具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器及设计方法，属于毫米波相控阵T/R组件集成电路中的数控衰减器领域，包括多个不同衰减量的衰减单元，且不同衰减量的衰减单元分别级联在一起；以及包括幅度误差校准单元和相移补偿单元，所述幅度误差校准单元与衰减单元连接，且用于与衰减单元组合实现所需的衰减位，补偿幅度误差；所述相移补偿单元，用于对附加相移进行补偿。本发明专利技术具有低衰减幅度误差的有效收益和低衰减附加相移的有效收益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器及设计方法


[0001]本专利技术涉及毫米波相控阵T/R组件集成电路中的数控衰减器领域，更为具体的，涉及一种具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器及设计方法。

技术介绍

[0002]相控阵系统被广泛应用于雷达、卫星通信以及遥测等领域。例如：Ku频段(10.7～12.7GHz和13.7～14.5GHz)和Ka频段(17.7～20.2GHz和27.5～30GHz)卫星通信系统，以及毫米波5G(24.25～29.5GHz和37～43.5GHz)通信系统等。为了实现高速链路、灵活的信号覆盖和抗干扰能力的结合，需要大量高性能的相控阵发射/接收(transmit/receive，T/R)前端模块。在相控阵T/R的每个单元中，幅度控制单元用于补偿单元之间的增益变化从而实现天线波束旁瓣水平(Side Lobe Level,SLL)的降低。为了实现SLL和波束零点的精确调整，需要高精度、大带宽及小步进的幅度控制电路。对于一个16单元的均匀分布线阵，当完全相同信号幅度激励于每个单元时，SLL为
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13dB，通过调节每个单元的激励信号幅度并结合切比雪夫/泰勒综合法，SLL可以得到有效的压制。为了获得更低的SLL，需要更宽的幅度调节范围。比如，
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30dB的SLL需要不少于12dB的幅度调节范围。幅度调节分辨率是影响波束成形的另外一个重要因数，减小幅度调节步进有助于增强波束形成性能。比如，一个16阵元的线阵，0.5dB的幅度调节步进可实现相较于理想模型同样的性能。此外，在实现不同幅度调节时额外产生的相移变化不能太大，不然会严重影响相控阵系统的波束形成。因此，高精度衰减误差、低附加相移、大衰减范围的衰减器是高性能相控阵天线系统的重要组成元件。
[0003]可变增益放大器(Variable
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Gain Amplifiers，VGA)和可调数控衰减器是实现幅度控制功能的两种重要器件。传统的VGA很难使带宽、增益和线性度性能实现折中并且功耗较大，所以在应用方面存在一定的限制。相比于VGA，可调数控衰减器具有控制方式简单、高线性度、大带宽、大衰减范围、低幅度误差/附加相移、以及零功耗等优势，更适合于微波毫米波频段相控阵系统应用。目前，广泛采用的三种典型衰减器拓扑结构分别为：分布式衰减、开关选通式衰减以及开关嵌入式T/Π型衰减。首先，分布式衰减器能提供较宽的带宽和较低的插入损耗，但其占用电路面积较大且一般只能实现小于10
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15dB的衰减范围；其次，开关选通式衰减器能实现较低的幅度/相位误差，但由于大量的串联开关造成损耗较大；最后，开关嵌入式T/Π型衰减器具有较低的损耗、大衰减范围以及面积小等优点，满足大规模相控阵T/R应用。然而，开关嵌入式T/Π型衰减器依然存在着一些技术难点：1)多级衰减单元级联时，由于衰减单元对负载阻抗比较敏感，以及工艺波动和高低温变化，造成衰减幅度精确性降低；2)不同衰减状态时的附加相移变化较大，需特别补偿；3)由于晶体管和电路互联布线的寄生电容影响，高频(毫米波频段)应用受到限制。
[0004]传统微波毫米波集成电路主要采用Ⅲ－
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族化合物半导体工艺来设计和制造，比如基于GaAs工艺的衰减器能实现较高的衰减精度和低的附加相移而被广泛应用于相控阵T/R组件。但是，Ⅲ－
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族化合物半导体工艺成本较高，器件集成度很低，并且在实际应用中需要额外的控制和驱动芯片。随着工艺水平和设计技术的提高，硅基微波毫米波集成电路
在性能上已经能与传统Ⅲ－
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族化合物半导体集成电路相媲美。相较于Ⅲ－
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族化合物半导体微波集成电路，硅基微波集成电路具有高集成度、低功耗和低成本的优势。由于硅基工艺的衬底阻抗很低，器件本身的寄生电容和金属连线的寄生电容对电路的性能影响较大，采用硅基工艺制造的衰减器在高频下实现高精度、低附加相移的难度较大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器及设计方法，具有低衰减幅度误差的有效收益和低衰减附加相移的有效收益。
[0006]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0007]一种具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器，包括多个不同衰减量的衰减单元，且不同衰减量的衰减单元分别级联在一起；以及包括幅度误差校准单元和相移补偿单元，所述幅度误差校准单元与衰减单元连接，且用于与衰减单元组合实现所需的衰减位，补偿幅度误差；所述相移补偿单元，用于对附加相移进行补偿。
[0008]进一步地，各个所述衰减单元之间还包含匹配电感，用于提高各个衰减位的级间阻抗匹配性能。
[0009]进一步地，所述多个不同衰减量的衰减单元，从输入到输出依次为0.5dB衰减单元一，4dB衰减单元，7.5dB衰减单元，0.5dB幅度误差校准衰减单元一，2dB衰减单元，0.5dB衰减单元二，0.5dB幅度误差校准衰减单元二和1dB幅度误差校准单元；0.5dB衰减单元二和0.5dB幅度误差校准衰减单元二组成1dB衰减单元；0.5dB衰减单元和1dB衰减单元均通过开关嵌入式T型衰减电路结构实现，2dB衰减单元和4dB衰减单元均通过开关嵌入式T型衰减电路结构实现，7.5dB衰减单元通过开关嵌入式Π型衰减电路结构实现；0.5dB衰减单元二和0.5dB幅度误差校准衰减单元二组合实现1dB衰减位，7.5dB衰减单元和0.5dB幅度误差校准衰减单元一组合实现8dB衰减位，1dB幅度误差校准单元为增加的幅度误差校准单元，共能够实现
±
1dB的衰减幅度误差校准功能。
[0010]进一步地，在4dB衰减单元、7.5dB衰减单元和2dB衰减单元中的电路中均设置有相应所述相移补偿单元，分别用于对4dB衰减单元、7.5dB衰减单元和2dB衰减单元衰减时的附加相移进行补偿，实现数控衰减衰减附加相移的降低。
[0011]进一步地，所述相移补偿单元为并联电容，且连接在串联电阻RP上。
[0012]进一步地，1个7.5dB衰减单元加1个0.5dB幅度误差校准衰减单元一组成8dB衰减单元。
[0013]进一步地，各个所述衰减单元之间包含的匹配电感，总数量为6个。
[0014]进一步地，所述开关嵌入式T型衰减电路结构包括并联MOS开关晶体管M2，MOS开关管控制端串联电阻RG，MOS开关管体端串联电阻RB，并联衰减电阻RP；所述开关嵌入式Π型衰减电路结构包括串联MOS开关晶体管M1，MOS开关管控制端串联电阻RG，MOS开关管体端串联电阻RB，串联衰减电阻RS，并联衰减电阻RP，并联电容Ccomp，并联MOS开关晶体管M2。
[0015]进一步地，6个匹配电感分别为L1～L6，且L1＝L6＝100pH，L2＝L5＝90pH，L3＝L4＝70pH。
[0016]一种具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器的设计方法，根据数控衰减器所
选用的芯片工艺PV本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器，其特征在于，包括多个不同衰减量的衰减单元，且不同衰减量的衰减单元分别级联在一起；以及包括幅度误差校准单元和相移补偿单元，所述幅度误差校准单元与衰减单元连接，且用于与衰减单元组合实现所需的衰减位，补偿幅度误差；所述相移补偿单元，用于对附加相移进行补偿。2.根据权利要求1所述的具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器，其特征在于，各个所述衰减单元之间还包含匹配电感，用于提高各个衰减位的级间阻抗匹配性能。3.根据权利要求1所述的具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器，其特征在于，所述多个不同衰减量的衰减单元，从输入到输出依次为0.5dB衰减单元一(1)，4dB衰减单元(2)，7.5dB衰减单元(3)，0.5dB幅度误差校准衰减单元一(4)，2dB衰减单元(5)，0.5dB衰减单元二(6)，0.5dB幅度误差校准衰减单元二(7)和1dB幅度误差校准单元(8)；0.5dB衰减单元二(6)和0.5dB幅度误差校准衰减单元二(7)组成1dB衰减单元；0.5dB衰减单元(1)和1dB衰减单元均通过开关嵌入式T型衰减电路结构实现，2dB衰减单元(5)和4dB衰减单元(2)均通过开关嵌入式T型衰减电路结构实现，7.5dB衰减单元(3)通过开关嵌入式Π型衰减电路结构实现；0.5dB衰减单元二(6)和0.5dB幅度误差校准衰减单元二(7)组合实现1dB衰减位，7.5dB衰减单元(3)和0.5dB幅度误差校准衰减单元一(4)组合实现8dB衰减位，1dB幅度误差校准单元(8)为增加的幅度误差校准单元，共能够实现
±
1dB的衰减幅度误差校准功能。4.根据权利要求3所述的具有幅度校准功能的低附加相移数控衰减器，其特征在于，在4dB衰减单元(2)、7.5dB衰减单元(3)和2dB衰减单元(5)中的电路中均设置有相应所述相移补偿单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：李想，徐照旭，蔡喆，刘帅，杜明，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：