[发明专利]一种高频开关型移相器

说明书

本发明公开了一种高频开关型移相器，由5度移相单元、11度移相单元、22度移相单元、45度移相单元、90度移相单元构成，可以覆盖180度移相范围。所述的5度移相单元由开关电感移相结构实现，所述的11度移相单元、22度移相单元、45度移相单元、90度移相单元由优化T型移相结构实现。本发明提出了上述的开关电感移相结构和优化T型移相结构；基于该两种结构，进一步提出了移相单元的选取和排列策略，最终可实现低损耗、低移相附加衰减、宽带的移相效果。本发明为纯无源电路结构，无直流功耗，并支持正反双向移相；采用直接数字控制，相比基于数模转换(DAC)的模拟电压控制，具有时延低、反应快的优势。本发明适用于相控阵系统的移相器设计。

技术领域

本发明涉及一种高频开关型移相器技术，属于电子电路设计技术领域，尤其适用于相控阵系统中的移相器设计。

背景技术

近年来，随着通信技术的飞速发展，通信频率开始走向6GHz以上的高频。高频通信可以提供宽的带宽，但也引入了高的损耗。相控阵技术可以弥补高频传输的损耗，并且实现灵活的信号覆盖，因而逐渐成为卫星通信、毫米波5G通信等应用中的关键技术。

相控阵技术通过使用多天线阵列，将发射的电磁波在空间中叠加，可以实现高的发射功率；通过调节各天线发射信号的相位，可以调节波束指向，实现高效、灵活的信号覆盖。因此，用于调节相位的移相器成为相控阵系统的关键模块。

相控阵系统中的移相器应实现以下几点：(1)宽带移相，以确保在工作频段内均能实现精准的波束指向调节；(2)低损耗、低功耗，以降低大规模相控阵系统的功耗；(3)低移相附加损耗，以减少各通道移相时的幅度偏差；(4)控制方法简单快捷，以降低控制延迟，提高系统反应速度。

相比于成本高昂的GaAs工艺，CMOS工艺具有低成本、低功耗、高良率、可大规模生产、易与CMOS数字电路集成等优势，特别适用于移动通信中低成本、低功耗的应用，因此研究基于CMOS工艺的移相器设计有着非常重要的意义。

开关型移相器通过级联多级移相单元来实现大范围的相位调节。单个移相单元通过晶体管开关来切换移相状态，使得信号从参考路径或移相路径通过。尽管传统的电感-电容-电感的T型移相结构能够在较低频率实现移相功能，但其性能已不能满足高频移相器的设计要求。

第一，传统的T型移相结构能够实现窄带的移相，但在偏离中心频率处将出现明显的移相偏差，已不能满足毫米波频段的宽带移相要求；第二，传统的T型移相结构通常会在参考路径和移相路径之间引入较大的附加损耗，导致不同相位状态下的幅度取值不同，这将使得相控阵系统的幅度校准变得复杂；第三，传统的高移相单元(如，90度单元)常使用两个单刀双掷开关来切换移相状态，这将导致插入损耗升高，不利于大规模相控阵系统的低功耗设计。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种适用于CMOS工艺的，5比特直接数字控制的，180度调相范围的开关型移相器。本发明提出了开关电感移相结构和优化T型结构，基于该两种结构，进一步提出了移相单元的选取和排列策略，最终可实现低损耗、低移相附加衰减、宽带的移相效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高频开关型移相器，包括依次连接的90度移相单元、22度移相单元、5度移相单元、11度移相单元以及45度移相单元，5度移相单元为开关电感结构，90度移相单元、22度移相单元、11度移相单元以及45度移相单元均为优化T型结构。