一种小型化低损耗超宽带反相移相器

技术领域

本发明属于微波射频集成电路领域，具体涉及一种小型化低损耗超宽带反相移相器。

背景技术

在微波射频领域，移相器广泛应用于射频前端模块，用于实现微波射频信号的相位移动，是当前相控阵雷达的核心器件。基于单片微波集成电路（Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit，MMIC）工艺的移相器具有体积小、加工精度高、一致性好的优点，尤其适合多通道的相控阵系统应用。

在系统小型化、低成本化不断推进的背景下，保证射频性能的前提下尽可能减小芯片面积成为了一个重要研究方向。移相器电路一般有加载线型、开关线型、高低通型、反射型等结构。

传统180°移相电路包括2个单刀双掷开关、1个Lange耦合器和1个直通传输线。当2个单刀双掷开关同时切换到直通传输线通道时，移相器工作在参考态；当2个单刀双掷开关同时切换到Lange耦合器通道时，移相器工作在移相态。两个状态下的信号相位相差180°，即实现反相移相。该结构存在两个问题：一方面，Lange耦合器和直通传输线的长度与四分之一波长线相当，占用的芯片面积大，不利于芯片小型化；另一方面，为保证Lange耦合器通道和直通传输线通道稳定正常工作，需要牺牲两个单刀双掷开关的插损以提供足够大的通道隔离，导致移相器插入损耗较大。

发明内容

针对现有技术中存在的芯片面积过大、插入损耗过大的问题，

提供一种小型化低损耗超宽带反相移相器，包括单刀双掷开关网络，宽带相位调制网络，反射网络和平面螺旋宽带耦合网络；

电路结构为：信号输入端RFIN安装在单刀双掷开关网络，第一单刀双掷开关网络输出端口与第一宽带相位调制网络输入端口连接，第二单刀双掷开关网络输出端口与第二宽带相位调制网络输入端口连接，第一宽带相位调制网络输出端口与第三平面螺旋宽带耦合网络端口c以及反射网络的晶体管SW5的漏极连接，第二宽带相位调制网络输出端口与第一平面螺旋宽带耦合网络端口a以及反射网络的晶体管SW6的漏极连接，信号输出端RFOUT安装于第四平面螺旋宽带耦合网络端口d，第二平面螺旋宽带耦合网络端口b接地。

较优的，单刀双掷开关网络包括晶体管SW1、晶体管SW2、晶体管SW3、晶体管SW4、传输线L1、传输线L2、传输线L3、传输线L4；其中晶体管SW1源极与信号输入端RFIN连接，传输线L1连接于晶体管SW1漏极和晶体管SW3漏极之间，传输线L3与晶体管SW3漏极相连，晶体管SW3源极接地；晶体管SW2源极与信号输入端RFIN连接，传输线L2连接于晶体管SW2漏极和晶体管SW4漏极之间，传输线L4与晶体管SW4漏极相连，晶体管SW4源极接地。

较优的，宽带相位调制网络包括电容C1、电容C2、电感L5、电感L6、控制信号端口VC1、控制信号端口VC2；传输线L3与电感L5靠近单刀双掷开关网络的一端相连，电容C1一端连接于传输线L3与电感L5之间，电容C1另一端接地；传输线L4与电容C2靠近单刀双掷开关网络的一端相连，电感L6一端与电容C2的另一端连接，电感L6另一端接地；晶体管SW1的栅极与晶体管SW4的栅极相连，并一同连接于控制端口VC2，晶体管SW2的栅极与晶体管SW3的栅极相连，并一同连接于控制信号端口VC1。

较优的，反射网络包括晶体管SW5、晶体管SW6；晶体管SW5源极接地，漏极与电感L5靠近反射网络的一端相连，栅极连接于控制信号端口VC1；晶体管SW6源极接地，漏极连接于电容C2靠近反射网络的一端，栅极与控制信号端口VC2相连。

较优的，平面螺旋宽带耦合网络包括耦合线TL1、耦合线TL2、耦合线TL3、耦合线TL4,4条耦合线等间距平行排列，依次螺旋弯折排列构成平面螺旋宽带耦合网络；其中第一平面螺旋宽带耦合网络端口a与晶体管SW6漏极连接，第三平面螺旋宽带耦合网络端口c与晶体管SW5漏极连接，第二平面螺旋宽带耦合网络端口b接地，第四平面螺旋宽带耦合网络端口d与信号输出端RFOUT连接，第五平面螺旋宽带耦合网络端口e连接耦合线TL3和耦合线TL4，第六平面螺旋宽带耦合网络端口f连接耦合线TL1和耦合线TL2。

较优的，单刀双掷开关网络在控制信号端口VC1、控制信号端VC2的控制下切换为参考态通道或反相态通道；当晶体管SW2和晶体管SW3导通，晶体管SW1和晶体管SW4关断时，右侧通道导通，此时电路工作在参考态；当晶体管SW1和晶体管SW4导通，晶体管SW2和晶体管SW3关断时，左侧通道导通，此时电路工作在反相态。

较优的，电容C1和电感L5组成反相态通道的低通宽带相位调制单元。

较优的，电容C2和电感L6组成反相态通道的高通宽带相位调制单元。

较优的，耦合线TL1和耦合线TL2为初级线圈，通过半导体工艺中不同金属层实现上下互联。

较优的，耦合线TL3和耦合线TL4为次级线圈，通过半导体工艺中不同金属层实现上下互联。

较优的，本发明仅在输入端存在1个单刀双掷开关网络，相比传统反相移相器减少1个单刀双掷开关网络，可减小插入损耗。

较优的，所述电容C1和电感L5组成反相态通道的低通宽带相位调制单元，电容C2和电感L6组成反相态通道的高通宽带相位调制单元，用于调节移相量在宽带范围内的平坦度，对参考态工况和反相态工况进行宽带相位修正，补偿因反射网络中开关管的寄生效应、局部非对称版图布局带来的相位失真，实现超宽带相位频率响应，可改善宽带移相精度。

较优的，晶体管SW5和晶体管SW6构成反射网络，为对应通道提供反射节点，实现相位变换。

较优的，所述平面螺旋宽带耦合网络使用了螺旋布局，该螺旋布局压缩了八分之一波长线在传输方向的长度，耦合网络面积大幅减小，进而显著减小耦合网络的面积，可实现芯片小型化。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

1.电路面积小。

2.插入损耗低，幅度不平衡度小。

3.可实现超宽带相位频率响应，改善宽带移相精度。

4. 只有1个固定的输入端口与1个固定的输出端口，采用数控方式实现状态切换，无需更改外部电路即可完成反相移相，使用简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是一种小型化低损耗超宽带反相移相器的结构示意图。

图2是一种小型化低损耗超宽带反相移相器具体电路图。

图3是本发明实施例的移相量曲线。

图4是本发明实施例的插损曲线和幅度调制曲线。

图中标记分别为：1、第一单刀双掷开关网络输出端口2、第二单刀双掷开关网络输出端口3、第一宽带相位调制网络输入端口4、第二宽带相位调制网络输入端口5、第一宽带相位调制网络输出端口6、第二宽带相位调制网络输出端口7、单刀双掷开关网络8、宽带相位调制网络9、反射网络10、平面螺旋宽带耦合网络。

具体实施方式

实施例：

如图1，图2所示的一种小型化低损耗超宽带反相移相器，具体电路结构如下：

包括单刀双掷开关网络，宽带相位调制网络，反射网络和平面螺旋宽带耦合网络；

信号输入端RFIN安装在单刀双掷开关网络，第一单刀双掷开关网络输出端口与第一宽带相位调制网络输入端口连接，第二单刀双掷开关网络输出端口与第二宽带相位调制网络输入端口连接，第一宽带相位调制网络输出端口与第三平面螺旋宽带耦合网络端口c以及反射网络的晶体管SW5的漏极连接，第二宽带相位调制网络输出端口与第一平面螺旋宽带耦合网络端口a以及反射网络的晶体管SW6的漏极连接，信号输出端RFOUT安装于第四平面螺旋宽带耦合网络端口d，第二平面螺旋宽带耦合网络端口b接地。

单刀双掷开关网络包括晶体管SW1、晶体管SW2、晶体管SW3、晶体管SW4、传输线L1、传输线L2、传输线L3、传输线L4；其中晶体管SW1源极与信号输入端RFIN连接，传输线L1连接于晶体管SW1漏极和晶体管SW3漏极之间，传输线L3与晶体管SW3漏极相连，晶体管SW3源极接地；晶体管SW2源极与信号输入端RFIN连接，传输线L2连接于晶体管SW2漏极和晶体管SW4漏极之间，传输线L4与晶体管SW4漏极相连，晶体管SW4源极接地。

宽带相位调制网络包括电容C1、电容C2、电感L5、电感L6、控制信号端口VC1、控制信号端口VC2；传输线L3与电感L5靠近单刀双掷开关网络的一端相连，电容C1一端连接于传输线L3与电感L5之间，电容C1另一端接地；传输线L4与电容C2靠近单刀双掷开关网络的一端相连，电感L6一端与电容C2的另一端连接，电感L6另一端接地；晶体管SW1的栅极与晶体管SW4的栅极相连，并一同连接于控制端口VC2，晶体管SW2的栅极与晶体管SW3的栅极相连，并一同连接于控制信号端口VC1。

反射网络包括晶体管SW5、晶体管SW6；晶体管SW5源极接地，漏极与电感L5靠近反射网络的一端相连，栅极连接于控制信号端口VC1；晶体管SW6源极接地，漏极连接于电容C2靠近反射网络的一端，栅极与控制信号端口VC2相连。

平面螺旋宽带耦合网络包括耦合线TL1、耦合线TL2、耦合线TL3、耦合线TL4,4条耦合线等间距平行排列，依次螺旋弯折排列构成平面螺旋宽带耦合网络；其中第一平面螺旋宽带耦合网络端口a与晶体管SW6漏极连接，第三平面螺旋宽带耦合网络端口c与晶体管SW5漏极连接，第二平面螺旋宽带耦合网络端口b接地，第四平面螺旋宽带耦合网络端口d与信号输出端RFOUT连接，第五平面螺旋宽带耦合网络端口e连接耦合线TL3和耦合线TL4，第六平面螺旋宽带耦合网络端口f连接耦合线TL1和耦合线TL2。

单刀双掷开关网络在控制信号端口VC1、控制信号端口VC2的控制下切换为参考态通道或反相态通道；当晶体管SW2和晶体管SW3导通，晶体管SW1和晶体管SW4关断时，右侧通道导通，此时电路工作在参考态；当晶体管SW1和晶体管SW4导通，晶体管SW2和晶体管SW3关断时，左侧通道导通，此时电路工作在反相态。

电容C1和电感L5组成反相态通道的低通宽带相位调制单元。

电容C2和电感L6组成反相态通道的高通宽带相位调制单元。

耦合线TL1和耦合线TL2为初级线圈，通过半导体工艺中不同金属层实现上下互联。

耦合线TL3和耦合线TL4为次级线圈，通过半导体工艺中不同金属层实现上下互联。

本发明仅在输入端存在1个单刀双掷开关网络，相比传统反相移相器减少1个单刀双掷开关网络，可减小插入损耗。

电容C1和电感L5组成反相态通道的低通宽带相位调制单元，电容C2和电感L6组成反相态通道的高通宽带相位调制单元，用于调节移相量在宽带范围内的平坦度，对参考态工况和反相态工况进行宽带相位修正，补偿因反射网络中开关管的寄生效应、局部非对称版图布局带来的相位失真，实现超宽带相位频率响应，可改善宽带移相精度。

晶体管SW5和晶体管SW6构成反射网络，为对应通道提供反射节点，实现相位变换。

平面螺旋宽带耦合网络使用了螺旋布局，该螺旋布局压缩了八分之一波长线在传输方向的长度，耦合网络面积大幅减小，进而显著减小耦合网络的面积，可实现芯片小型化。

本发明的参考态和反相态在同一个耦合网络中实现变换，可改善参考态和反相态的幅度调制效应，同时降低工艺波动对移相精度的影响。

在平面螺旋宽带耦合网络中，耦合线TL1、TL2构成初级平面耦合线，耦合线TL3、TL4构成次级平面耦合线，4条耦合线通过多次弯折形成平面螺旋布局，压缩了八分之一波长线在传输方向的长度，耦合网络面积大幅减小，进而显著减小耦合网络的面积，可实现芯片小型化。

由图3可知，本发明在6-18GHz超宽带范围内可实现182°-178°的移相量，移相精度高。

由图4可知，本发明在6-18GHz超宽带范围内可实现小于0.6dB的幅度调制，插损小于2.6dB，插入损耗低、幅度不平衡度小。

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。