[發明專利]一種基于兩級hybrid的寬帶正交信號發生器

在審

• 申請號: 202111658101.4
• 申請日: 2021-12-31
• 公開（公告）號: CN114499456A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 康凱;吳延鵬;余益明;吳韻秋;趙晨曦;劉輝華
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03H11/22
• 分類號: H03H11/22
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于相控陣技術領域，涉及作為相控陣系統核心模塊的有源移相器中的正交信號發生器，具體提供一種基于兩級hybrid的寬帶正交信號發生器，用以解決現有技術不能同時滿足低插入損耗和寬帶的問題。本發明通過兩級基于變壓器的hybrid級聯的方式極大地拓寬了工作帶寬，實現了15～40GHz的超寬帶，覆蓋了K波段以及Ka波段，也覆蓋了國內5G的24.75?27.5GHz及37?42.5GHz兩個頻段，且在15～40GHz范圍內具有良好的I/Q兩路信號平衡性；同時，在同等帶寬的條件下極大地降低了正交信號發生器引入的插入損耗，進而有效降低寬帶移相器以至于寬帶相控陣的功耗；綜上，本發明提供了一種低插入損耗的寬帶正交信號發生器，以滿足超寬帶有源移相器、甚至于超寬帶相控陣的設計需求。

技術領域

本發明屬于相控陣技術領域，涉及作為相控陣系統核心模塊的有源移相器，更進一步涉及有源移相器中的正交信號發生器，具體提供一種基于兩級hybrid的寬帶正交信號發生器。

背景技術

相控陣技術在無線通信系統和雷達系統中起著至關重要的作用，由于其高額的成本，相控陣技術大多用于國防與航天領域；但是，近年來，隨著自動駕駛、5G毫米波通信等技術的高速發展，消費類市場對相控陣技術也產生了強烈的需求；作為相控陣系統中的核心模塊，移相器的性能對相控陣的波束指向、波束掃描等核心指標有著至關重要的影響。

移相器的指標主要有移相精度、移相均方根誤差、插入損耗、增益均方根誤差、功耗等，其中，移相精度、移相均方根誤差和增益均方根誤差等影響相控陣的波束指向和旁瓣抑制比，而插入損耗和移相器引入的功耗對整個相控陣系統的功耗有著不可忽視的影響。通常移相器分為無源和有源兩種；無源移相器線性度好、沒有功耗，但是其相位帶寬窄、占用面積大、插入損耗較大，為了彌補無源結構帶來的較大插損，往往需要引入相對高增益放大器，而這導致功耗成本顯著提高；有源移相器架構具有移相精度高、面積小、插損小等優勢，并成為各方研究的熱點。對于有源移相器來說，通常由正交信號發生器、可變增益放大器(VGA)、信號合成器三部分組成，雖然VGA能帶來一定增益，但是正交信號發生器采用的無源結構引入的插入損耗通常會將VGA的增益消耗掉，并且其正交平衡性對移相器整體移相精度也起到重要影響；同時，盡管有源移相器的相位變化與頻率無關，故而具有更大的帶寬，但是正交信號發生器采用的無源結構往往會限制有源移相器的帶寬；因此，開發一個低插損、寬帶的正交信號發生器對高性能有源移相器設計至關重要；然而，傳統的正交信號發生器，如正交全通濾波網絡、RC多相網絡具有明顯的優缺點。

現有正交全通濾波網絡(QAF)原理圖如圖1所示，其帶寬較窄且與品質因數Q有關，雖然通過降低Q值可以擴大帶寬，但是降低Q值意味著增大電阻R，進而必然引入較大的插入損耗，顯然得不償失；由此可見，正交全通濾波網絡的主要優點在于引入插入損耗較小，缺點在于無法實現寬帶設計，僅適用于窄帶的移相器。

現有RC多相網絡(PPF)分為typeⅠ和typeⅡ型兩種，原理圖分別如圖2、圖3所示，兩種類型僅僅是第一級結構略微不一樣；由圖可見，該結構通過多級結構級聯來得到多個極點從而實現寬帶，但其引入了較大的電阻導致插入損耗比較大，并且n級RC多相網絡就會引入n個電阻，進一步增大插入損耗。

綜上所述，作為現有正交信號發生器，正交全通濾波網絡引入插入損耗較低、但無法實現寬帶，RC多相網絡能夠實現寬帶、但無法規避插入損耗太大的缺點。

發明內容

本發明的目的在于針對現有正交信號發生器不能同時滿足低插入損耗和寬帶的問題，提供一種基于兩級hybrid(混合結構)的寬帶正交信號發生器；本發明采用兩級基于變壓器耦合的hybrid結構實現了一個寬帶的正交信號發生器，同時引入的插入損耗相比于RC多相網絡具有顯著改善。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：