[发明专利]一种单端输入差分输出射频有源移相器

说明书

一种单端输入差分输出射频有源移相器，涉及射频收发、相控阵等电子系统，尤其适用于宽带有源、高精度相控阵领域。本发明由耦合线构成正交耦合器；由共栅极NMOS晶体管阵列构成幅度调整模块，通过数字控制单元阵列实现移相功能；由共栅极NMOS晶体管阵列构成有源电感模块，实现相位微调同时，实现输入匹配；由电感、电阻网络构成输出模块，实现宽带匹配。本发明适用于CMOS工艺，消除了有源移相器固定数字算法造成的相位精度误差，同时实现输入端匹配，降低了功率传输反射。最终实现360°相位调整、6bit相移、可以进行精度矫正、高宽带的有源射频移相器。

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，涉及一种单端输入差分输出射频有源移相器，尤其涉及高精度相控阵系统技术领域。

背景技术

在成本、集成度和功耗等方面因素的推动下CMOS工艺技术突飞猛进。CMOS晶体管截止频率能够满足几GHz以上频段的集成电路设计。随着5G相控阵技术的发展，有源移相器因为设计灵活、移相精度高、方便校准等优势受到广泛关注。随着多阵列天线与波束赋形技术成为5G通信的关键技术，相控阵通信体系得到飞速发展。

移相器作为相控阵系统的关键模块，它通过相控阵阵列单元的天线收发信号的相位来实现电子波束扫描功能。随着用户对插入损耗与移相精度的更高要求，对集成度与系统面积的要求，有源移相器得到长足的发展。有源移相器通常包括正交网络，幅度控阵单元，矢量合成加法器三部分构成。射频集成电路，尤其毫米波集成电路，一般采用化合物实现。但是化合物工艺造价昂贵，很难实现复杂逻辑控制单元，无法与CMOS工艺兼容。在未来5G移动通信、车载、无人机载雷达等民用市场，对小体积、高精度、低成本需求，催生出表现优异的硅基有源移相器。

目前对于较高频段，多采用开关阵列技术来实现正交信号的幅度，从而实现移相的目的，但是目前的技术主要存在以下几个问题：①开关的非理想特性在微波频段的漏电流会导致正交信号幅度的偏差，从而引起附加移相，造成移相精度的下降。②在矢量合成加法器中，电感、电容器件的抗性随着频率变化而变化，从而导致系统增益随着频率改变，这将导致用户指向性功率随着频率发生变化，从而导致波束功率或者相角随着工作频率变化发生偏移。③一般做法是通过采用变压器将移相器变成单端输出，后级驱动放大器设计成单端，进行级联匹配，这种设计方法会牺牲芯片面积。④矢量网络通常采用差分方式实现，因此对于单端输入，通常采用巴伦变换成差分信号，后级采用双变压器转换成两对正交差分信号(如专利CN110212887A所述)，而双变压器正交网络在微波段互相耦合造成设计十分困难，设计几乎靠电磁仿真软件的精度保证。⑤目前采用阵列电流微调技术会提升移相精度，同时在矢量加法器输入端引入的寄生电容会恶化输入匹配，同时限制移向精度的大幅度提升。

发明内容

发明目的：针对上述技术不足，本发明提供一种适用于CMOS工艺的、360°移相范围、6bit移相、单端输入、差分输出、高增益平坦度、高精度有源移相器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单端输入差分输出射频有源移相器，所述射频有源移相器包括正交耦合器与巴伦网络100、分别控制正交两路信号幅度的晶体管阵列构成的第一幅度控制模块200和第二幅度控制模块300、分别进行相位微调的晶体管阵列构成的第一有源电感模块500和第二有源电感模块600以及输出负载匹配网络400；输入信号连接正交耦合器与巴伦网络100的信号输入端，正交耦合器与巴伦网络100的正交差分信号输出端分别连接第一有源电感模块500、第一幅度控制模块200、第二有源电感模块600与第二幅度控制模块300的信号输入端；第一有源电感模块500、第一幅度控制模块200、第二有源电感模块600与第二幅度控制模块300的信号输出端分别连接输出负载匹配网络400的信号输入端。

进一步的，所述的正交耦合器与巴伦网络100包括第一正交耦合器101、第一变压器102、第二变压器103、第一晶体管104、第二晶体管105和第一电阻106；