[發(fā)明專利]一種太赫茲全360°反射型移相器

在審

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• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN110971211A
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 馬建國;李旭光;周紹華;趙升;楊自凱;楊闖;張蕾;李昭
• 申請（專利權）人: 天津大學青島海洋技術研究院
• 主分類號: H03H11/16
• 分類號: H03H11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種太赫茲全360°反射型移相器，通過對反射型移相器結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提升反射型移相器的插入損耗和移相范圍性能，獲得功耗、插入損耗均衡的全360°移相范圍的反射型移相器。此結(jié)構(gòu)移相器可以應用于毫米波/太赫茲相控陣系統(tǒng)中。

技術領域

本發(fā)明屬于毫米波/太赫茲集成電路領域，尤其涉及一種太赫茲全360°反射型移相器。

背景技術

相控陣技術具有波束賦形和波束掃面的功能，因此在通信系統(tǒng)和雷達等系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢，可以顯著提升系統(tǒng)的信噪比和靈敏度，降低對系統(tǒng)中單個設備功率和噪聲的要求。其中，移相器是相控陣系統(tǒng)中最關鍵的模塊，它能改變鏈路中電磁波的相位從而控制波束傳播方向。移相器有多種實現(xiàn)方式，根據(jù)是否消耗能量可以分為有源和無源兩種。有源移相器主要為矢量合成移相器，通過對兩路正交信號幅度的控制并進行矢量求和獲得想要的相位狀態(tài)；無源移相器主要包括開關型和反射型，開關型移相器通過不同移相單元的導通關斷改變相位，反射型移相器通過改變負載網(wǎng)絡阻抗來改變電磁波相位。

在這些移相器類型中，反射型移相器不消耗功耗，且結(jié)構(gòu)較為簡單。隨著工作頻率的提升，反射型移相器中的電感等無源器件面積減小，其面積消耗大的缺點獲得較大的緩和。因此，反射型移相器成為毫米波太赫茲相控陣系統(tǒng)的較好選擇之一。然而，傳統(tǒng)反射型移相器的移相范圍較小，很難實現(xiàn)全360°移相，限制了相控陣系統(tǒng)的掃描范圍。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術存在的難題，本發(fā)明一種太赫茲全360°反射型移相器，通過對反射型移相器結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提升反射型移相器的插入損耗和移相范圍性能，獲得功耗、插入損耗均衡的全360°移相范圍的反射型移相器。此結(jié)構(gòu)移相器可以應用于毫米波/太赫茲相控陣系統(tǒng)中。

本發(fā)明提出了一種基于CMOS工藝的采用反射型移相器與0°/180°變相器結(jié)合的方式實現(xiàn)的太赫茲全360°移相器（如圖1）。具體內(nèi)容如圖2，單端輸入信號經(jīng)過巴倫T1轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘柌⑤斎?°/180°變相器。0°/180°變相器結(jié)構(gòu)類似于基爾伯特單元結(jié)構(gòu)，由跨導晶體管M1和M2、以及差分晶體管M3~M6組成。T1輸出的差分信號輸入跨導晶體管M1和M2的柵極，經(jīng)放大后由漏極輸出進入差分晶體管M3~M6的源級。VS作為差分晶體管的控制信號，配合反相器控制M3~M6的開關狀態(tài)。M3~M6的漏極如圖2的交叉結(jié)構(gòu)連接至變壓器T2并輸出至隨后的3dB耦合器輸入端。在這個過程中，VS作為控制信號，在處于高電平或低電平時將分別產(chǎn)生0°和180°兩個狀態(tài)。反射型移相器結(jié)構(gòu)由3dB耦合器和負載π型網(wǎng)絡兩部分。3dB耦合器的隔離端和直通端分別連接由C1、C2、L1和C3、C4、L2組成的π型負載網(wǎng)絡。其中C1~C4為可變電容，通過電壓控制其容值實現(xiàn)負載網(wǎng)絡的阻抗變化，實現(xiàn)反射型移相器的相位變化。最終，3dB耦合器隔離端為整個電路的輸出。

一種太赫茲全360°反射型移相器，具有以下幾個優(yōu)點：第一，該結(jié)構(gòu)可以拓展傳統(tǒng)反射型移相器的移相范圍，實現(xiàn)全360°的移相。第二，該結(jié)構(gòu)中變相器可以在太赫茲頻率下獲得平衡的狀態(tài)變化，并獲得有效增益，彌補移相器中無源結(jié)構(gòu)帶來的損耗，使得整體移相器結(jié)構(gòu)具有較小插入損耗。

附圖說明

圖1 太赫茲全360°移相器結(jié)構(gòu)框架；

圖2太赫茲全360°移相器電路原理圖；

圖3 傳統(tǒng)簡單的變相器。

具體實施方式

下面根據(jù)附圖對本發(fā)明技術方案進行詳細說明，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。

一種太赫茲全360°反射型移相器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，采用了0°/180°變相器與反射型移相器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了低插入損耗的全360°移相器。

移相器的詳細結(jié)構(gòu)如圖2，輸入太赫茲信號經(jīng)過巴倫T1實現(xiàn)單端信號轉(zhuǎn)差分，獲得的差分信號分別輸入基爾伯特結(jié)構(gòu)的跨導晶體管M1和M2柵極。M1和M2的漏極與差分晶體管M3~M6的源極相連，M3~M6作為信號選擇結(jié)構(gòu)，其漏極通過交叉的方式連接至變壓器T2，控制電平VS和反相器實現(xiàn)變相器信號通路的翻轉(zhuǎn)。當VS為正偏壓時，M3和M6導通，輸出狀態(tài)我們定義為0°；當VS為0偏壓時，M4和M5導通，輸出狀態(tài)則變?yōu)?80°。此外，跨導管M1和M2與導通的差分管組成了類共源共柵結(jié)構(gòu)，可以獲得信號的放大。在實現(xiàn)0°/180°變相器時，電路中所有NMOS晶體管均采用工藝所能允許的最小柵長尺寸，以獲得最優(yōu)晶體管截止頻率，并采用多柵結(jié)構(gòu)以提升結(jié)構(gòu)增益。變相器通過變壓器T2將信號輸入3dB耦合器。耦合器的負載采用了π型負載網(wǎng)絡，其中C1~C4為可變電容，L1和L2為電感，通過控制電壓的變化改變可變電容C1~C4的容值，從而實現(xiàn)負載阻抗的變化，改變反射信號相位，從而實現(xiàn)大于180°的移相范圍變化。最終，變相器0°/180°翻轉(zhuǎn)配合反射型結(jié)構(gòu)大于180°的相位連續(xù)變化，可以實現(xiàn)全360°移相范圍。