一种高增益低噪声射频移相器制造技术

本发明专利技术公开了一种高增益低噪声射频移相器，包括同相分配电路、两路低相移线性可变增益放大器、两路幅度微调电路、两路级间匹配网络和宽带正交合成网络；同相分配电路的输入为高增益低噪声射频移相器的输入信号，其输出与两路低相移线性可变增益放大器的输入端连接，两路幅度微调电路连接两路低相移线性可变增益放大器的输出端，两路级间匹配网络的输入端连接两路幅度微调电路的输出端，宽带正交合成网络的输入端连接两路级间匹配网络的输出端，宽带正交合成网络的输出为高增益低噪声射频移相器的输出。本发明专利技术通过在两路低相移线性可变增益放大器中设置共源极差分晶体管对和尾电流开关管，提高了幅度控制精度，实现高增益、低噪声。低噪声。低噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种高增益低噪声射频移相器
[0001]

[0002]本专利技术涉及电子电路设计领域，尤其涉及一种高增益低噪声射频移相器。

技术介绍

[0003]移相器是相控阵系统中最关键的功能模块之一，它通过控制天线阵列中每个独立天线单元接收或发射信号的相位来实现波束扫描。为了面向毫米波通信和高性能雷达应用，要求移相器具有更多的移相位数，更高的移相精度和更低的幅度偏差。有源移相器的关键结构包括正交信号发生器和幅度控制器，采用正交矢量合成方法实现移相，因此其性能受限于正交信号的精度和幅度控制的精度。在现有的CMOS工艺下，为实现信号的正交，主要结构有延迟线、L-C谐振全通网络、耦合器和多相滤波器。其中，延迟线会引入两路信号的幅度不平衡；多级级联的多相滤波器可以产生高精度的正交信号，但是会引入很大的损耗；L-C谐振全通网络和传统耦合器难以在较宽的频带实现高精度的正交信号。另一方面，为实现幅度控制，常见结构主要有偏置电流控制的放大器和电流开关阵列。其中，传统偏置电流控制的放大器通过改变偏置电流大小调整晶体管的增益，然而，晶体管的寄生参数同时发生变化，导致附加相移和端口失配等问题，从而恶化合成矢量的精度，难以提高移相位数；电流开关阵列通过按比例切换输出电流的大小来调整增益，然而，晶体管的开关特性不理想，尤其在毫米波频段，断开的晶体管存在明显的漏电流，也会导致幅度偏差、附加相移和端口失配等问题，限制了可实现的移相位数和精度。
[0004]在微波/毫米波前端链路中，常见移相器结构还存在增益低和噪声大的问题。无源移相器天然具有衰减；有源移相器中，电流开关结构中关断的晶体管会造成大损耗并引入噪声。同时，对采用正交合成原理的移相器来说，正交产生电路前置的结构噪声性能更差。这些问题导致链路中需要额外的放大器进行补偿，浪费了功耗和面积。
[0005]综上所述，现有集成电路工艺下的移相器结构，幅度偏差和相移大，噪声高，难以满足毫米波5G通信和高性能雷达应用对移相位数、精度和芯片集成度的更高要求。

技术实现思路

[0006]技术目的：针对现有技术中移相器幅度偏差和相移大、噪声高的缺陷，本专利技术公开了一种高增益低噪声射频移相器，通过在两路低相移线性可变增益放大器中设置共源极差分晶体管对和尾电流开关管，消除了晶体管开关状态不理想的影响，提高了幅度控制精度，同时保持了共源极放大器高增益低噪声的优点。
[0007]技术方案： 为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0008]一种高增益低噪声射频移相器，包括主要由传输线构成的同相分配电路、主要由放大器阵列单元构成的两路低相移线性可变增益放大器、主要由开关晶体管阵列单元构成的两路幅度微调电路、主要由变压器构成的两路级间匹配网络和主要由耦合器构成的宽带
正交合成网络；所述同相分配电路的输入为所述高增益低噪声射频移相器的输入信号，同相分配电路用于将高增益低噪声射频移相器的输入信号分为两路同相信号，同相分配电路的输出信号为第一差分信号和第二差分信号；所述两路同相信号在分配过程中损耗相等；所述两路低相移线性可变增益放大器的输入端分别连接同相分配电路输出的第一差分信号和第二差分信号，两路低相移线性可变增益放大器用于对输入的信号进行高增益放大并压制后级噪声，同时控制信号幅度实现低附加相移的线性步进，两路低相移线性可变增益放大器的输出信号分别为第一差分放大信号和第二差分放大信号；所述两路低相移线性可变增益放大器设有共源极差分晶体管对和尾电流开关管，用于消除晶体管开关状态不理想的影响；所述两路幅度微调电路分别连接两路低相移线性可变增益放大器输出的第一差分放大信号和第二差分放大信号；两路幅度微调电路用于对两路输入的信号进行独立的幅度微调；所述两路级间匹配网络的输入端分别连接两路幅度微调电路的输出端，即两路低相移线性可变增益放大器输出的第一差分放大信号和第二差分放大信号；两路级间匹配网络用于实现对输入的信号进行宽带阻抗匹配，两路级间匹配网络的输出信号分别为第一差分输出信号和第二差分输出信号；所述宽带正交合成网络的输入端分别连接两路级间匹配网络输出的第一差分输出信号和第二差分输出信号；宽带正交合成网络用于将输入的信号进行宽带正交合成，合成后的输出为所述高增益低噪声射频移相器的输出信号。
[0009]优选地，所述两路低相移线性可变增益放大器结构相同，各包括并联组合的n个放大器阵列单元和n路数字控制信号，其中数字控制信号与放大器阵列单元一一对应连接。
[0010]优选地，所述两路低相移线性可变增益放大器的增益步进范围与n正相关，n取偶数值，单个放大器阵列单元的增益为A，则n个放大器阵列单元的可变增益范围为-nA到+nA，步长为2A。
[0011]优选地，所述n个放大器阵列单元结构相同，在第一路低相移线性可变增益放大器中，每个放大器阵列单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第一反相器和第二反相器；所述第一晶体管和第三晶体管的栅极连接第一路低相移线性可变增益放大器输入的第一差分信号正极端，所述第二晶体管和第四晶体管的栅极连接第一路低相移线性可变增益放大器输入的第一差分信号负极端；第一晶体管和第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管分别构成共源极差分晶体管对，所述第五晶体管构成第一晶体管和第二晶体管共源极差分晶体管对的尾电流开关，第五晶体管的漏极连接第一晶体管和第二晶体管的源极，第五晶体管的栅极连接第一反相器的输出端，源极接地；所述第六晶体管构成第三晶体管和第四晶体管共源极差分晶体管对的尾电流开关，第六晶体管的漏极连接第三晶体管和第四晶体管的源极，第六晶体管的栅极连接第二反相器的输出端，源极接地，第一反相器的输入端与对应的数字控制信号连接，输出端与第二反相器的输入端连接；所述第一晶体管和第四晶体管的漏极输出第一路低相移线性可变增益放大器的第一差分放大信号正极端，所述第二晶体管和第三晶体管的漏极输出第一路低相移线性可变增
益放大器的第一差分放大信号负极端。
[0012]优选地，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管尺寸相同，所述第五晶体管和第六晶体管尺寸相同；所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
[0013]优选地，所述两路幅度微调电路结构相同，各包括并联组合的m个开关晶体管阵列单元和m路数字控制信号，其中数字控制信号与开关晶体管阵列单元一一对应连接。
[0014]优选地，所述两路幅度微调电路实现对幅度的近似线性减小，m的值为任意正整数，单个开关晶体管阵列单元减小的电流幅度为α，开关晶体管阵列单元幅度调整范围为0到mα。
[0015]优选地，所述m个开关晶体管阵列单元结构相同，在第一路幅度微调电路中，每个开关晶体管阵列单元包括第七晶体管、第八晶体管、第三反相器和第四反相器；所述第七晶体管和第八晶体管的漏极分别连接第一路低相移线性可变增益放大器输出信号的第一差分放大信号，第七晶体管和第八晶体管的源极接地，第七晶体管和第八晶体管的栅极连接第四反相器的输出端，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高增益低噪声射频移相器，其特征在于：包括主要由传输线构成的同相分配电路（100）、主要由放大器阵列单元构成的两路低相移线性可变增益放大器（200、300）、主要由开关晶体管阵列单元构成的两路幅度微调电路（400、500）、主要由变压器构成的两路级间匹配网络（600、700）和主要由耦合器构成的宽带正交合成网络（800）；所述同相分配电路（100）的输入为所述高增益低噪声射频移相器的输入信号（V
IN+
、V
IN-），同相分配电路（100）用于将高增益低噪声射频移相器的输入信号（V
IN+
、V
IN-）分为两路同相信号，同相分配电路（100）的输出信号为第一差分信号（V
I,IN+
、V
I,IN-）和第二差分信号（V
Q,IN+
、V
Q,IN-）；所述两路同相信号在分配过程中损耗相等；所述两路低相移线性可变增益放大器（200、300）的输入端分别连接同相分配电路（100）输出的第一差分信号（V
I,IN+
、V
I,IN-）和第二差分信号（V
Q,IN+
、V
Q,IN-），两路低相移线性可变增益放大器（200、300）用于对输入的信号进行高增益放大并压制后级噪声，同时控制信号幅度实现低附加相移的线性步进，两路低相移线性可变增益放大器（200、300）的输出信号分别为第一差分放大信号（V
I,M+
、V
I,M-）和第二差分放大信号（V
Q,M+
、V
Q,M-）；所述两路低相移线性可变增益放大器（200、300）设有共源极差分晶体管对和尾电流开关管，用于消除晶体管开关状态不理想的影响；所述两路幅度微调电路（400、500）分别连接两路低相移线性可变增益放大器（200、300）输出的第一差分放大信号（V
I,M+
、V
I,M-）和第二差分放大信号（V
Q,M+
、V
Q,M-）；两路幅度微调电路（400、500）用于对两路输入的信号进行独立的幅度微调；所述两路级间匹配网络（600、700）的输入端分别连接两路幅度微调电路（400、500）的输出端，即两路低相移线性可变增益放大器（200、300）输出的第一差分放大信号（V
I,M+
、V
I,M-）和第二差分放大信号（V
Q,M+
、V
Q,M-）；两路级间匹配网络（600、700）用于实现对输入的信号进行宽带阻抗匹配，两路级间匹配网络（600、700）的输出信号分别为第一差分输出信号（V
I,OUT+
、V
I,OUT-）和第二差分输出信号（V
Q,OUT+
、V
Q,OUT-）；所述宽带正交合成网络（800）的输入端分别连接两路级间匹配网络（600、700）输出的第一差分输出信号（V
I,OUT+
、V
I,OUT-）和第二差分输出信号（V
Q,OUT+
、V
Q,OUT-）；宽带正交合成网络（800）用于将输入的信号进行宽带正交合成，合成后的输出为所述高增益低噪声射频移相器的输出信号（V
OUT+
、V
OUT-）。2.根据权利要求1所述的一种高增益低噪声射频移相器，其特征在于：所述两路低相移线性可变增益放大器（200、300）结构相同，各包括并联组合的n个放大器阵列单元和n路数字控制信号，其中数字控制信号与放大器阵列单元一一对应连接。3.根据权利要求2所述的一种高增益低噪声射频移相器，其特征在于：所述两路低相移线性可变增益放大器（200、300）的增益步进范围与n正相关，n取偶数值，单个放大器阵列单元的增益为A，则n个放大器阵列单元的可变增益范围为-nA到+nA，步长为2A。4.根据权利要求2所述的一种高增益低噪声射频移相器，其特征在于：所述n个放大器阵列单元结构相同，在第一路低相移线性可变增益放大器（200）中，每个放大器阵列单元包括第一晶体管（201）、第二晶体管（202）、第三晶体管（203）、第四晶体管（204）、第五晶体管（205）、第六晶体管（206）、第一反相器（207）和第二反相器（208）；所述第一晶体管（201）和第三晶体管（203）的栅极连接第一路低相移线性可变增益放大器（200）输入的第一差分信号正极端（V
I,IN+
），所述第二晶体管（202）和第四晶体管（204）的栅极连接第一路低相移线性
可变增益放大器（200）输入的第一差分信号负极端（V
I,IN-）；第一晶体管（201）和第二晶体管（202）、第三晶体管（203）和第四晶体管（204）分别构成共源极差分晶体管对，所述第五晶体管（205）构成第一晶体管（201）和第二晶体管（202）共源极差分晶体管对的尾电流开关，第五晶体管（205）的漏极连接第一晶体管（201）和第二晶体管（202）的源极，第五晶体管（205）的栅极连接第一反相器（207）的输出端，源极接地；所述第六晶体管（206）构成第三晶体管（203）和第四晶体管（204）共源极差分晶体管对的尾电流开关，第六晶体管（206）的漏极连接第三晶体管（203）和第四晶体管（204）的源极，第六晶体管（206）的栅极连接第二反相器（208）的输出端，源极接地，第一反相器（207）的输入端与对应的数字控制信号连接，输出端与第二反相器（208）的输入端连接；所述第一晶体管（201）和第四晶体管（204）的漏极输出第一路低相移线性可变增益放大器（200）的第一差分放大信号正极端（V
I,M+
），所述第二晶体管（202）和第三晶体管（203）的漏极输出第一路低相移线性可变增益放大器（200）...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴远，
申请(专利权)人：南京汇君半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：