[发明专利]一种基于时变矢量合成的高精度有源移相器

说明书

本发明公开了一种基于时变矢量合成的高精度有源移相器，设有正交发生单元、I路双相调制单元、Q路双相调制单元、矢量合成单元、复用放大单元、偏置单元和时序控制单元。射频输入信号经正交发生单元后输出两路正交信号，然后分别经I路双相调制单元和Q路双相调制单元后在矢量合成单元中进行矢量合成，最后经复用放大单元放大后输出射频输出信号，时序控制单元和偏置单元用于控制I路和Q路的增益时序。

技术领域

本发明属于射频微波集成电路设计领域，具体为一种基于时变矢量合成的高精度有源移相器。

背景技术

移相器是相控阵系统的核心模块之一，它通过控制天线阵列中每个单元的接收或发射信号的相位来实现波束扫描。移相器的关键指标包括：移相范围、移相位数、移相精度、幅度偏差、插入损耗、功耗和面积等。为了满足毫米波通信和高性能雷达的应用需求，在设计时应从移相机理和拓扑结构入手，创新性地采用一系列技术来优化移相器性能。

无源移相器占用面积大、插入损耗高，而有源移相器在面积和增益都占有优势。有源移相器大多数为矢量合成架构，图1给出了传统的基于矢量合成的有源移相器的电路架构。在图1中，射频输入信号经巴伦转为差分信号，再经正交移相网络转为四路差分正交信号，接下来，I路和Q路信号分别经象限选择电路和可变增益放大器后进行矢量合成，最后，合成信号依次经过输出匹配网络和巴伦后输出。在图1中，控制字α通过逻辑编码器控制象限选择电路和数模转换器，而数模转换器通过分别控制I路和Q路可变增益放大器的增益来控制输出的合成相位值，假设G_I(α)和G_Q(α)分别是受控制字α控制的I路和Q路增益值，φ是矢量合成相位，那么，在第k象限(k＝1,2,3,4)中可表示为：

由式(1)可知，在矢量合成移相架构中，移相精度主要受制于相位控制的非线性，如果要实现更高的精度，则需要更复杂繁琐的调试校准电路，从而导致更大的功耗和电路面积。目前的有源移相方案采用数字校准技术、线性相位控制技术和数字预失真技术来提高移相精度，然而它们的优化程度有限，达到8比特移相位数已非常勉强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时变矢量合成的高精度有源移相器的设计方案，以解决传统矢量合成有源移相器的移相精度低的问题，它能在低功耗和低成本的前提下，实现360°移相范围、10比特以上移相位数、高移相精度、低幅度偏差和低插入损耗性能。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于时变矢量合成的高精度有源移相器，包括正交发生单元、I路双相调制单元、Q路双相调制单元、矢量合成单元、复用放大单元、偏置单元和时序控制单元，射频输入信号RF_in连接正交发生单元，正交发生单元的两个输出分别连接I路双相调制单元和Q路双相调制单元，I路双相调制单元和Q路双相调制单元的输出均连接矢量合成单元，矢量合成单元的输出连接复用放大单元，复用放大单元的输出端作为射频信号输出端，时序控制单元的第一个输出连接I路双相调制单元，第二个输出连接Q路双相调制单元，第三和第四个输出端连接偏置单元，偏置单元的两个输出端连接矢量合成单元；

射频输入信号RF_in通过正交发生单元后输出两路正交信号，其中，I路信号通过I路双相调制单元后输出移相0°/180°的信号，Q路信号通过Q路双相调制单元后输出移相0°/180°的信号，两路信号在矢量合成单元中进行矢量合成，经复用放大单元放大后输出信号RF_out，时序控制单元的第一和第二个输出分别控制I路双相调制单元和Q路双相调制单元的0°/180°相位切换，时序控制单元的第三和第四个输出通过偏置单元来分别控制矢量合成单元中I路和Q路中的偏置电压切换。