[发明专利]一种太赫兹全360°反射型移相器

说明书

一种太赫兹全360°反射型移相器，通过对反射型移相器结构的调整，提升反射型移相器的插入损耗和移相范围性能，获得功耗、插入损耗均衡的全360°移相范围的反射型移相器。此结构移相器可以应用于毫米波/太赫兹相控阵系统中。

技术领域

本发明属于毫米波/太赫兹集成电路领域，尤其涉及一种太赫兹全360°反射型移相器。

背景技术

相控阵技术具有波束赋形和波束扫面的功能，因此在通信系统和雷达等系统中具有明显的优势，可以显著提升系统的信噪比和灵敏度，降低对系统中单个设备功率和噪声的要求。其中，移相器是相控阵系统中最关键的模块，它能改变链路中电磁波的相位从而控制波束传播方向。移相器有多种实现方式，根据是否消耗能量可以分为有源和无源两种。有源移相器主要为矢量合成移相器，通过对两路正交信号幅度的控制并进行矢量求和获得想要的相位状态；无源移相器主要包括开关型和反射型，开关型移相器通过不同移相单元的导通关断改变相位，反射型移相器通过改变负载网络阻抗来改变电磁波相位。

在这些移相器类型中，反射型移相器不消耗功耗，且结构较为简单。随着工作频率的提升，反射型移相器中的电感等无源器件面积减小，其面积消耗大的缺点获得较大的缓和。因此，反射型移相器成为毫米波太赫兹相控阵系统的较好选择之一。然而，传统反射型移相器的移相范围较小，很难实现全360°移相，限制了相控阵系统的扫描范围。

发明内容

为了解决现有技术存在的难题，本发明一种太赫兹全360°反射型移相器，通过对反射型移相器结构的调整，提升反射型移相器的插入损耗和移相范围性能，获得功耗、插入损耗均衡的全360°移相范围的反射型移相器。此结构移相器可以应用于毫米波/太赫兹相控阵系统中。

本发明提出了一种基于CMOS工艺的采用反射型移相器与0°/180°变相器结合的方式实现的太赫兹全360°移相器（如图1）。具体内容如图2，单端输入信号经过巴伦T1转变为差分信号并输入0°/180°变相器。0°/180°变相器结构类似于基尔伯特单元结构，由跨导晶体管M1和M2、以及差分晶体管M3~M6组成。T1输出的差分信号输入跨导晶体管M1和M2的栅极，经放大后由漏极输出进入差分晶体管M3~M6的源级。VS作为差分晶体管的控制信号，配合反相器控制M3~M6的开关状态。M3~M6的漏极如图2的交叉结构连接至变压器T2并输出至随后的3dB耦合器输入端。在这个过程中，VS作为控制信号，在处于高电平或低电平时将分别产生0°和180°两个状态。反射型移相器结构由3dB耦合器和负载π型网络两部分。3dB耦合器的隔离端和直通端分别连接由C1、C2、L1和C3、C4、L2组成的π型负载网络。其中C1~C4为可变电容，通过电压控制其容值实现负载网络的阻抗变化，实现反射型移相器的相位变化。最终，3dB耦合器隔离端为整个电路的输出。

一种太赫兹全360°反射型移相器，具有以下几个优点：第一，该结构可以拓展传统反射型移相器的移相范围，实现全360°的移相。第二，该结构中变相器可以在太赫兹频率下获得平衡的状态变化，并获得有效增益，弥补移相器中无源结构带来的损耗，使得整体移相器结构具有较小插入损耗。

附图说明

图1 太赫兹全360°移相器结构框架；

图2太赫兹全360°移相器电路原理图；

图3 传统简单的变相器。

具体实施方式

下面根据附图对本发明技术方案进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

一种太赫兹全360°反射型移相器，其结构框图如图1所示，采用了0°/180°变相器与反射型移相器级联的结构，实现了低插入损耗的全360°移相器。

移相器的详细结构如图2，输入太赫兹信号经过巴伦T1实现单端信号转差分，获得的差分信号分别输入基尔伯特结构的跨导晶体管M1和M2栅极。M1和M2的漏极与差分晶体管M3~M6的源极相连，M3~M6作为信号选择结构，其漏极通过交叉的方式连接至变压器T2，控制电平VS和反相器实现变相器信号通路的翻转。当VS为正偏压时，M3和M6导通，输出状态我们定义为0°；当VS为0偏压时，M4和M5导通，输出状态则变为180°。此外，跨导管M1和M2与导通的差分管组成了类共源共栅结构，可以获得信号的放大。在实现0°/180°变相器时，电路中所有NMOS晶体管均采用工艺所能允许的最小栅长尺寸，以获得最优晶体管截止频率，并采用多栅结构以提升结构增益。变相器通过变压器T2将信号输入3dB耦合器。耦合器的负载采用了π型负载网络，其中C1~C4为可变电容，L1和L2为电感，通过控制电压的变化改变可变电容C1~C4的容值，从而实现负载阻抗的变化，改变反射信号相位，从而实现大于180°的移相范围变化。最终，变相器0°/180°翻转配合反射型结构大于180°的相位连续变化，可以实现全360°移相范围。