CN102594285A - 射频串联分压式数字/模拟兼容移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频串联分压式数字/模拟兼容移相器。它由两个单元电路构成，一个单元电路为反射型数字模拟兼容移相电路，并构成具有０～３６０度的相位变化；另一个单元电路为串联分压式数字/模拟控制转换电路，构成对移相电路相位的数字/模拟兼容控制；反射型数字/模拟移相器电路和串联分压式数字/模拟控制转换电路构成射频串联分压式数字/模拟兼容移相器。本发明的电路拓扑和设计过程简单，制造工艺简便，成品率高，芯片面积小，插入损耗低，相移精度高，相移步进细，输入和输出电压驻波比低，各移相态插入损耗差值小。

Description

射频串联分压式数字/模拟兼容移相器

技术领域

　本发明属于应用在相控阵雷达、数字微波通信、移动通信、智能天线系统、电子对抗、制导和仪器等电子系统设备中的电子部件，特别是一种射频串联分压式数字/模拟兼容移相器。 

背景技术

在通信、相控阵雷达、电子对抗、制导和仪器等电子系统设备中的射频的控制电路中，数字/模拟移相器集成电路是射频主要控制电路之一。这种数字/模拟移相器集成电路的主要技术指标有：(1)工作频率带宽；(2)相移位数；(3) 相移量；(4)相移精度；(5)相位变化随控制电压变化的线性度；(6)插入损耗；(7) 各态插入损耗差；(8)各态输入和输出端电压驻波比；(9)开关速度；(10)电路尺寸；(11)输出功率1分贝压缩电平；(12)电路间电性能的一致性。现有的射频移相器集成电路的同类产品，由于设计采用的实现移相电路方案的缺陷，通常电性能指标均较差。例如：常规的微波五位数字移相器采用五种不同的电路彼此串接构成，因此其主要缺点有：(1)电路拓扑复杂，每一位要采用不同电路实现；(2)设计难度大；(3)工艺加工难度大；(4)相移精度低；(5)多位数字相移器的电路损耗大；(6)输入和输出端电压驻波比差；(7)工作频率带宽较窄；(8)成品率低；(9)受工艺控制参数影响，电路间电性能一致性较差；(10)电路尺寸较大。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路拓扑结构简单、大幅度减小电路插入损耗、减小芯片面积、提高成品率、降低成本并具有数字和模拟控制兼容的射频移相器。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种射频串联分压式数字/模拟兼容移相器。它由两个单元电路构成，一个单元电路为反射型数字模拟兼容移相电路，并构成具有０～３６０度的相位变化；另一个单元电路为串联分压式数字/模拟控制转换电路，构成对移相电路相位的数字/模拟兼容控制；反射型数字/模拟移相器电路和串联分压式数字/模拟控制转换电路构成射频串联分压式数字/模拟兼容移相器。该射频数字/模拟移相器电路包括第一信号输入端 、第一信号输出端和第一控制信号输入端，该第一信号输入端和第一信号输出端分别构成单元电路的信号输入端和信号输出端；所述的数字/模拟控制转换电路由控制信号输入端、 分压电阻、控制场效应晶体管和偏置电阻构成，其中第0分压电阻和第一分压电阻的公共连接点构成数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端，所述的分压电阻分别连接在控制场效应晶体管的源极和漏极之间后再与第0分压电阻串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的射频数字/模拟移相器电路的控制信号输入端连接；所述单元电路的射频数字/模拟移相器电路中,信号输入端连接第一微带线的一端，该第一微带线的另一端连接第一环形器的1号端口，信号由第一环形器的1号端口单向流入第一环形器的2号端口，第一环形器的2号端口连接第三微带线的一端，第三微带线的另一端分别连接第一电阻的一端和第0场效应管的漏极，该第一电阻的另一端接第一电容的一端，该第一电容的另一端接地，所述的第一场效应管的源极分别连接第二电阻的一端和第二电容的一端，该第二电阻的另一端和第二电容的另一端接地，该第0场效应管的栅极连接第三电阻的一端，该第三电阻的另一端为射频数字/模拟移相器电路的控制信号输入端；该控制信号输入端连接数字/模拟控制转换电路中的控制信号输出端，控制信号输入端接第0分压电阻的一端，该第0分压电阻的一端还与第一场效应晶体管的源极和第一分压电阻的一端相接，第0分压电阻的另一端连接第C0控 制信号端，该第一场效应晶体管的栅极连接第二偏置电阻的一端，该第二偏置电阻的另一端连接第C1控制信号输入端，所述的第一场效应晶体管的源极和第一分压电阻的另一端连接第二场效应晶体管的漏极和第三分压电阻的一端，该第二场效应晶体管的栅极连接第四偏置电阻的一端，该第四偏置电阻的另一端连接第C2控制信号输入端，该第二场效应晶体管的源极和第三分压电阻的另一端连接下一级场效应晶体管的漏极和对应的分压电阻的一端，依次类推，第n个场效应晶体管的漏极和第2n-1分压电阻的一端连接上一级场效应晶体管的源极和相应的分压电阻的对应端，该第n个场效应晶体管的栅极连接第2n偏置电阻的一端，该第2n偏置电阻的另一端连接第Cn控制信号输入端，该第n个场效应晶体管的源极和第2n-1分压电阻的另一端接地。流入第一环形器的2号端口的信号经过这条支路后原路反射到第一环形器的2号端口，反射回来的信号经过第一环形器单向由2号端口流入3号端口输出，第一环形器的3号端口与第二微带线的一端相连接，第二微带线的另一端从微波信号的第一输出端口输出，产生一定的相移量。 

本发明与现有技术相比，其显著优点有：(1)电路设计简单，通过数字模拟兼容控制转换电路实现连续改变或步进方式改变加到控制器件上的控制电压，使控制器件的电参数随控制电压变化，从而实现反射型移相电路的相位在360度范围内连续或步进快速变化；(2)数字和模拟控制兼容；(3)一般多位数字移相器其插入损耗均为多位数字移相电路之和，由于本发明只有一个单元电路， 故插入损耗小；(4)各态插入损耗差值小；(5)芯片面积小；(6) 由于采用数字模拟兼容控制转换电路，不仅实现数字模拟兼容，同时保证各数字移相态相互转换的开关速度，而且与砷化镓单片集成电路工艺兼容，制造中工艺难点少；(7) 成品率高，成本低；(8)芯片间电性能批量一致性好。

附图说明

图1是本发明的射频串联分压式数字/模拟兼容移相器电路的电路框图。

图2是本发明的射频串联分压式数字/模拟兼容移相器电路的电原理图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

结合图1、图2，本发明的射频串联分压式数字/模拟兼容移相器，由一个单元电路构成，该单元电路为反射型数字模拟兼容的移相电路，并构成具有0～360度的相位变化；所述的单元电路由射频数字/模拟移相器电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该射频数字/模拟移相器电路包括第一信号输入端INPUT、第一信号输出端OUTPUT和第一控制信号输入端P，该第一信号输入端和第一信号输出端分别构成单元电路的信号输入端和信号输出端；所述的数字/模拟控制转换电路由控制信号输入端VC0、VC1、VC2、......、VCn、分压电阻r0、r1、r3、......、r(2n-1)、控制场效应晶体管f1、f2、......fn和偏置电阻r2、r4......、 r(2n)构成，其中第0分压电阻r0和第一分压电阻r1的公共连接点P构成数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端，所述的分压电阻r1、r3、......、r(2n-1)分别连接在控制场效应晶体管f1、f2、……、fn的源极和漏极之间后再与第0分压电阻r0串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的射频数字/模拟移相器电路的控制信号输入端连接；所述的单元电路的控制信号输入端VC0、VC1、VC2、......、VCn外接控制信号，控制端口的数目为1、 2、......n，n为数字移相控制的位数，通常根据需要选取。数字移相态时，当控制信号输入端VC0、VC1、VC2、......、VCn均接场效应晶体管夹断电压时，设为参考态，当第C0控制信号输入端VC0接夹断电压，其他的控制信号输入端VC1、VC2、......、VCn分别或组合加导通电压(零伏)时则为不同的数字移相态；模拟移相态时，其他的控制信号输入端VC1、VC2、......、VCn均接场效应晶体管夹断电压，第C0控制信号输入端VC0的控制信号在给定范围内(从零伏到场效应晶体管夹断电压值，或从场效应晶体管夹断电压值到零伏)连续变化则对应模拟移相态。 

结合图2，为实现本发明的射频串联分压式数字/模拟兼容移相器，上述单元电路的射频数字/模拟移相器电路及数字/模拟控制转换电路的构成如下：第一信号输入端INPUT连接第一微带线M1的一端，该第一微带线M1的另一端连接第一环形器B1的1号端口，信号由第一环形器B1的1号端口单向流入第一环形器B1的2号端口，第一环形器B1的2号端口连接第三微带线M3的一端，第三微带线M3的另一端分别连接第一电阻R1的一端和第0场效应管F1的漏极，该第一电阻R1的另一端接第一电容C1的一端，该第一电容C1的另一端接地，所述的第一场效应管F1的源极分别连接第二电阻R2的一端和第二电容C2的一端，该第二电阻R2的另一端和第二电容C2的另一端接地，该第0场效应管F1的栅极连接第三电阻R3的一端，该第三电阻R3的另一端为射频数字/模拟移相器电路的第一控制信号输入端P；该第一控制信号输入端P连接数字/模拟控制转换电路中的控制信号输出端，第一控制信号输入端P接第0分压电阻r0的一端，该第0分压电阻r0的一端还与第一场效应晶体管f1的源极和第一分压电阻r1的一端相接，第0分压电阻r0的另一端连接第C0控 制信号端VC0，该第一场效应晶体管f1的栅极连接第二偏置电阻r2的一端，该第二偏置电阻r2的另一端连接第C1控制信号输入端VC1，所述的第一场效应晶体管f1的源极和第一分压电阻r1的另一端连接第二场效应晶体管f2的漏极和第三分压电阻r3的一端，该第二场效应晶体管f2的栅极连接第四偏置电阻r4的一端，该第四偏置电阻r4的另一端连接第C2控制信号输入端VC2，该第二场效应晶体管f2的源极和第三分压电阻r3的另一端连接下一级场效应晶体管的漏极和对应的分压电阻的一端，依次类推，第n个场效应晶体管fn的漏极和第2n-1分压电阻r(2n-1)的一端连接上一级场效应晶体管的源极和相应的分压电阻的对应端，该第n个场效应晶体管fn的栅极连接第2n偏置电阻r2n的一端，该第2n偏置电阻r2n的另一端连接第Cn控制信号输入端VCn，该第n个场效应晶体管fn的源极和第2n-1分压电阻r(2n-1)的另一端接地。流入第一环形器B1的2号端口的信号经过这条支路后原路反射到第一环形器B1的2号端口，反射回来的信号经过第一环形器B1单向由2号端口流入3号端口输出，第一环形器B1的3号端口与第二微带线M2的一端相连接，第二微带线M2的另一端从微波信号的第一信号输出端口OUTPUT输出，产生一定的相移量。在单元电路中，只要调节各微带线、电容和晶体管的值，就能够实现0～360度的相位变化。为便于描述，本部分在叙述具体的控制信号输入端VC0、VC1、VC2、......、VCn，分压电阻r0、r1、r3、......、r(2n-1)，控制场效应晶体管f1、f2、......fn和偏置电阻r2、r4......、 r(2n)时采用与其编号对应，如偏置电阻r₄为第四偏置电阻，而没有按顺序应为第二个偏置电阻来指明的。 

综上所述，本发明射频串联分压式数字/模拟兼容移相器的工作过程如下：射频输入信号从第一信号输入端INPUT输入，当控制信号输入端VC0控制信号从零伏电压向场效应晶体管的夹断电压连续变化时，或从场效应晶体管的夹断电压向零伏电压连续变化，此时各数字移相位的其他控制信号输入端 VC1、VC2、......、VCn的控制信号均为夹断电压，对应的场效应晶体管的电路参数发生连续变化， 电路对应不同的阻抗值，信号经过支路从输出端口OUTPUT输出，则对应不同的移相态，相应的信号相位在360度范围内连续变化，这种状态对应模拟移相态；数字移相态时，当控制信号输入端VC0、VC1、VC2、......、VCn控制信号均接场效应晶体管夹断电压时设为参考态，数字移相控制时VC0接场效应晶体管夹断电压，VC1、VC2、......、VCn分别或组合加导通电压时，对应不同的控制电压，电路对应不同的阻抗值，信号经过支路从输出端口OUTPUT输出，则对应不同的数字移相态，这样便可方便的实现射频串联分压式数字/模拟移相器。

Claims (1)

1.一种射频串联分压式数字/模拟兼容移相器，其特征在于：它由一个单元电路构成，该单元电路为反射型数字/模拟兼容的移相电路，并构成具有0～360度的相位变化；所述的单元电路由射频数字/模拟兼容移相器电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该射频数字/模拟移相器电路包括第一信号输入端（INPUT）、第一信号输出端（OUTPUT）和第一控制信号输入端（P），该第一信号输入端和第一信号输出端分别构成单元电路的信号输入端和信号输出端；所述的数字/模拟控制转换电路由控制信号输入端（VC0）、（VC1）、（VC2）、......、（VCn）、 分压电阻（r0）、（r1）、（r3）、......、（r(2n-1)）、控制场效应晶体管（f1）、（f2）、......（fn）和偏置电阻（r2）、（r4）......、（ r(2n)）构成，其中第0分压电阻（r0）和第一分压电阻（r1）的公共连接点P构成数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端，所述的分压电阻（r1）、（r3）、......、（r(2n-1)）分别连接在控制场效应晶体管（f1）、（f2）、……、（fn）的源极和漏极之间后再与第0分压电阻（r0）串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的射频数字/模拟移相器电路的控制信号输入端连接；所述单元电路的射频数字/模拟移相器电路中,信号输入端连接第一微带线（M1）的一端，该第一微带线（M1）的另一端连接第一环形器（B1）的1号端口，信号由第一环形器（B1）的1号端口单向流入第一环形器（B1）的2号端口，第一环形器（B1）的2号端口连接第三微带线（M3）的一端，第三微带线（M3）的另一端分别连接第一电阻（R1）的一端和第0场效应管（F1）的漏极，该第一电阻（R1）的另一端接第一电容（C1）的一端，该第一电容（C1）的另一端接地，所述的第一场效应管（F1）的源极分别连接第二电阻（R2）的一端和第二电容（C2）的一端，该第二电阻（R2）的另一端和第二电容（C2）的另一端接地，该第0场效应管（F1）的栅极连接第三电阻（R3）的一端，该第三电阻（R3）的另一端为射频数字/模拟移相器电路的第一控制信号输入端（P）；该第一控制信号输入端（P）连接数字/模拟控制转换电路中的控制信号输出端，第一控制信号输入端（P）接第0分压电阻（r0）的一端，该第0分压电阻（r0）的一端还与第一场效应晶体管（f1）的源极和第一分压电阻（r1）的一端相接，第0分压电阻（r0）的另一端连接第C0控制信号端（VC0），该第一场效应晶体管（f1）的栅极连接第二偏置电阻（r2）的一端，该第二偏置电阻（r2）的另一端连接第C1控制信号输入端（VC1），所述的第一场效应晶体管（f1）的源极和第一分压电阻（r1）的另一端连接第二场效应晶体管（f2）的漏极和第三分压电阻（r3）的一端，该第二场效应晶体管（f2）的栅极连接第四偏置电阻（r4）的一端，该第四偏置电阻（r4）的另一端连接第C2控制信号输入端（VC2），该第二场效应晶体管（f2）的源极和第三分压电阻(r3)的另一端连接下一级场效应晶体管的漏极和对应的分压电阻的一端，依次类推，第n个场效应晶体管(fn)的漏极和第2n-1分压电阻(r(2n-1))的一端连接上一级场效应晶体管的源极和相应的分压电阻的对应端，该第n个场效应晶体管(fn)的栅极连接第2n偏置电阻(r2n)的一端，该第2n偏置电阻(r2n)的另一端连接第Cn控制信号输入端(VCn)，该第n个场效应晶体管(fn)的源极和第2n-1分压电阻(r(2n-1))的另一端接地；流入第一环形器（B1）的2号端口的信号经过这条支路后原路反射到第一环形器（B1）的2号端口，反射回来的信号经过第一环形器（B1）单向由2号端口流入3号端口输出，第一环形器（B1）的3号端口与第二微带线（M2）的一端相连接，第二微带线（M2）的另一端从射频信号的第一输出端口（OUTPUT）输出，产生相移量。

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