一种用于X波段的数控移相器

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种数控移相器。

背景技术：

移相器是相控阵列的重要组成部分，具有实现波束转向的功能，广泛应用于需要波束控制电路的雷达、无线通讯等领域。工作于x波段的相控阵雷达系统是导弹预警系统的重要组成部分，由于高实施成本、重重量、大体积和实施复杂性的特点，使其应用更多局限于军事系统。随着电子技术不断发展，x波段相控阵系统开始拓展到民用领域，如气象雷达等。移相器作为相控阵系统的核心电路也在不断发展。用于移相器设计的常见电路拓扑结构包括负载线型、反射型、矢量合成和网络切换型。负载线和反射型是基于传输线路调整相位，因此对于低于10ghz的雷达波段回路尺寸通常很大。矢量合成相移器通常是有源的，因此具有体积小和增益大的优点，但同时也存在输入功率线性度较差、功耗大、只能单向工作等缺点。在数字移相器的设计中，高低通网络切换型结构在插入损耗、移相精度等方面都是一个折衷的选择，在工作频率范围内相移相对平坦，且具有宽带宽、功耗低的优势，因此这种结构逐渐得到广泛的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种开关内嵌式的网络切换型移相器，在保证高工作性能及稳定性的前提下，更大程度提高移相器的集成度、降低制造成本。本发明的技术方案如下：

一种用于x波段的数控移相器，包括依次连接的22.5°移相单元、180°移相单元、45°移相单元、5.625°移相单元、11.25°移相单元、90°移相单元，所述的各移相单元均为单输入单输出结构，射频信号由22.5°移相单元输入端口(input)输入，最终由90°移相单元输出端口(output)输出；所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元采用开关内嵌的低通、带通滤波切换结构，180°移相单元采用开关内嵌的高低通滤波切换结构。其中，

所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元和45°移相单元均包括基础模块，基础模块包括第一晶体管(m1)，第二晶体管(m2)，第一电感(l1)，第二电感(l2)，第一电容(c1)，第二电容(c2)；其中，所述第一晶体管(m1)的源极与第一电感(l1)的第一端、第一电容(c1)的第一端连接；所述第一晶体管(m1)的漏极与第一电感(l1)的第二端、第二电容(c2)的第一端连接；第二晶体管(m2)的漏极与第二电感(l2)的第一端、第一电容(c1)的第二端、第二电容(c2)的第二端连接；第二晶体管(m2)的源极与第二电感(l2)的第二端连接，并连接到地；

所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v0，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v1，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v2，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

所述45°移相单元，还包括第三电容(c3)，所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(m2)的漏极和第三电容(c3)的第一端相连；所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(m2)的源极和第三电容(c3)的第二端相连；所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v3，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

所述90°移相单元，包括第三晶体管(m3)，第四晶体管(m4)，第三电感(l3)，第四电感(l4)，第四电容(c4)，第五电容(c5)，第六电容(c6)；其中，所述第三晶体管(m3)的源极与第四电容(c4)的第一端、第六电容(c6)的第一端、单元电路输入端(input)连接；所述第三晶体管(m3)的漏极与第三电感(l3)的第一端、第六电容(c6)的第二端连接；第三电感(l3)的第二端与第五电容(c5)的第一端、单元电路输出端(output)连接；第四晶体管(m4)的漏极与第四电感(l4)的第一端、第四电容(c4)的第二端、第五电容(c5)的第二端连接；第四晶体管(m4)的源极与第四电感(l4)的第二端连接，并连接到地；第三晶体管(m3)的栅极接控制电压v4，第四晶体管(m4)的栅极接控制电压v4。

所述180°移相单元，包括第五晶体管(m5)，第六晶体管(m6)，第七晶体管(m7)，第八晶体管(m8)，第五电感(l5)，第六电感(l6)，第七电感(l7)，第七电容(c7)，第八电容(c8)，第九电容(c9)，第十电容(c10)，第十一电容(c11)；其中，所述第五晶体管(m5)的漏极与第七晶体管(m7)的漏极、单元电路输入端(input)相连；第五晶体管(m5)的源极与第七电容(c7)的第一端、第五电感(l5)的第一端相连；第五电感(l5)的第二端与第六电感(l6)的第一端、第八电容(c8)的第一端相连；第六电感(l6)的第二端与第六晶体管(m6)的源极、第九电容(c9)第一端相连；第六晶体管(m6)的漏极与第八晶体管(m8)的漏极、单元电路输出端(output)相连；第七晶体管(m7)的源极与第十电容(c10)的第一端相连；第十电容(c10)的第二端与第七电感(l7)的第一端、第十一电容(c11)的第一端相连；第十一电容(c11)的第二端与第八晶体管(m8)的源极相连；第七电容(c7)的第二端与第八电容(c8)的第二端、第九电容(c9)的第二端、第七电感(l7)的第二端相连，并连接到地；第五晶体管(m5)的栅极与第七晶体管(m7)的栅极相连，并连接控制电压v5；第六晶体管(m6)的栅极与第八晶体管(m8)的栅极相连，并连接控制电压

优选地，所述的第一晶体管(m1)、第二晶体管(m2)、第三晶体管(m3)、第四晶体管(m4)、第五晶体管(m5)、第六晶体管(m6)、第七晶体管(m7)、第八晶体管(m8)均为深阱nmos晶体管。

本发明的有益效果是：本发明的一种应数控移相器，具有以下优点：

第一，本发明提出了两种开关内嵌的低通、带通滤波切换结构，提升了移相器相移稳定性，工作频带内相移相对平坦，提高了移相电路的集成度，节约成本。

第二，本发明提出了一种开关内嵌的低通、高通滤波切换结构，保证了大移相单元电路的稳定性与可靠性。

第三，发明作为开关的晶体管采用深阱晶体管，增大开关的隔离度。

附图说明

图1为本发明一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器电路示意图。

图2为本发明一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器说明中所建立的基础模块电路示意图。

图3为本发明一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器中5.625°、11.25°、22.5°移相单元电路示意图。

图4为本发明一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器中45°移相单元电路示意图。

图5为本发明一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器中90°移相单元电路示意图。

图6为本发明一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器中180°移相单元电路示意图。

图7是本发明的一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器的64种相位调节结果。

图8是本发明的一种x波段高精度紧凑型6位数控移相器的64种插入损耗的结果。

图9是本发明的一种x波段高精度数控紧凑型6位移相器经计算后的移相和幅度均方根误差结果。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。

图1示出本发明移相器电路示意图。

参阅图1，移相器包括从左至右依次连接的22.5°/180°/45°/5.625°/11.25°/90°移相单元，所述的各移相单元均为单输入单输出结构；所述5.625°移相单元、11.25°移相单元、22.5°移相单元、45°移相单元、90°移相单元采用开关内嵌的低通、带通滤波切换结构，180°移相单元采用开关内嵌的高低通滤波切换结构。电路采用0.18umsigebicmos设计工艺。

本发明的实施例中，射频信号由22.5°移相单元输入端口(input)输入，最终由90°移相单元输出端口(output)输出。控制电压v0、v1、v2、v3、v4、v5、提供直流偏置电压，且电压值均可取为1.8v或0v，分别连接5.625°至180°各单元开关mos管的栅极。通过改变控制电压在0v和1.8v之间的切换，使每一位移相单元可以各自独立、互不干扰地处于移相或非移相的状态，通过各单元级联后移相度数的加和，最终实现6位数控移相器，其功能表现为输出信号可实现范围为0°～354.375°、步进为5.625°的64种信号相位变化，具体操作如下。

参阅图2，所述移相器建立基础模块，基础模块包括第一晶体管(m1)，第二晶体管(m2)，第一电感(l1)，第二电感(l2)，第一电容(c1)，第二电容(c2)；其中，所述第一晶体管(m1)的源极与第一电感(l1)的第一端、第一电容(c1)的第一端连接；所述第一晶体管(m1)的漏极与第一电感(l1)的第二端、第二电容(c2)的第一端连接；第二晶体管(m2)的漏极与第二电感(l2)的第一端、第一电容(c1)的第二端、第二电容(c2)的第二端连接；第二晶体管(m2)的源极与第二电感(l2)的第二端连接，并连接到地。

本发明的实施例中，所构建的基础模块为5.625°～45°移相单元电路解释说明所用。

参阅图3，所述5.625°、11.25°、22.5°移相单元，均包括所述基础模块；其中，所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述5.625°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v0，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

其中，所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述11.25°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v1，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

其中，所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述22.5°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v2，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

本发明的实施例中，5.625°、11.25°、22.5°不同单元的射频信号均由各input端口输入，由各output端口输出；

在v0＝0v电压、电压时，输入信号经过π型低通滤波网络后输出，5.625°单元实施5.625°移相功能，在v0＝1.8v电压、电压时，输入信号经过5.625°基础模块的第一晶体管(m1)的导通电阻后输出，5.625°单元仅为信号通路且不影响信号相位；

在v1＝0v电压、电压时，输入信号经过π型低通滤波网络后输出，11.25°单元实施11.25°移相功能，在v1＝1.8v电压、电压时，输入信号经过11.25°基础模块的第一晶体管(m1)的导通电阻后输出，11.25°单元仅为信号通路且不影响信号相位；

在v2＝0v电压、电压时，输入信号经过π型低通滤波网络后输出，22.5°单元实施22.5°移相功能，在v2＝1.8v电压、电压时，输入信号经过22.5°基础模块的第一晶体管(m1)的导通电阻后输出，22.5°单元仅为信号通路且不影响信号相位；

为保证移相器性能稳定，5.625°移相单元基础模块的第一电容(c1)和第二电容(c2)容值相等，11.25°移相单元基础模块的第一电容(c1)和第二电容(c2)容值相等，22.5°移相单元中基础模块的第一电容(c1)和第二电容(c2)容值相等。

参阅图4，所述45°移相单元，包括所述基础模块和第三电容(c3)；其中，所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的源极和单元电路输入端(input)连接，第一晶体管(m1)的漏极和单元电路输出端(output)连接；所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(m2)的漏极和第三电容(c3)的第一端相连；所述45°移相单元中基础模块的第二晶体管(m2)的源极和第三电容(c3)的第二端相连；所述45°移相单元中基础模块的第一晶体管(m1)的栅极接控制电压v3，基础模块的第二晶体管(m2)的栅极接控制电压

本发明的实施例中，45°单元的射频信号由input端口输入，由output端口输出；在v3＝0v电压、电压时，输入信号经过π型低通滤波网络后输出，45°单元实施45°移相功能；在v3＝1.8v电压、电压时，输入信号经过45°基础模块的第一晶体管(m1)的导通电阻后输出，45°单元仅为信号通路且不影响信号相位；为保证移相器性能稳定，45°移相单元基础模块的第一电容(c1)和第二电容(c2)容值相等。

参阅图5，所述90°移相单元，包括第三晶体管(m3)，第四晶体管(m4)，第三电感(l3)，第四电感(l4)，第四电容(c4)，第五电容(c5)，第六电容(c6)；其中，所述第三晶体管(m3)的源极与第四电容(c4)的第一端、第六电容(c6)的第一端、单元电路输入端(input)连接；所述第三晶体管(m3)的漏极与第三电感(l3)的第一端、第六电容(c6)的第二端连接；第三电感(l3)的第二端与第五电容(c5)的第一端、单元电路输出端(output)连接；第四晶体管(m4)的漏极与第四电感(l4)的第一端、第四电容(c4)的第二端、第五电容(c5)的第二端连接；第四晶体管(m4)的源极与第四电感(l4)的第二端连接，并连接到地；第三晶体管(m3)的栅极接控制电压v4，第四晶体管(m4)的栅极接控制电压v4。

本发明的实施例中，90°单元的射频信号由input端口输入，由output端口输出；在v4＝1.8v电压，输入信号经过π型低通滤波网络后输出，90°单元实施90°移相功能，在v4＝0v电压时，第三晶体管(m3)的截止电容与第六电容(c6)并联，并与其串联的第三电感(l3)谐振成纯电阻，输入信号经过这一纯电阻后输出，90°单元仅为信号通路且不影响信号相位；为保证移相器性能稳定，90°移相单元中的第四电容(c4)和第五电容(c5)容值相等。

参阅图6，所述180°移相单元，包括第五晶体管(m5)，第六晶体管(m6)，第七晶体管(m7)，第八晶体管(m8)，第五电感(l5)，第六电感(l6)，第七电感(l7)，第七电容(c7)，第八电容(c8)，第九电容(c9)，第十电容(c10)，第十一电容(c11)；其中，所述第五晶体管(m5)的漏极与第七晶体管(m7)的漏极、单元电路输入端(input)相连；第五晶体管(m5)的源极与第七电容(c7)的第一端、第五电感(l5)的第一端相连；第五电感(l5)的第二端与第六电感(l6)的第一端、第八电容(c8)的第一端相连；第六电感(l6)的第二端与第六晶体管(m6)的源极、第九电容(c9)第一端相连；第六晶体管(m6)的漏极与第八晶体管(m8)的漏极、单元电路输出端(output)相连；第七晶体管(m7)的源极与第十电容(c10)的第一端相连；第十电容(c10)的第二端与第七电感(l7)的第一端、第十一电容(c11)的第一端相连；第十一电容(c11)的第二端与第八晶体管(m8)的源极相连；第七电容(c7)的第二端与第八电容(c8)的第二端、第九电容(c9)的第二端、第七电感(l7)的第二端相连，并连接到地；第五晶体管(m5)的栅极与第七晶体管(m7)的栅极相连，并连接控制电压v5；第六晶体管(m6)的栅极与第八晶体管(m8)的栅极相连，并连接控制电压

本发明的实施例中，180°单元的射频信号由input端口输入，由output端口输出；在v5＝1.8v电压、电压时，输入信号经过π型低通滤波网络后输出，单元完成-90°的移相，在v5＝0v电压、电压时，输入信号经过t型高通滤波网络后输出，完成+90°的移相。因此控制电压v5和在0v、1.8v两个数值间切换，可以使单元电路两工作状态共完成180°移相；为保证移相性能稳定，180°移相单元中的第五电感(l5)和第六电感(l6)感值相等；为保证移相性能稳定，180°移相单元中的第七电容(c7)、第八电容(c8)、第九电容(c9)的容值相等；为保证移相性能稳定，180°移相单元中的第十电容(c10)和第十一电容(c11)容值相等；为保证移相性能稳定，180°移相单元中的第五晶体管(m5)和第六晶体管(m6)完全相同；为保证移相性能稳定，180°移相单元中的第七晶体管(m7)和第八晶体管(m8)完全相同。

参阅图1，所述的第一晶体管(m1)、第二晶体管(m2)、第三晶体管(m3)、第四晶体管(m4)、第五晶体管(m5)、第六晶体管(m6)、第七晶体管(m7)、第八晶体管(m8)均为深阱nmos晶体管。

图7是应用于x波段的6位移相器64种相位调节的结果。在8-12ghz的频率范围内，移相器均能够实现范围为360°、步进为5.625°的相位调节，意味着本发明实现了宽带的移相性能。

图8是应用于x波段的6位移相器64种插入损耗的结果，最大插损为-16.7db。

图9是应用于x波段的6位移相器经计算后的相移rms误差和幅度rms误差，在低频处误差最大为4.2°，在8.3-12ghz的带宽内，rms相移误差均≤2.5°，实现高精度移相的性能。