频集成电路中。
技术介绍
移相器在雷达、导弹姿态控制、加速器、通信、仪器仪表甚至于音乐等领域都有着广泛的应用。移相器的主要性能指标有：1)工作频带；2)移相相量；3)移相精度；4)插入损耗；5)输入驻波比；6)承受功率。传统的数字无源移相器主要分为开关线型移相器、负载线型移相器、高低通型移相器和反射型移相器，这些都是完全以分立元件为基础实现的，主要缺点有：1)电路拓扑复杂；2)设计难度大；3)工艺加工难度大；4)相移精度低；5)集成度低。有源移相器可以大大减小移相器占用的面积，相对纯无源结构的移相器可以实现更高的移相精度和相对低的移相误差，目前的有源移相器一般采用正交矢量合成方法，其中主要包括直接矢量合成和两次矢量合成两种方式；但是正交矢量合成结构的移相器也有其相应的缺点，主要包括1)电流功耗大；2)对调整所需合成的正交两路信号幅度的电路的精度要求较高、设计难度较大，这将直接影响移相器的移相误差。针对有源移相器和无源移相器的缺陷，目前，已有将有源与无源结构相结合的移相器，如图8所示。图8是一种四位移相器，该四位移相器在低相移部分采用滤波器实现，在180°范围内采用低通带通滤波器结构，利用开关控制信号通过不同低通带通滤波器可以实现以步进值为22.5°的移相。输出端接有源巴伦结构，通过开关控制可以实现360°范围内的移相。该电路通过滤波器实现相移，虽具有设计思路简单、线性度高的优点，但随着滤波器数目的增加，移相控制难度随之增加，增益也会进一步衰减，使得最终在输出端呈现出移相精度低和增益误差较大的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于有源和无源相结合的X波段5位移相器，以减小增益误差，提高移相精度低。为实现上述目的，本专利技术的X波段5位移相器，包括：滤波器1、有源巴伦3和开关4，其特征在于：有源巴伦3的输出端连接有正交信号发生器2，用于产生正的同相信号VoI+、负的同相信号VoI-、正的正交信号VoQ-和负的正交信号VoQ-。所述有源巴伦3，包括共射放大电路31、共基放大电路32和第一差分缓冲器33；共射放大电路31的输出端与第一差分缓冲器33的负输入端连接，共基放大电路32的输出端与第一差分缓冲器33的正输入端连接；共射放大电路31的输入端与共基放大电路32的输入端连接，第一差分缓冲器33的正负两个输出端与正交信号发生器2的正负两个输入端连接；所述正交信号发生器2，其输出端连接有四选一电路5，用于从正的同相信号VoI+、负的同相信号VoI-、正的正交信号VoQ+和负的正交信号VoQ-这四路信号中选择一路信号进行输出，实现信号在四个象限之间的变换。作为优选，所述四选一电路5，由第二差分缓冲51，第三差分缓冲器52和四个控制开关53，54，55，56组成；第二差分缓冲器51的正输出端与第一控制开关53的输入端连接，第二差分缓冲器51的负输出端与第二控制开关54的输入端连接；第三差分缓冲器52的正输出端与第三控制开关55的输入端连接，第三差分缓冲器52的负输出端与第四控制开关56的输出端连接；四个控制开关53，54，55，56的四个输出端连接作为四选一电路的输出端。作为优选，所述第一差分缓冲器33由两个双转单电路331，332构成，第一双转单电路331的正输入端与第二双转单电路332的负输入端连接，第一双转单电路331的负输入端与第二双转单电路332的正输入端连接；第一双转单电路331的输出端作为正输出端，第二双转单电路332的输出端作为负输出端。本专利技术与现有移相器结构相比较，具有如下优点：本专利技术的有源巴伦由于采用共射放大电路、共基放大电路和第一差分缓冲器，其输入端利用了共基放大电路的射极看进去的输入阻抗，提高了无源结构输出端与有源结构输入端间的匹配；同时由于共射放大电路和共基放大电路的输出端接差分缓冲器，提高了输出端差分信号在整个带宽内的相位精度和幅度平衡性。本专利技术由于采用2阶RC结构的正交信号发生器和四选一电路实现90°的移相，减小了在整个频带内移相的相位误差和幅度误差，并且降低了最终电路的优化难度。附图说明图1是本专利技术移相器的整体框图；图2是本专利技术中的有源巴伦的结构图；图3是本专利技术中的差分缓冲器的框图；图4是本专利技术中的双转单电路的原理图；图5是本专利技术中的四选一电路的框图；图6是本专利技术中的控制开关的原理图；图7是本专利技术中的正交信号发生器原理图；图8是已有的有源与无源结构相结合的移相器整体框图；图9是对移相器在不同开关状态下进行增益S21进行仿真图；图10是对移相器在不同开关状态下进行相位仿真图；具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行结构与效果的详细描述，应当理解，优选实施例仅仅为了说明本专利技术，不应理解为限制本专利技术的保护范围。参照图1，本专利技术包括有源巴伦3，正交信号发生器2，四选一电路5，滤波器1和开关4；其中，滤波器1包括一个11.25°移相的低通带通滤波器，一个22.5°移相的低通带通滤波器和一个45°移相的低通带通滤波器；开关2包括一个正向单刀双掷开关，两个双刀双掷开关和一个反向单刀双掷开关。正向单刀双掷开关、45°移相的低通带通滤波器、第一个双刀双掷开关、11.25°移相的低通带通滤波器、第二个双刀双掷开关、22.5°移相的低通带通滤波器、反向单刀双掷开关、有源巴伦3，正交信号发生器2和四选一电路5依次级联而成。信号通过开关选择进入低通带通滤波器的低通部分或者带通部分，实现相位相对的变化；如信号通过45°低通带通滤波器的低通部分相对通过45°低通带通滤波器的带通部分相位滞后45°，从而实现信号在两条路径上相对45°移相的变化；同理，11.25°低通带通滤波器可以实现信号在两条路径上相对11.25°移相的变化，22.5°低通带通滤波器可以实现信号在两条路径上相对22.5°移相的变化；由一个正向单刀双掷开关，两个双刀双掷开关和一个反向单刀双掷开关可以选择信号通过三个低通带通滤波器的不同部分，从而可以实现信号在90°范围内以11.25°为步进值的移相；选择后的移相信号进入有源巴伦3将产生一对差分信号，差分信号通过正交信号发生器产生在整个频带内相对移相为0°，90°，180°和270°的四路正交信号，这四路正交信号通过四选一电路选择一路进行输出，则可以实现信号在360°范围内以11.25°为步进值的移相。整个电路的设计采用0.18umSiGeBiCMOS工艺，电路中电阻采用多晶硅电阻，电容则采用MIM电容。参照图2，本专利技术中的有源巴伦2，包括共基放大电路32，共射放大电路31和差分缓冲器33；共基放大电路32的输入端和共射放大电路31的输入端连接作为输入端；共基放大电路32的输出端与差分缓冲器33的正输入端连接，共射放大电路31的输出端与差分缓冲器33的负输入端连接。所述共基放大电路32由两个双极晶体管Q4，Q5，三个电阻R6，R7，R8，第四电容C4和第三MOS晶体管M3组成；第八电阻R8的一端接地，另一端与第五双极晶体管Q5的发射极连接作为输入端；第五双极晶体管Q5的基极与第四电容C4的一端和第七电阻R7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有源和无源结构相结合的X波段5位移相器，包括：滤波器(1)、有源巴伦(3)和开关(4)，其特征在于：有源巴伦(3)的输出端连接有正交信号发生器(2)，用于产生正的同相信号VoI+、负的同相信号VoI‑、正的正交信号VoQ‑和负的正交信号VoQ‑。所述有源巴伦(3)，包括共射放大电路(31)、共基放大电路(32)和第一差分缓冲器(33)；共射放大电路(31)的输出端与第一差分缓冲器(33)的负输入端连接，共基放大电路(32)的输出端与第一差分缓冲器(33)的正输入端连接；共射放大电路(31)的输入端与共基放大电路(32)的输入端连接，第一差分缓冲器(33)的正负两个输出端与正交信号发生器(2)的正负两个输入端连接；所述正交信号发生器(2)，其输出端连接有四选一电路(5)，用于从正的同相信号VoI+、负的同相信号VoI‑、正的正交信号VoQ+和负的正交信号VoQ‑这四路信号中选择一路信号进行输出，实现信号在四个象限之间的变换。

【技术特征摘要】
1.一种基于有源和无源结构相结合的X波段5位移相器，包括：滤波器(1)、有源巴伦(3)和开关(4)，其特征在于：有源巴伦(3)的输出端连接有正交信号发生器(2)，用于产生正的同相信号VoI+、负的同相信号VoI-、正的正交信号VoQ-和负的正交信号VoQ-。所述有源巴伦(3)，包括共射放大电路(31)、共基放大电路(32)和第一差分缓冲器(33)；共射放大电路(31)的输出端与第一差分缓冲器(33)的负输入端连接，共基放大电路(32)的输出端与第一差分缓冲器(33)的正输入端连接；共射放大电路(31)的输入端与共基放大电路(32)的输入端连接，第一差分缓冲器(33)的正负两个输出端与正交信号发生器(2)的正负两个输入端连接；所述正交信号发生器(2)，其输出端连接有四选一电路(5)，用于从正的同相信号VoI+、负的同相信号VoI-、正的正交信号VoQ+和负的正交信号VoQ-这四路信号中选择一路信号进行输出，实现信号在四个象限之间的变换。2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于四选一电路(5)，由第二差分缓冲器(51)，第三差分缓冲器(52)和四个控制开关(53，54，55，56)组成；第二差分缓冲器(51)的正输出端与第一控制开关(53)的输入端连接，第二差分缓冲器(51)的负输出端与第二控制开关(54)的输入端连接；第三差分缓冲器(52)的正输出端与第三控制开关(55)的输入端连接，第三差分缓冲器(52)的负输出端与第四控制开关(56)的输入端连接；四个控制开关(53，54，55，56)的四个输出端连接作为四选一电路的输出端。3.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于第一差分缓冲器(33)由两个双转单电路(331，332)构成，第一双转单电路(331)的正输入端与第二双转单电路(332)的负输入端连接，第一双转单电路(331)的负输入端与第二双转单电路(332)的正输入端连接；第一双转单电路(331)的输出端作为正输出端，第二双转单电路(332)的输出端作为负输出端。4.根据权利要求3所述的移相器，其特征在于两个双转单电路(331，332)的结构相同，每一个双转单电路由三个双极晶体管Q1，Q2，Q3，三个电阻R1，R2，R3和三个电容C1，C2，C3组成，第一电容C1的一端为正输入端，另一端与第一电阻R1的一端和第二双极晶体管Q2的基极连接，第二电容C2的一端为负输入端，另一端与第二电阻R2的一端和第三双极晶体管Q3的基极连接；第一电阻R1的另一端与第二双极晶体管Q2的集电极和第一双极晶体管Q1的集电极和第一双极晶体管Q1的基极相连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振荣，曾其发，庄奕琪，吴泓江，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61