[发明专利]一种射频有源移相器结构

说明书

一种射频有源移相器结构，涉及电子电路设计的技术领域，尤其涉及适用于相控阵系统中有源移相器设计的技术领域。本发明包括由正交混合网络构成的正交耦合器；由共栅极晶体管阵列构成的正交幅度控制模块；正交合成和输出匹配网络；由变压器和电容构成的级间匹配网络;由晶体管阵列构成的正交校准模块；由共源极晶体管构成的偏置模块。本发明适用于CMOS工艺，通过低耦合系数耦合器拓宽了正交信号的带宽，并通过共栅极差分晶体管对消除了晶体管开关状态不理想的影响，提高了幅度控制精度，实现了360度相位调节范围、6比特相移、宽带宽、高精度、低幅度偏差和低成本的目的。

技术领域

本发明涉及电子电路设计的技术领域，尤其涉及适用于相控阵系统中有源移相器设计的技术领域。

背景技术

近年来，5G通信技术迅速发展，对信道容量和数据传输速率提出很高的要求。由于6 GHz以上的高频频段频谱资源丰富,大多数5G网络将部署在高频频段，或毫米波频段。为弥补高频传播损耗并实现灵活的信号覆盖，多天线阵列和波束赋形技术被引入，并发展为5G的关键技术之一——大规模多入多出技术（Massive MIMO）。除了通信领域的应用外，相控阵技术同样大规模应用于雷达技术领域，相比于机械扫描技术，其在波束赋形和波束扫描方面具有更高的精度和速度，且波束扫描宽度更宽、波束指向更灵活，有效提高了雷达的探测、多目标跟踪、抗干扰能力以及可靠性。

移相器是相控阵系统中最关键的模块之一，它通过控制天线阵列中每个独立天线单元接收或发射信号的相位来实现波束扫描。为了面向毫米波通信和高性能雷达应用，要求移相器具有更多的移相位数，更高的移相精度和更低的幅度偏差。有源移相器的关键结构包括正交信号发生器和幅度控制器，采用正交矢量合成方法实现移相，因此其性能受限于正交信号的精度和幅度控制的精度。在现有的CMOS工艺下，正交信号发生器主要结构有延迟线、多相滤波器、L-C谐振全通网络和耦合器。其中，延迟线损耗低，但会引入两路信号的幅度不平衡；多级级联的多相滤波器可以产生高精度的正交信号，但是会引入很大的损耗；L-C谐振全通网络和传统耦合器难以在较宽的频带实现高精度的正交信号。在现有的集成电路工艺下，幅度控制器的常见结构主要有尾电流控制的放大器和电流开关阵列。其中，尾电流控制的放大器通过改变尾电流调整晶体管的增益，然而，晶体管的寄生参数同时发生变化，导致附加相移和端口失配等问题，从而恶化合成矢量的精度；电流开关阵列通过按比例切换输出电流的大小来调整增益，然而，晶体管的开关特性不理想，尤其在毫米波频段，断开的晶体管存在明显的漏电流，也会导致幅度偏差、附加相移和端口失配等问题，限制了可实现的移相位数和精度。因此，现有的有源相控阵结构，难以满足未来5G通信和高性能雷达应用对移相位数和精度的更高要求。

射频集成电路，尤其是毫米波集成电路，一般采用高电子迁移率晶体管（high-electron mobility transistor, HEMT）单片微波集成电路（monolithic-microwave-integrated-circuit）工艺，例如氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）工艺，但它们相对昂贵；另外，它们与CMOS数字集成电路无法集成，导致采用这些工艺的移相器不能集成控制逻辑电路。在未来5G移动通信和汽车雷达等民用市场中，对小体积和低成本的要求更高。因此，面向毫米波相控阵系统应用，需要关注在集成度和成本等方面表现优异的硅器件的新型射频移相器结构。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于CMOS工艺的，360度相位调节范围、6比特相移、宽带宽、高精度、低幅度偏差和低成本的射频有源移相器结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种射频有源移相器结构，包括由差分结构正交混合网络构成的正交耦合器、由分别控制同相和正交两路信号幅度的晶体管阵列构成的幅度控制模块、正交合成和输出匹配网络、由同相和正交两路匹配网络构成的级间匹配网络、由分别微调同相和正交两路信号幅度的晶体管阵列构成的正交校准模块、由共源极晶体管构成的偏置模块。