技术领域
[0001] 本
发明公开了有源无源混合型微波移相器，涉及微
电子与固体电子学的射频与微波集成
电路设计领域，具体涉及一种微波频段的数字移相电路，属于基本
电子电路的技术领域。
背景技术
[0002]
相控阵在下一代无线通信和雷达中应用广泛，近年来，基于
硅基工艺的相控阵芯片成为国内外的研究热点。超宽带有源相控阵技术的发展对天线波束控制的要求不断提高，超宽带有源相控阵技术的关键部分高
精度微波毫米波移相器吸引了越来越多的关注和研究。
[0003] 移相器是一种主要用于对射频和微波传输
信号的
相位进行控制的二端口网络。
半导体移相器常采用
开关网络型、电桥反射型、开关线型等无源结构，制备半导体移相器的化合物半导体工艺在国内外相关的应用已比较成熟；有源矢量合成结构提出的时间相对较晚，2007年美国加州大学圣迭戈分校的kwang-Jin Koh和Gabriel M.Rebeiz首先提出了采用矢量合成原理的4位有源移相器的完整设计方法，该结构特别适合于高集成度的标准硅基工艺，之后有源矢量合成移相结构被越来越多地应用在相控阵芯片设计中。
[0004] 移相器的主要性能指标包括：1）工作频带；2）移相范围；3）移相精度；4）插入损耗；5）输入输出
驻波比；6）承受功率。无源结构通过切换无源网络来得到需要的
相移，通常需要级联各个移相位来实现多位高精度的数字移相器，但是每位之间互相牵引导致不容易设计，且集成度低，损耗大，占用芯片面积大。有源矢量合成结构对所需合成的
正交信号的幅度和相位一致性要求较高，高频尤其是毫米波有源矢量合成移相器设计难度大，特别的，其中的小位移相位对I路和Q路的寄生效应相当敏感，实现多位高精度移相也较为困难，且一般有源矢量合成移相结构的线性度较低。
[0005] 因此，采用无源结构和有源结构，特别是基于硅基工艺设计多位毫米波移相器都较为困难。实际设计中需要综合考虑各项指标要求，选择有源或无源移相结构，进一步地亟需一种紧凑的有源无源混合型结构来实现多位高精度微波毫米
波数字移相器。
[0006] 针对有源移相器和无源移相器的
缺陷，目前已有将有源和无源结构相结合的移相器。
申请号为2017111442305名称为“基于有源和无源相结合的X波段5位移相器”的
专利（西安电子科技大学，李振荣等）提出一种X波段5位移相器，如图11所示，采用开关
滤波器结构实现45°、22.5°和11.25°小位移相，后级通过有源
巴伦、差分
缓冲器和正交信号发生器产生正负两个同相信号和正负两个正交信号，采用四选一开关电路切换这四路信号实现90°步进的大位移相。该电路结合了有源和无源移相结构，通过开关滤波器结构实现45°以下的小位移相，但滤波器的数目随着移相位数要求的提高而增加，插入损耗变大，芯片面积也变大。采用四选一开关电路切换四路信号实现90°步进的大位移相，其它三路信号通路也耗能，且电路移相
控制信号复杂，不易向更高移相位扩展。
发明内容
[0007] 本发明针对上述背景技术的不足，提供了有源无源混合型微波移相器，充分利用无源移相的高线性度和有源移相的高增益，在紧凑的电路版图上加以简单的控制信号即可实现多位高精度移相，解决了现有有源无源混合移相器的电路版图随移相位数的增加而增大以及移相控制信号复杂的技术问题。
[0008] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案。
[0009] 本发明提供的有源无源混合型微波移相器包含无源移相部分、有源移相部分和数字控制部分。
[0010] 无源移相部分包含一级或多级无源移相位，无源移相位包含相位控制端、微波输入端和输出端，用于根据相位控制端的控制信号对微波输入端接入的微波信号进行相应相位的移相。有源移相部分包含单端转差分巴伦、正交信号发生器、矢量合成加法器、差分转单端巴伦。单端转差分巴伦包含单端输入微波端口和差分输出微波端口、直流偏置端口和接地端口，用于把单端输入的微波信号转化为差分形式的微波信号，实现了无源移相部分与有源移相部分的级间端口匹配，直流偏置端口用于提供所需的直流偏置
电压。正交信号发生器包含
差分信号输入端和正交输出端，用于将单端转差分巴伦输出的差分信号转为四路等幅正交的微波信号。矢量合成加法器包含正交信号输入端、合成差分信号输出端和矢量合成控制端，用于在收到数字控制部分发送的矢量合成指令后对四路等幅正交的微波信号进行合成得到大位移相后的差分微波信号。差分转单端巴伦包含差分输入微波端口、单端输出微波端口、直流偏置端口和接地端口，用于将矢量合成加法器输出的差分微波信号转为单端微波信号后输出，实现了有源移相部分和输出端口的级间端口匹配，直流偏置端口用于提供所需的直流偏置电压。有源移相部分实现180°位、90°位和45°位等大位移相位。
[0011] 数字控制部分包含一组
输入信号端和两组
输出信号端，所述两组输出信号端中一组与所述的无源移相部分的相位控制端相连接，另一组与所述的矢量信号加法器的矢量合成控制端相连接。数字控制部分包含译码电路和驱动开关及
电流镜
数模转换电路，译码电路的输入端接输入的控制信号，译码电路将控制信号转换为无源移相部分的控制信号和有源移相部分的控制信号，驱动开关的输入端接译码电路输出的控制信号，驱动开关输出互补的无源移相部分的控制指令、互补的象限选择指令、互补的正交控制指令。
[0012] 优选的，无源移相部分采用简化的双T型滤波移相器结构实现包含11.25°位和5.625°位等小位移相位。
[0013] 优选的，单端转差分巴伦通过无源耦合线或者有源电路实现。
[0014] 优选的，正交信号发生器通过无源RLC网络或者无源耦合线实现。
[0015] 优选的，差分转单端巴伦通过无源耦合线或者有源电路实现。
[0016] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：（1）本发明公开的有源无源混合型微波移相器，搭建了基于现有无源移相器和有源移相器的混合微波移相器的架构，采用数字控制部分对输入的控制信号做简单的运算后即可得到无源部分和有源部分的控制信号，可根据移相精度要求灵活分配无源部分和有源部分的移相位，灵活分配移相位数和移位相的组合，移相调幅小，精度高。
[0017] （2）本发明公开的混合型微波移相器的有源移相部分和无源移相部分利用级间元件实现匹配，版图布置灵活，结构紧凑，电路版图不随移相位数要求的提高而扩大。
[0018] （3）本发明公开的有源无源混合型微波移相器，无源移相部分采用简化的双T型滤波移相器结构，有源部分采用有源矢量合成结构实现大位移相，利用无源部分线性度高以及有源部分增益高的优点，可以根据应用需求灵活地优化输入功率和噪声等性能，相较于通过增加
无源滤波器件满足移相位数要求的混合型微波移相器，本申请公开的混合型微波移相器芯片面积小、插入损耗小，相较于采用开关电路切换电路实现大位移相的混合型微波移相器，本申请公开的混合型微波电路能耗小。
[0019] （4）本发明公开的有源无源混合型微波移相器，通过集成数字译码电路和
电流镜数模转换电路实现数字控制部分，控制信号简单，对外形成通用
接口，芯片集成度高。
[0020] 总体而言，本发明提供的有源无源混合型微波移相器，规避现有无源结构和有源结构的缺陷，能根据需求灵活分配移相位，版图布置灵活，控制信号简单，芯片集成度高，结构紧凑，在微波毫米波频段可以实现高精度的多位移相器，同时输入功率和噪声性能适中，可广泛应用于微波毫米波相控阵芯片中，具有通用性，有较好的应用前景。
附图说明
[0021] 图1是本发明公开的有源无源混合型微波移相器的原理
框图。
[0022] 图2是本发明
实施例一中无源移相部分的电路拓扑图。
[0023] 图3是本发明实施例一中差分转单端巴伦的三维结构示意图。
[0024] 图4是本发明实施例一中正交信号发生器的电路拓扑图。
[0025] 图5是本发明实施例一中矢量合成加法器的电路拓扑图。
[0026] 图6（a）、图6（b）、图6（c）分别是本发明实施例一中译码电路、驱动开关、电流镜数模转换电路的电路拓扑图。
[0027] 图7是本发明实施例二中无源移相部分的电路拓扑图。
[0028] 图8是本发明实施例二中单端转差分巴伦电路拓扑图。
[0029] 图9是本发明实施例二中正交信号发生器电路拓扑图。
[0030] 图10（a）、图10（b）是本发明实施例二中译码电路和电流镜数模转换电路的电路拓扑图。
[0031] 图11是现有基于有源和无源相结合的X波段5位移相器。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明申请文件之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本申请
权利要求项所限的范围。
[0033] 本发明的第一示例性实施例：实现步进5.625°的6位混合型微波移相器如图1所示，有源无源混合型微波移相器包含无源移相部分、有源移相部分和数字控制部分。
[0034] 无源移相器采用如图2所示的两级简化的双T型LC开关滤波网络，分别实现11.25°和5.625°的小位移相。
[0035] 如图3所示，单端转差分巴伦由上下耦合的厚金属层1和厚金属层2构成，包括：差分输出微波端口1、差分输出微波端口2和单端输入微波端口、直流偏置端和接地端。图3所示单端转差分巴伦仅是本发明所举一示例，本领域技术人员可以根据实际设计需求选择单端转差分巴伦的层金属、绕线电感耦合级数、线宽、绕线电感形状。
[0036] 正交信号发生器采用如图4所示的无源RLC网络实现，单端转差分巴伦的差分输出微波端口与正交信号发生器的输入端口相连接，正交信号发生器输出四路等幅正交的微波信号。
[0037] 矢量合成加法器采用如图5所示的双平衡吉尔伯特结构实现，层叠的三层MOS管分别是象限选择控制级、I/Q控制级和微波信号跨导级，正交信号发生器的四路正交信号输出端与微波信号跨导级四路输入管的栅极连接，采用单端转差分巴伦的直流偏置端口给矢量合成加法器跨导级的四路输入管提供直流偏置电压。
[0038] 数字控制部分包含图6（a）所示的译码电路、图6（b）所示的驱动开关、图6（c）所示的电流镜数模转换电路，通过译码电路将输入的6位控制信号转换为两组控制信号，一组控制信号用于控制无源移相部分实现11.25°和5.625°的小位移相，另一组控制信号用于控制矢量信号加法器的象限选择和I/Q比值以实现22°步进的大移相位。以无源移相2位和有源移相4位实现6位移相为例，6位控制信号D6到D1通过译码电路得到矢量加法器象限选择控制信号SI和SQ、电流镜
数模转换器控制信号S0、S1和S2，无源移相部分控制信号S00、S01，再采用驱动开关处理各控制信号得到互补的无源移相部分的控制指令S00（P/N）和S01（P/N）、互补的象限选择指令SI（P/N）和SQ（P/N）、互补的正交控制指令S0（P/N）、S1（P/N）和S2（P/N）。
[0039] 本发明的第二示例性实施例：实现步进1.4°的8位混合型微波移相器无源移相器部分采用图7所示的三级简化的T型LC开关网络，分别实现5.625°、2.8°和
1.4°的小位移相。
[0040] 如图8所示，单端转差分巴伦通过单端输入差分输出的有源
放大器实现，微波信号输入第一HBT管N1的基级和第四HBT管N4的基级，第一HBT管N1和第一HBT管N2组成了共射共基电路，第三HBT管N3和第三HBT管N4组成了发射跟随电路，输出等幅反相的信号。图8的实例仅仅是本发明所举一实例，根据实际设计需求，单端转差分巴伦可以选择用MOS管实现。
[0041] 如图9所示，正交信号发生器采用1/4
波长耦合线实现。图9的实例仅仅是本发明所举一示例，根据实际设计需求，正交信号发生器可以选择不同层金属、不同的绕线电感耦合级数、不同的线宽，不同的绕线电感形状。
[0042] 实施例二采用如图5所示的矢量合成加法器，采用图10（a）所示译码电路和图6（b）所示驱动开关以及图10（b）所示电流镜数模转换电路实现数字控制部分，通过译码电路将输入的8位控制信号转换为产生两组控制信号，一组控制信号用于控制无源移相部分的相实现5.625°、2.8°和1.4°的小位移相，另一组控制矢量信号加法器的象限选择和I/Q比值以实现11.25°步进的大移相位。以无源移相3位和有源移相5位实现8位移相为例，8位控制信号D8到D1通过译码电路得到矢量加法器象限选择控制信号SI和SQ、电流镜数模转换器控制信号S0、S1、S2、S3和S4，无源移相部分控制信号S00、S01和S02，再采用驱动开关处理各控制信号得到互补的无源移相部分的控制指令S00（P/N）和S01（P/N）及S02（P/N）、互补的象限选择指令SI（P/N）和SQ（P/N）、互补的正交控制指令S0（P/N）、S1（P/N）、S2（P/N）、S3（P/N）、S4（P/N）。
[0043] 以上两实例仅为本发明技术方案所能实现的两种高精度移相器，本领域技术人员可以根据移相位数的要求，灵活地组合配移相位数和移位相的组合，进而实现其它高精度移相器。
