【技术实现步骤摘要】
一种相控阵系统中的宽带多功能收发组件
本专利技术属于射频微波集成电路
，具体涉及一种应用于无线通讯、雷达探测、电子对抗等相关相控阵系统中的宽带多功能收发组件。
技术介绍
一个相控阵系统中往往包含大量的收发组件，且收发组件的性能会直接影响相控阵系统的性能。在一部有源相控阵雷达中，收发组件几乎占了其中一半的成本，因此降低其成本和面积就显得格外重要。收发组件主要用来实现放大信号、控制信号的相位和幅度变化等功能，因此一个典型的收发组件通常至少包含双工器(或者单刀双掷开关)、功率放大器、低噪声放大器、移相器以及衰减器几个模块，其中移相器和衰减器通常同时作为收发公共模块使用。传统的收发组件主要是使用分立元件在基板上搭建而成，其体积和造价都比较庞大，且可靠性也不是很高。随着半导体技术的发展，研究人员开始探索使用化合物半导体来实现相控阵系统，使其成本和体积得以下降，但对于民用设施来说，成本依然很高，难以接受。如今随着硅工艺的进步，已经有越来越多的人开始研究在硅基上实现高性能的射频电路，利用硅基工艺来实现收发组件可以极大地降低其成本以及面积，以便在民用通信系统等领域中使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有宽频率范围的、高精度实现移相和衰减的相控阵系统中的宽带多功能收发组件。本专利技术提供的相控阵系统中的宽带多功能收发组件，采用发射模块与接收模块共用移相器与低噪声放大器的共腿结构，在频段内实现平坦增益，并实现360°范围内的6bit精度移相以及0～-28.5dB范围内的5.8bit精度衰...
【技术保护点】
1.一种相控阵系统中的宽带多功能收发组件，其特征在于，采用发射模块与接收模块共用移相器与低噪声放大器的共腿结构，在频段内实现平坦增益，并实现360°范围内的6bit精度移相以及0～-28.5dB范围内的5.8bit精度衰减，具体结构包括：依次连接的高线性度低噪声放大器(HLNA)、衰减器(ATT)、单刀双掷开关(SPDT)、低噪声放大器(LNA)、移相器(PS)、单刀双掷开关(SPDT)、功率放大器(PA)，其中：/n(1)所述高线性度低噪声放大器(HLNA)，用于放大输入信号的同时提高系统线性度；选用偏置于亚阈值区的MOS管来抵消工作于饱和区的MOS管的非线性，该低噪声放大器包括输入匹配级、增益补偿级以及输出Buffer级；采用电流复用的共栅结构，以提供宽带输入匹配，同时提高输入匹配模块的电流效率；/n(2)所述衰减器(ATT)，用于实现0-28.5dB范围内5.8bit精度衰减性能；所述衰减器包括七个级联的Pi/T型衰减器、开关并联电感结构的增益补偿模块和三个冗余补偿模块；其衰减范围为0-28.5dB，衰减步长为0.5dB；由于ATT对地非常敏感，故在RX中采用差分ATT结构，并且...
【技术特征摘要】
1.一种相控阵系统中的宽带多功能收发组件，其特征在于，采用发射模块与接收模块共用移相器与低噪声放大器的共腿结构，在频段内实现平坦增益，并实现360°范围内的6bit精度移相以及0～-28.5dB范围内的5.8bit精度衰减，具体结构包括：依次连接的高线性度低噪声放大器(HLNA)、衰减器(ATT)、单刀双掷开关(SPDT)、低噪声放大器(LNA)、移相器(PS)、单刀双掷开关(SPDT)、功率放大器(PA)，其中：
(1)所述高线性度低噪声放大器(HLNA)，用于放大输入信号的同时提高系统线性度；选用偏置于亚阈值区的MOS管来抵消工作于饱和区的MOS管的非线性，该低噪声放大器包括输入匹配级、增益补偿级以及输出Buffer级；采用电流复用的共栅结构，以提供宽带输入匹配，同时提高输入匹配模块的电流效率；
(2)所述衰减器(ATT)，用于实现0-28.5dB范围内5.8bit精度衰减性能；所述衰减器包括七个级联的Pi/T型衰减器、开关并联电感结构的增益补偿模块和三个冗余补偿模块；其衰减范围为0-28.5dB，衰减步长为0.5dB；由于ATT对地非常敏感，故在RX中采用差分ATT结构，并且采用基于变压器的巴伦用来驱动SPDT；
(3)所述低噪声放大器(LNA)，用于为收发组件在频带内提供足够的增益；所述低噪声放大器包括：输入匹配级、单端放大补偿级、巴伦输出级、输出BUFFER级；
(4)所述移相器(PS)，用于实现360°范围内的6bit精度移相功能；所述移相器包括：依次连接的多相滤波器、象限选择开关、可变增益放大器(VGA)、输出BUFFER模块；
(5)所述功率放大器(PA)，用于为发射模块提供宽带高增益平坦度和中等输出功率；所述功率放大器包括：输入匹配级、驱动放大级、级间匹配级、功率放大级和输出匹配级；该功率放大器采用一种新型的增益波动补偿技术，分别在输入匹配、互连模块和输出匹配模块采用具有高耦合系数的基于螺旋型变压器的匹配网络设计，在控制纹波的同时增加带宽；
(6)所述单刀双掷开关(SPDT),用于切换收发组件中的发射模块和接收模块，所述单刀双掷开关采用基于NMOS管的串联、并联结构。
2.根据权利要求1所述的相控阵系统中的宽带多功能收发组件，其特征在于，所述高线性度低噪声放大器(HLNA)中：
所述输入匹配级中，信号由Vin输入，Vout输出，输入端与串联的电感L1和电容C0连接，同时连接MOS管M1的源级和M2的漏级，MOS管M1的栅极直接连接VDD，漏级经过电感L3和电阻R2并联以后与VDD连接形成共栅结构，MOS管M2的栅极直接接地，源级与并联的电感L2和电阻R1串联，然后接地，MOS管M2的源级同时与电容C1连接，经过MOS管M2的信号在经过电容C1后与经过MOS管M1的信号重新汇合成一路信号；然后经过电感L4来抵消输入匹配级高频处的负载寄生电容从而拓展输入匹配级的增益带宽；经过电感L4后，信号同时进入分别由电容C2与电阻R0并联、电容C3与电阻R3并联和电容C5与电阻R4并联组成的低通滤波结构，然后分别进入3个MOS管M4-M6，三个MOS管MOS管M4-M6的栅极偏执电压分别由VB1-VB3提供；MOS管M3的栅极偏执电压由VTR提供，VDD为MOS管M3漏级提供偏置，MOS管M3的源级同时连接MOS管M4的漏级和电容C4，MOS管M4和M6的漏级都接地，MOS管M5的漏级与VDD连接，源级与MOS管M6的漏级和电容C4连接，从而使三路信号汇合，依次通过电感L5和电容C6的串联网络；信号在int2处分别经过电容C6、C7和C8进入MOS管M7、M8和M9，电阻R5、R6和R7分别与电容C6、C7和C8并联，同时分别通过VB1-VB3为MOS管M7-M9提供偏执电压；电感L6一端连接VDD，另一端分成两路分别连接MOS管M7的漏级和电容C8；MOS管M7与M9的源级直接接地；电容C8分成两路分别连接MOS管M8的源级和M9的漏级后，三路信号合并为一路并通过电容C10输出；MOS管M8的漏级连接VDD；信号输入经过电感L1和电容C0后，由MOS管M1和M2的共栅结构来进行宽带输入匹配，同时也采用电流复用技术来提高电流的利用率，电阻R1和R2主要用来降低电感L2和L3的Q值从而拓展带宽；电感L1主要用来抵消输入寄生电容在高频的影响，提高LNA在高频处的匹配；
所述增益补偿级，主要由MOS管M3～M6以及电感L5组成，其中MOS管M3以及M4主要用来提供增益，M3为工作于线性区的PMOS管，等效为一个可变电阻，阻值由控制电压VTR来调整，这样相当于调整电感L5的Q值，从而实现对带内平坦度的调节；电感L5和电感L4的作用相同，用来拓展增益补偿级的增益带宽的；此外，MOS管M5和M6主要用来提升LNA的线性度，使MOS管M5和M6偏置在亚阈值区，处于弱导通状态，这样当信号的幅值变比较大的时候，MOS管M5、M6就完全导通，来补偿由于信号幅值变大引起增益减小，这样使LNA的1dB压缩点提升；
所述输出Buffer级，主要用来驱动50欧姆的负载阻抗，其中，增加偏置于亚阈值区的MOS管M8、M9来提升输出Buffer的线性度。
3.根据权利要求2所述的相控阵系统中的宽带多功能收发组件，其特征在于，所述衰减器(ATT)中，对于一个单端衰减器，其信号由输入端输入以后，信号同时进入MOS管M10的漏级和串联电阻R8和R9，为了保证电路的对称性，R8与R9阻值一样；在电阻R8与R9中间并联两个串联的MOS管M11和M12，且MOS管M12的漏级和源级连接电容C11；当MOS管M10打开，MOS管M11和M12关断的时候，信号直接通过该衰减模块，此时衰减模块处于参考态；当MOS管M10关断，MOS管M11和M12打开的时候，信号通过电阻R8和R9及两个MOS管组成的并联通路，此时衰减模块处于衰减态；在0.5dB衰减模块后连接了一个由电感L7和MOS管M13并联组成的补偿网络，通过MOS管开关控制模块间的匹配电感是否被旁路，开关导通使得幅度随频率降低的斜率增加；在之后连接8dB的Pi型衰减模块，该衰减器由MOS管M14和电阻R10并联而成，并在其两端中的前端并联MOS管M15与由电阻R11和电容C12构成的并联LC网络，后端采用与前端同样的结构并联MOS管M16与由电阻R12和电容C13构成的并联LC网络；两端的电容C12与C13用来补偿衰减模块处于衰减态时对于相位的影响；当MOS管M14打开而MOS管M15和M16关断的时候，衰减模块处于参考态；当MOS管M14关断而MOS管M15和M16打开的时候，衰减模块处于衰减态；在8dB衰减模块后连接与前一个补偿网络结构相同的补偿网络，由电感L8与MOS管M17并联而成，并在其后端并联MOS管M18作为冗余补偿用来补偿前面各个模块在处于不同衰减态时的幅度误差；在冗余补偿后连接1dB衰减模块，该衰减模块由MOS管M19作为开关通路，并在其两端并联相同的结构，分别是MOS管M20串联由MOS管M23和电容C14组成的并联结构和MOS管M21串联由MOS管M22和电容C15组成的并联结构；之后连接由电感L9与MOS管M24并联而成的补偿网络；在这个补偿网络后连接与8dB衰减模块结构相同的7dB衰减模块，由MOS管M25和电阻R13组成开关通路，并在两端并联MOS管串联LC并联电路的结构；其前端由MOS管M26、电容C16和电阻R14构成，后端由MOS管M27、电容C17和电阻R15构成；在7dB衰减模块的后面并联MOS管M28作为冗余补偿模块，并在之后连接由电感L10与MOS管M29并联而成的补偿网络；在这个补偿网络之后连接2dB衰减模块，结构与7dB衰减模块相同，由MOS管M30和电阻R16组成开关通路，并在两端分别并联MOS管M31与电阻R17的串联电路和MOS管M32与电阻R18的串联电路，在这之后连接由MOS管M34组成的冗余补偿电路和由电感L11与MOS管M33并联组成的补偿网络；之后连接9dB衰减模块，由MOS管M35与电阻R19组成通路，并且在两端分别并联有MOS管MOS管和RC并联电路组成的Pi型网络；进入一端由MOS管M36、电阻R20和电容C18组成，输出端由MOS管M37、电容C19、电阻R21组成；之后连接由电感L13和MOS管M38并联组成的补偿网络；在最后连接4dB衰减模块，其结构与9dB衰减模块相同，Pi型网络通路由MOS管M39和电阻R22组成，两个衰减通路分别由电阻R23、电容C20和MOS管M40与电阻R24、电容C21和MOS管M41组成，再由输出端输出；该衰减器中的0.5dB，1dB衰减模块利用晶体管导通电阻代替电阻，在不同工艺角下，衰减幅度基本保持不变；其余四个模块采用到地电阻并联电容的结构，可大大减小相位误差的同时不会增加额外的插损；六个开关管M13,、M17、M24,、M29,、M33、M38宽长比不同，使得导通电阻不同，所以六个开关的调节幅度大小不同，六个开关配合使用可以使57个状态的幅度随频率变化的斜率基本相同，这样在不增加相位误差的同时显著减小幅度误差；至于3个冗余补偿电路，在信号通路上接一个开关到地，开关断开对电路没有影响，开关宽长比不同导通电阻也不同，通过设计两个不同导通电阻的开关使开关导通时幅度分别会下降,0.3dB，0.5dB，1dB，工艺角变化时可以通过这两个开关补偿精度。
4.根据权利要求3所述的相控阵系统中的宽带多功能收发组件，其特征在于，所述低噪声放大器(LNA)中：
所述低噪声放大级中，信号通过Vin进入电感L13，一路经过串联RC电路的电阻R26和电容C22与MOS管M43的源级和MOS管M42的漏级相连，另一路经过电容C23，先与电阻R25并联，然后与MOS管M42和MOS管M43的栅极相连；MOS管M43的源级接VDD，MOS管M42的源级接地；MOS管M43的源级和MOS管M42的漏级连接处又与电感L14和电容C24相连，并且在并联电阻R27之后与MOS管M44的栅极相连MOS管，M44源级接地，漏级与MOS管M45的源级相连，两路汇合后进入电感L15；MOS管M45的栅极有VTRL控制，其漏级与VDD相连；
在有源巴伦中，电感L15后一路经过电容C25，并...
【专利技术属性】
技术研发人员：李巍，景嘉钰，胡金涛，叶骄，龚杰，徐鸿涛，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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