一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统的制作方法

本发明属于电子电路设计，具体涉及一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统。

背景技术：

1、无线数字通信的发展使得手机、wifi、路由等通信方式成为主流。无线通信摒弃传统有线通信的诸多弊端，比如复杂的布线、数据保密度低等，无线通信已经成为通信研究的热点。其中无线通信的射频收发机一直是无线通信的核心模组。而射频(rf)衰减器更是其中的关键电路。射频衰减器可用于控制电子信号的振幅，进而控制整个射频系统的增益。

2、射频衰减器用以控制(衰减)射频信号的幅度，保证在任何通信场景射频系统的信号强度恒定。所以，射频衰减器的性能对整个射频系统起着至关重要的作用。在射频系统中，为保证幅度控制的范围足够大，一般情况会要求10多db到30多db的衰减范围，并可根据系统要求选择衰减值。例如，31db衰减范围，则可根据系统需求，选择衰减0db，1db一直到31db。按照衰减是否可以连续可调，衰减器器通常可以分为模拟式以及数字式两种。模拟式衰减器通过控制模拟电压，可以得到0～31db中的任意衰减量。但模拟信号易受干扰，受到外部影环境响较大。数字式通过开关不同的衰减模块，可以按数字方式控制衰减量，但衰减精度只能是步进式的。数字式衰减器由于其具有工作稳定，不受外部环境影响等优点，在射频系统中得到广泛应用。

3、射频衰减器必然会引入附加相位误差，附加相位误差是指在被切换至衰减状态或非衰减参考状态(也被称为旁路状态)时，射频衰减器在其衰减状态和参考状态下具有不同的相位特性，同时随着施加至射频衰减器的rf信号的频率增加，相移量也增加，简言之，衰减器操作导致信号发生预期的幅度(或者说信号)衰减的同时，其相位也发生变化，使得不同衰减状态下输出信号的相位不同。理论分析，衰减器最小衰减误差、最小附加相位误差和最小插损三者不能在某一固定频率下同时获得。如果优先保证衰减精度，必然要牺牲信号插损或者附加相位误差。这是因为，幅度变化动会改变信号的相对强度，从而影响信号的相位。图1以8-db pi型衰减器为例，说明传统衰减器结构的电路及相位变化。图1中的(d)示出衰减器的参考态相位和衰减态相位分别呈现低通和高通特性，导致产生大的附加相位误差。如图2所示，以传统8-db pi型衰减器结构图为例说明。理论分析，现有pi型或者t型衰减器的参考态和衰减态，其对应的相位传输函数的特性不同，具体表现为，参考态为低通函数，衰减态为高通函数，导致衰减器在参考态和衰减态的相位会有很大变化。图2中的(d)示出的仿真结果证明理论分析正确，参考态和衰减态相位呈现明显呈现高通(相位曲线随频率增加，向上)和低通特性(相位曲线随频率减低，向下)，导致衰减器在参考态和衰减态有很大的相位变化。

4、衰减精度和信号插损是通信系统的重要指标，而附加相位误差是系统不需要的，过大的附加相位误差会带来系统性能的严重下降，需要在保证衰减精度和信号插损的前提下尽量减小。

5、同时，在射频衰减器级联时，各级衰减单元的衰减状态和参考状态，会对其前后级造成干扰，导致不同输出信号的相位不同，这些不同衰减状态的相位减去参考状态产生附加相位误差，使系统整体性能下降；为了提高系统整体性能，在传统方案中，一般会在衰减器各级中间增加电感。如图3所示，其原理在于通过感性器件谐振掉容性器件，使得衰减器传输函数(θ(a+bi)＝actan(b/a))中的虚部bi变小，从而减小附加相位误差。但该传统方案需要l1～ln多个螺旋电感，极大占用了面积。以及在集成电路应用中，片上螺旋电感的品质因数(q值)极低，引入了大的不需要的信号损失。

技术实现思路

1、发明目的：为解决因附加相位误差导致的相控阵系统性能下降的问题，本发明提出了一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，用于相控阵系统中的衰减器设计。

2、技术方案：一种新型低相移射频衰减器电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第一电容和第二电容；所述第三电阻的一端与rf信号的输入端连接，第三电阻的另一端与rf信号的输出端连接；所述第一场效应晶体管的源极与rf信号的输入端连接，第一场效应晶体管的漏极与rf信号的输出端连接，第一场效应晶体管m1的栅极接入外界电压；第一电阻的一端与rf信号的输入端连接，第一电阻的另一端与第二场效应晶体管的漏极连接，第二场效应晶体管的源极接地，第二电阻的一端与rf信号的输出端连接，第二电阻的另一端与第三场效应晶体管的漏极连接，第三场效应晶体管的源极接地，第二场效应晶体管的栅极与第三场效应晶体管的栅极均接入外界电压；所述第一电容并联在第一电阻的两端，第二电容并联在第二电阻的两端。

3、本发明还公开了一种附加相位误差消除电路结构，包括2个串联的第四电阻和多条并联的接地支路，每条所述接地支路均包括一支路电容和一第四场效应晶体管，所述支路电容的一端接入两个第四电阻的连接点，该支路电容的另一端与第四场效应晶体管的漏极连接，第四场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的栅极用于接收外部控制信号。

4、本发明还公开了一种附加相位误差消除电路结构，包括2个串联的第五电阻和接地支路，所述接地支路包括一可变电容，所述可变电容的一端接入两个第五电阻的连接点，该可变电容的另一端接地。

5、本发明还公开了一种具有附加相位误差消除功能的衰减器系统，包括：衰减器电路、附加相位误差消除电路和数字控制电路；所述附加相位误差消除电路与衰减器电路的rf信号的输出端连接；

6、所述数字控制电路用于根据检测到的附加相位误差结果，产生衰减器控制码和相位控制码；

7、所述衰减器电路用于基于来自数字控制电路的衰减器控制码，调节衰减器的衰减输出幅度；

8、所述附加相位误差消除电路用于基于来自数字控制电路的相位控制码，进行相位补偿。

9、进一步的，所述衰减器电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第一电容和第二电容；所述第三电阻的一端与rf信号的输入端连接，第三电阻的另一端与rf信号的输出端连接；所述第一场效应晶体管的源极与rf信号的输入端连接，第一场效应晶体管的漏极与rf信号的输出端连接，第一场效应晶体管m1的栅极接入外界电压；第一电阻的一端与rf信号的输入端连接，第一电阻的另一端与第二场效应晶体管的漏极连接，第二场效应晶体管的源极接地，第二电阻的一端与rf信号的输出端连接，第二电阻的另一端与第三场效应晶体管的漏极连接，第三场效应晶体管的源极接地，第二场效应晶体管的栅极与第三场效应晶体管的栅极均接入外界电压；所述第一电容并联在第一电阻的两端，第二电容并联在第二电阻的两端。

10、进一步的，所述附加相位误差消除电路包括：2个串联的第四电阻和多条并联的接地支路，每条所述接地支路均包括一支路电容和一第四场效应晶体管，所述支路电容的一端接入两个第四电阻的连接点，该支路电容的另一端与第四场效应晶体管的漏极连接，第四场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的栅极用于接收外部控制信号。

11、进一步的，所述附加相位误差消除电路包括：2个串联的第五电阻和接地支路，所述接地支路包括一可变电容，所述可变电容的一端接入两个第五电阻的连接点，该可变电容的另一端接地。

12、进一步的，所述数字控制电路为数字查询表，所述数字查询表预存储有附加相位误差结果、衰减器控制码和相位控制码的对应关系。

13、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

14、(1)理论上，附加相位误差是不可避免的，因为它是衰减操作的必然结果，但采用本发明提出的一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，降低附加相位误差的影响；

15、(2)本发明提出的一种新型低相移射频衰减器电路、附加相位误差消除电路及系统，涉及的应用领域包括：卫星通信、5g通信、相控阵系统等，将附加相位误差消除电路放置于衰减器电路之外，并和数字控制电路配合，解决了传统数字衰减器参考状态和衰减状态之间引入的附加相位误差较大的问题，且不会因为附加相位误差消除电路导致衰减器的衰减精度和信号插损恶化，本发明提出的系统适用于任何频率的射频系统的衰减器设计。