[发明专利]一种高频矢量调制型无源移相器

说明书

本发明公开了一种高频矢量调制型无源移相器，包括由产生正交信号的耦合器和输入匹配网络构成的第一部分电路(100)、由控制同相和正交两路信号幅度的无源晶体管阵列构成的第二(200)和第三部分电路(300)、由输出匹配网络和功率合成网络构成的第四部分电路(400)。本发明适用于CMOS工艺，零功耗的、支持双向移相的、直接数字控制的360°移相范围、高精度的矢量合成型无源移相器。

技术领域

本发明涉及电子电路设计的技术领域，特别是涉及一种高频矢量调制型无源移相器。

背景技术

近年来，基于sub-6GHz频段的通信取得了长足的发展，使得6GHz以下的通信频段逐渐变得拥挤。另一方面，新一代通信技术对数据传输速率提出了更高的要求，而sub-6GHz频段已不能满足日益增长的带宽需求。因此，6GHz以上的高频段成为毫米波5G通信和宽带卫星通信的必然选择。高频通信在提供大带宽的同时也引入了高损耗，这将使得高频通信的覆盖范围大大减小。为克服高频通信的高损耗问题，相控阵技术被引入。波束赋形是相控阵技术的关键技术之一，它不但可以弥补高频的传播损耗，而且可以实现灵活的信号覆盖。

相控阵系统的波束扫描是通过控制阵列中每个单元接收或发射信号的相位来实现的，因此，相位控制模块——移相器成为相控阵系统的关键模块之一。为实现高质量的波束合成和高精度的波束扫描，移相器应当具有大的移相范围、高的移相精度和低的移相附加幅度。同时，为降低大规模阵列的总体功耗，移相器应尽可能地降低直流功耗。

矢量调制型移相器可以天然地实现360°的移相范围，其结构主要包括正交信号发生器、幅度控制器和功率合成器。正交信号发生器产生一对正交信号，两个幅度控制器分别对两路正交信号进行幅度调节，功率合成器将调幅后的正交信号合成，实现移相功能。由于正交信号发生器和功率合成器通常为无源结构，不消耗直流功率，矢量调制型移相器的功耗主要由幅度控制器部分决定。而其移相性能则主要由正交信号的精度和幅度控制的精度来决定。尽管现有的矢量合成型移相器能够实现较高的移相精度，但依然存在着不足。(1)功耗高：现有的设计常采用有源结构来实现幅度控制，它可以提供一定的功率增益以弥补正交信号产生模块和功率合成模块的损耗，但也带来了较高的功耗，不利于大规模相控阵的低功耗设计；(2)仅支持单向移相：有源幅度控制器为单向幅度控制，因此，基于有源调幅的移相器不支持双向移相而无法在接收通道和发射通道的公共端复用；(3)响应慢：在有些设计中，基于偏置调节的调幅模块需要数模转换器(DAC)提供模拟控制信号，相比于直接数字控制，其响应速度大大降低。所以，现有的矢量调制型移相器，难以满足宽带卫星通信和毫米波5G通信的低功耗、低成本、低延迟的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频矢量调制型无源移相器，适用于CMOS工艺，零功耗的、支持双向移相的、直接数字控制的360°移相范围、高精度的矢量合成型无源移相器。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高频矢量调制型无源移相器，包括由产生正交信号的耦合器和输入匹配网络构成的第一部分电路、由控制同相和正交两路信号幅度的无源晶体管阵列构成的第二和第三部分电路、由输出匹配网络和功率合成网络构成的第四部分电路。

进一步的是，所述第一部分电路包括耦合器、I路信号的输入匹配网络和Q路信号的输入匹配网络，其中I路、Q路用以指代信号相位的正交关系，所述耦合器的输入端接输入信号V_IN，所述耦合器的直通端输出信号作为I路匹配网络的输入，所述耦合器的耦合端输出信号作为Q路匹配网络的输入，所述I路输入匹配网络将I路单端输入信号转换为差分信号V_I.IN+和V_I.IN-，所述Q路输入匹配网络将Q路单端输入信号转换为差分信号V_Q.IN+和V_Q.IN-。